基于單片機(jī)的瓦斯報(bào)警器設(shè)計(jì)

引言
　　
當(dāng)前，隨著采礦技術(shù)的不斷發(fā)展，井下作業(yè)的安全越來(lái)越有保障，但是仍然有許多采礦企業(yè)的機(jī)械化程度低，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采礦的工作人員的生命安全造成潛在的威脅，特別是針對(duì)瓦斯氣體的檢測(cè)和報(bào)警仍舊存在隱患，每年由于瓦斯泄露造成的特大事故依然很多。瓦斯是在成煤過(guò)程中形成并大量?jī)?chǔ)存與煤層之中的氣體，是煤礦井下危害最大的氣體。瓦斯是一種無(wú)色無(wú)味的氣體，主要成份是甲烷（CH4），密度為0.716kg/ m3，對(duì)人體的危害是超時(shí)限能引起人窒息死亡。在地下采礦時(shí)候，井內(nèi)常常會(huì)泄露一定量的CH4、CO和SO2等氣體，后一種含量少，切易溶于水。經(jīng)煤礦開(kāi)采時(shí)的噴水處理后變成酸。但前兩種氣體含量多，且?guī)缀醪蝗萦谒瑢儆谝兹家妆瑲怏w。
　　
由于瓦斯氣體本身的危險(xiǎn)性和對(duì)人民生產(chǎn)生活造成的巨大危害，因此對(duì)瓦斯氣體的檢測(cè)和報(bào)警是一項(xiàng)必要的工作。瓦斯報(bào)警是指利用氣體傳感器技術(shù)，將檢測(cè)到的瓦斯氣體濃度和標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，當(dāng)高過(guò)一定濃度值時(shí)候進(jìn)行相應(yīng)的聲光報(bào)警，提醒正在作業(yè)的人員進(jìn)行相應(yīng)的處理，組織人員撤離或?qū)ΦV井通風(fēng)排氣，避免不安全事故的發(fā)生，對(duì)現(xiàn)在采礦業(yè)的安全起著非常重要的作用。筆者所設(shè)計(jì)一種低成本的可燃性氣體報(bào)警器設(shè)計(jì)，能夠監(jiān)控礦井的瓦斯氣體的濃度，顯示測(cè)量結(jié)果，并對(duì)當(dāng)前的環(huán)境狀態(tài)做出判斷，發(fā)出報(bào)警信息。

系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)
系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　
本設(shè)計(jì)的瓦斯氣體報(bào)警器由六個(gè)部分組成：傳感器、LCD顯示器、聲光報(bào)警器、控制電路、A/D轉(zhuǎn)換和電源模塊，傳感器部分采用的氣體傳感器能感知環(huán)境中某種氣體并將與氣體種類和濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。這種電信號(hào)是連續(xù)變化的模擬信號(hào)需要經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)化離散的數(shù)字信號(hào)?？刂齐娐芬詥纹瑱C(jī)為核心，能夠?qū)Σ杉臄?shù)字信號(hào)進(jìn)行處理和判斷，運(yùn)用一定的算法計(jì)算出待檢測(cè)氣體成分及濃度并送到LCD顯示器顯示出來(lái)。當(dāng)檢測(cè)氣體濃度超出設(shè)定報(bào)警閥值時(shí)給出聲光報(bào)警。本系統(tǒng)可以對(duì)檢測(cè)的數(shù)據(jù)和設(shè)定的閥值參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)并自備電源。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

                           圖1總體功能框圖
　　
根據(jù)使用環(huán)境對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的便攜型要求，控制電路的核心元件采用了AT89LV51低電壓?jiǎn)纹瑱C(jī)，傳感器采用MQ5氣體傳感器，為減少單片機(jī)端口的占用和進(jìn)一步擴(kuò)展其它功能A/D轉(zhuǎn)換部分采用TI公司的TLC1543，LCD顯示采用的是dm12232f，A/D轉(zhuǎn)換和LCD都是通過(guò)串行方式與單片機(jī)相連接，聲光報(bào)警器電路使用的是蜂鳴器和發(fā)光二極管進(jìn)行報(bào)警，這種設(shè)計(jì)可以滿足不同場(chǎng)合的應(yīng)用，測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定可靠，10位TLC1543的A/D轉(zhuǎn)換芯片能夠滿足系統(tǒng)測(cè)量的精度要求。系統(tǒng)電路如圖2所示。

