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1、便携式煤矿瓦斯报警器设计【摘要】对煤矿巷道瓦斯浓度的实时监测是确保煤矿巷道安全生产的要素之一。因此设计了一种适用于煤矿巷道中的瓦斯浓度监测仪。它能够实时检测瓦斯浓度，用LED显示浓度值，并在超过一定浓度的时候自动报警，可以随身携带或者安置于煤矿巷道之中。系统采取了由整体到局部的设计思路进行设计。整体由信号釆集、信号接收处理和信息显示与声光报警等部分构成，主要器件有：MQ-2瓦斯传感器、单片机、运算放大器、A/D转换器、LED和蜂鸣器等。器件的选择原则是在保证精确度的前提下选择功耗较低的器件，以此保证该监测仪在矿井下可以长时间工作。设计简单论述了报警器的控制方案及工作原理，给出了主程序及主要子程
2、序的框图。此次设计的瓦斯监测报警器具有操作简便，运行稳定，检测比较准确的特点。【关键词】瓦斯浓度监测 单片机 煤矿巷道II目 录1 引言11.1 选题背景及意义11.2 国内外现状及发展趋势11.3 研究内容22 系统总体设计方案22.1 系统组成框图22.2 微控制器的选型32.3 瓦斯传感器的选型32.4 A/D转换器的选型43 系统硬件电路设计43.1 STC89C52单片机最小系统53.2 MQ-2传感器电路63.2.1 MQ-2的结构63.2.2 MQ-2工作原理63.2.3 MQ-2的基本参数63.3 A/D转换电路73.4 声音报警电路83.5 显示电路93.6 灯光报警104
3、系统软件设计104.1 主程序设计104.2 T0中断子程序114.3 线性化处理子程序设计114.4 十六进制转化十进制子程序设计124.5 显示子程序设计134.6 数据处理模块135 电路仿真14结论15参考文献15附录1 硬件系统原理图17附录2 软件系统程序代码18191 引言瓦斯矿井在我国煤矿生产矿井中所占比重极大，随着矿井开采强度和深度的增加，瓦斯涌出量也在不断增加，瓦斯的积聚极其容易引起事故，所以及时掌握煤矿井下瓦斯动态情况是一件十分重要的工作。瓦斯浓度检测仪器在煤矿是数量最多，使用最普遍，而且也是煤炭系统研制种类最多的仪器。瓦斯浓度检测仪器就是用来监视矿并瓦斯浓度动态变化的有
4、效工具。因此鉴于瓦斯在矿井中存在的普遍性及其可能造成灾害的严重性，选择瓦斯浓度检测仪器作为毕业设计课题。1.1 选题背景及意义煤矿生产是地下作业，自然条件和生产条件都复杂，在釆掘过程中出现的瓦斯涌出、煤尘飞扬、自然发火等都有可能造成严重事故。为了防止事故发生，保障矿工的健康和安全，促进生产发展，提高煤炭企业的经济效益，需要对井下的生产环境进行检测，对可能造成灾害事故的各种有害气体及矿尘进行及时而准确的监测和严格控制，这就需要有瓦斯浓度监测仪这样的仪器。从我国煤炭生产的现状及我国能源结构战略规划均可看出，在本世纪中叶以前，煤炭仍是支持我国国民经济发展的主要能源，煤炭生产，作为我国能源工业的支柱，
5、其地位将是长期的，稳定的，但是煤炭工业的安全生产状况却不容乐观，中小型煤矿的情况尤为严重，已经直接威胁到整个煤炭工业的稳定生产，给国家财产和人民生命造成了很大的损失，作为“万恶之首”的瓦斯爆炸事故更是重大亊故发生率之首。瓦斯爆炸事故的结果触目惊心，因此提高瓦斯监测监控水平，已经成为中小型煤矿确保安全生产最迫切的任务之一。1.2 国内外现状及发展趋势瓦斯气体报警器在国外己经发展成为一种相当成熟的产品。日本是最早发明瓦斯气体报警器的国家，己有50多年的历史。无论在气体探测器的研制上，还是在报警器的性能上，均处于国际领先水平。日本政府和生产企业大力推广报警器的使用，使瓦斯气体爆炸等事故的事故率远远低
6、于欧美等发达国家。其中FIGARO、理研都是专门研制、生产可燃性气体报警控制器的厂家，他们生产的产品以采用最先进的气敏传感器、响应速度快、性能可靠、寿命长而著称。我国在70年代初期开始研制瓦斯气体报警器，生产型号多样、品种较齐全，应用范围也由单一的煤矿系统扩展到几乎所有危险作业环境的各种类型报警器，产品数量也在不断增加。但主要是在引进国外先进的传感器技术和先进的生产工艺基础上，又进行研究与开发，形成自己的特色。近年来，在气体选择性和产品稳定性上也有很大进步。1.3 研究内容瓦斯报警器是指利用气体传感器技术，将检测到的瓦斯气体浓度和标准值进行比较，当高过一定浓度值时候进行相应的声光报警，提醒正在
7、作业的人员进行相应的处理，避免不安全事故的发生，对采矿业的安全起着非常重要的作用。拟设计的瓦斯气体报警器是一种低成本，并能监测矿井内瓦斯气体的浓度，显示测量结果，并对当前的环境做出判断，发出报警信息等。主要完成以下任务：1）对单片机报警器系统进行整体的规划和结构的设计。2）以STC89C52单片机为中央处理器，设计的硬件电路主要分为A/D转换电路、STC89C52单片机接口电路、声音报警控制电路、显示电路四个部分。3）系统的软件编制。在程序的编写过程中，分别对主程序和各部分子程序进行流程图的绘制。2 系统总体设计方案瓦斯报警器的设计将实现煤矿井下瓦斯气体浓度的实时监控，利用传感器技术，将信号经
8、过A/D转换传至单片机，利用数码管实时动态显示，当超过设定限额时进行声光报警。2.1 系统组成框图瓦斯浓度监测仪主要由六个部分组成：瓦斯浓度传感器、运算放大电路、A/D转换电路、单片机控制电路，LED显示器和报警电路。传感器部分采用的瓦斯传感器能感知环境中瓦斯浓度，将信息转换成电信号。由于这种电信号是连续变化的模拟信号，需要经过A/D转换将其转化离散的数字信号，才能够被单片机识别。单片机处理电路对采集的数字信号进行处理和判断，运用一定的算法计算出待检测瓦斯浓度并送到LED显示器显示出来。当瓦斯浓度超出设定报警阈值时进行报警。报警模块单独采用了蜂鸣器作为声音报警装置，提醒使用人员当前的气体浓度已
9、经超过了警戒线，应该立即进行相应的处理，避免危险发生。它和LED显示器的配合使用，可以有效地提醒工作人员身边工作环境的变化，帮助工作人员提高警惕。瓦斯报警器系统结构如图1所示。图1 瓦斯报警器系统结构图2.2 微控制器的选型STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。STC89C5
10、2具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。STC89C52主要性能有以下几点：1） 与MCS-51单片机产品兼容2） 8K字节在系统可编程Flash存储器3） 1000次擦写周期4） 全静态操作：0Hz3
11、3Hz5） 三级加密程序存储器6） 32个可编程I/O口线7） 三个16位定时器/计数器8） 八个中断源全双工UART串行通道9） 低功耗空闲和掉电模式10） 掉电后中断可唤醒11） 看门狗定时器12） 双数据指针13） 掉电标识符2.3 瓦斯传感器的选型瓦斯报警器是一个气电变换器，它的作用是把可燃性气体在空气中的浓度变成电信号，进而由单片机采集信号、数据处理、浓度显示以便报警控制。传感器作为对可燃性气体的敏感元件，是各种类型仪表的核心之一。因此，传感器的选型是非常重要的。MQ-2是郑州炜盛电子科技有限公司生产的可燃性气体传感器，其敏感层是用非常稳定的二氧化锡制成。因此，它具有优秀的长期稳定性
12、，在正常使用条件下，其寿命可达5年。对一氧化碳、甲烷，液化石油气具有很高的灵敏度和良好的选择性。瓦斯报警器由于用于矿井巷道的气体检测，根据各类型瓦斯传感器的比较，气体传感器采用的是MQ-2，它适用于工业上对瓦斯，天然气，煤气的检测装置。它具有优良的抗乙醇，烟雾干扰能力，具有较好的灵敏度；对乙醇，烟雾几乎不响应；快速的响应恢复特性；长期的使用寿命和可靠的稳定性；驱动电路简单，较大的电信号输出，简单的测试电路等优点，适合在煤矿巷道之中使用。2.4 A/D转换器的选型A/D转换器的种类很多，就位数来分，有8位、10位、12位、16位等。位数越高，其分辨率也越高，但价格也越贵。而就其结构而言，有单一的
13、A/D转换器，有内含多路开关的A/D转换器。根据设计的需要，所选择的A/D转换器是ADC0809芯片。ADC0809是美国Analog Device公司生产的8位逐次逼近式模数转换器，转换速率高，自带三态输出缓冲电路，可直接与各种典型的8位或16位的微处理器相连而无需附加逻辑接口电路，且能与CMOS及TTL兼容，是目前我国应用最广泛，价格便宜的A/D转换器。加之内部含有三态输入缓冲电路，可直接与各种微处理器连接，且无须附加逻辑接口电路，内部设置的高精参考电压源和时钟电路，使它不需要任何外部电路和时钟信号，就能完成A/D转换功能，应用非常方便。3 系统硬件电路设计在便携式煤矿瓦斯报警器的设计中，
14、单片机是仪表的核心部件。它一方面接收传感器检测到的可燃性气体浓度所对应的模拟电压信号，另一方面要对这一信号进行处理，控制报警、控制电路进行相应操作，与此同时判断是否收到外部中断请求。在单片机所实现的这些功能中，特别是信号处理部分，需要单片机有较快的运行速度，才能对现场气体浓度做出快速、准确的检测，进行相应的处理。同时考虑选择低价实用的机型，并为制同一系列的低功耗产品做准备。根据多方面的比较，选用STC89C52系列单片机作为报警器的核心控制器。首先，可燃性气体浓度信号通过MQ-2气体传感器将可燃性气体浓度信号转换成电压信号，经过前置放大电路后，经过A/D转换，输出一个适合单片机接收的电压信号，