                                  圖2 系統(tǒng)電路圖
　　
系統(tǒng)采用AT89LV51單片機(jī)作為控制部分的核心，AT89LV51是ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4K bytes的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器（PEROM）和128bytes的隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM），兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS－51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲(chǔ)單元，AT89LV51可在2.7～6.0V電源電壓下工作。A/D轉(zhuǎn)換部分的核心器件TLC1543有三個(gè)控制輸入端CS、I/O CLOCK、ADDRESS和一個(gè)數(shù)據(jù)輸出端DATA OUT遵循串行外設(shè)接口SPI協(xié)議。51系列單片機(jī)未內(nèi)置SPI接口，但通過(guò)軟件模擬SPI協(xié)議即可。硬件方面將TLC1543的CS、I/O CLOCK、ADDRESS、DATA OUT、EOC五個(gè)端口與AT89LV51的5個(gè)I/O口相連接。報(bào)警模塊單獨(dú)采用了蜂鳴器作為聲音報(bào)警裝置，提醒使用人員當(dāng)前的氣體濃度已經(jīng)超過(guò)了警戒線，應(yīng)該立即停止工作，進(jìn)行相應(yīng)的處理，避免危險(xiǎn)發(fā)生。它和液晶顯示器的配合使用，可以有效地提醒工作人員身邊的工作環(huán)境，幫助工作人員提高安全警惕。在報(bào)警模塊的電路中當(dāng)P0.7口的電平是低電平時(shí)候，三極管截止；當(dāng)P0.7口電平為高時(shí)候，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器產(chǎn)生報(bào)警聲音。
　　
本設(shè)計(jì)中，由于瓦斯氣體的主要成分是甲烷，所以氣體傳感器采用的是MQ-5，它適用于家庭或工業(yè)上對(duì)液化氣，甲烷（天然氣），煤氣的監(jiān)測(cè)裝置。它具有優(yōu)良的抗乙醇，煙霧干擾能力，具有對(duì)液化氣，天然氣，城市煤氣有較好的靈敏度；對(duì)乙醇，煙霧幾乎不響應(yīng)； 快速的響應(yīng)恢復(fù)特性；長(zhǎng)期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性；簡(jiǎn)單的測(cè)試電路等優(yōu)點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)和外形如圖3所示。

                             圖3 MQ-5的結(jié)構(gòu)和外形
　　
MQ-5氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形如圖3所示(結(jié)構(gòu)A或B),由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感層,測(cè)量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。封裝好的氣敏元件有6只針狀管腳，其中4個(gè)用于信號(hào)取出，2個(gè)用于提供加熱電流。
　　
設(shè)計(jì)中MQ-5的接線如圖4所示，在實(shí)際的測(cè)量中，可以按照其等效電路來(lái)計(jì)算相應(yīng)的校正數(shù)值，其中Ro表示的是測(cè)量氣體在腔體內(nèi)的等效電阻，RL是外接負(fù)載電阻，用來(lái)調(diào)整輸出的模擬量電壓范圍，具體數(shù)值應(yīng)根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器的輸入范圍來(lái)確定，在TLC1543的輸入范圍是0～5V，這樣RL可調(diào)整至該范圍，保證測(cè)量的量程足夠用。

                      圖4 MQ-5的等效電路

氣體測(cè)試結(jié)果計(jì)算
　　
對(duì)于傳感器的調(diào)整參數(shù)計(jì)算，可按照表1步驟并結(jié)合該傳感器的特性表進(jìn)行調(diào)整。

                                               表1甲烷測(cè)試計(jì)算

其中：RL＝20KΩ；Ro=14.43KΩ；C=86；RL—負(fù)載電阻；Ro—敏感體電阻；C—常數(shù)，調(diào)整顯示范圍。
　　
在靈敏度調(diào)整過(guò)程中，由于MQ-5型氣敏元件對(duì)不同種類，不同濃度的氣體有不同的電阻值。因此，在使用此類型氣敏元件時(shí)，靈敏度的調(diào)整是很重要的，建議用1000ppm異丁烷或氫氣校準(zhǔn)傳感器。
　　
結(jié)語(yǔ)
　　
本設(shè)計(jì)考慮攜帶方便，而且實(shí)用的報(bào)警器，成品可以很方便的嵌入在礦燈內(nèi)部，設(shè)計(jì)成本廉價(jià)。基于單片機(jī)礦燈用的智能瓦斯報(bào)警器設(shè)計(jì)在硬件的選擇上留有空間，在增加相關(guān)硬件同時(shí)，軟件部分只需改動(dòng)很少的部分就可實(shí)現(xiàn)其它功能，使系統(tǒng)功能更加完善。A/D轉(zhuǎn)換器是11通道的，可以擴(kuò)展其他傳感器，如礦井內(nèi)的溫度和濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)的傳感器。并且系統(tǒng)可以擴(kuò)展無(wú)線發(fā)射模塊，將檢測(cè)的信息及時(shí)地發(fā)到安全控制中心，在配合其它礦井內(nèi)的安全監(jiān)控設(shè)備更好的確保井下作業(yè)的安全。