15、然后，送入STC89C52中，线性化数据处理后，将电压信号转化成对应的十六进制浓度值。最后，将浓度值送入LED数码管显示。当检测到的可燃性气体浓度超出上限报警设定值时，报警器发出声音报警，同时继电器启动驱动排气装置，实现排气系统的自动控制。3.1 STC89C52单片机接口电路STC89C52采用PQFP贴片式的封装形式，有40个管脚。根据单片机制作的原理以及报警器实现的功能，其接口电路主要分为四个部分。（1）复位模块复位操作可以使单片机初始化，也可以使死机状态下的单片机重新启动，因此非常重要。为可靠起见，电源上电稳定后还要经一定的延时，才能撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分一合过程中引起
16、的抖动而影响复位。在此采用的是阻容RC上电复位电路，通过电容加到RST端上一个高电平复位信号，高电平持续时间取决于RC电路参数。为了保证系统能可靠地复位，RST端上高电平信号必须有足够长的时间。STC89C52单片机最小系统如图2所示。图2 STC89C52单片机最小系统（2）系统时钟模块时钟电路产生单片机的工作时序脉冲，是单片机正常工作的关键。在此采用外部独立时钟震荡器所产生的时钟信号。在STC89C52的18脚（XTAL1）和19脚（XTAL2）外接12M的晶体，同时并连2个22pF的电容，产生系统时钟。（3）显示模块由STC89C52的3239脚以及2128脚构成浓度显示输出信号。本处采
17、用的是动态显示的方法进行浓度显示。（4）声音报警模块由STC89C52的15脚实现声音报警控制。当瓦斯浓度超过限定值时，扬声器发出鸣叫报警，同时启动54继电器。3.2 MQ-2传感器电路3.2.1 MQ-2的结构MQ-2气敏元件由微型AL2O3陶瓷管、SnO3敏感层，测量电极和加热器构成的敏感元件同定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有6只针状管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流。3.2.2 MQ-2工作原理MQ-2的接线如图3所示，在实际测量中，可以按照其电路来计算相应的校正数值，其中Ro表示的是测量气体在腔体内的等效电阻，RL是外
18、界负载电阻，用来调整输出的模拟量电压范围。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。图3 MQ-2接线图3.2.3 MQ-2的基本参数1） 敏感体表面阻值（空气中）：40k400k2） 测量介质：瓦斯3） 测量范围：30010000ppm4） 敏感度（空气中阻值/典型气体中阻值）55） 响应时间10s6） 恢复时间30s7） 加热电阻335%8） 电路电压：5V0.2V9） 加热电压：5V0.2V10） 工作温度：-10+50对于传感器的调整参数计算，可按照表1并结合该传感器的特性表进行
19、调整。表1 瓦斯传感器参数调整计算表浓度（ppm）计算值100500800100020003000500010000Rs/Ro0.90.70.550.50.40.350.280.2Rs(k)12.9910.17.947.215.775.054.042.893.033.323.573.673.883.994.154.36显示读数=255-C698396101112117126136注：RL=20k；Ro=14.43k；C86；RL负载电阻；Ro敏感体电阻；C常数，调整显示器范围。3.3 A/D转换电路ADC0809为28引脚双列直插式封装，其引脚排列及与单片机的连接见图4。图4 ADC0809引
20、脚及转换电路对ADC0809主要信号引脚的功能说明如下：IN7IN0模拟量输入通道。ALE地址锁存允许信号。对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。START转换启动信号。START上升沿时，复位ADC0809；START下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持低电平。本信号有时简写为ST。A、B、C地址线。通道端口选择线，A为低地址，C为高地址，引脚图中为ADDA，ADDB和ADDC。CLK时钟信号。ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。通常使用频率为500KHz的时钟信号。EOC转换结束信号。EOC=0,
21、正在进行转换；EOC=1，转换结束。使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。D7D0数据输出线。为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。D0为最低位，D7为最高。OE输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到的数据。Vcc+5V电源。Vref参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为+5V(Vref(+)=+5V，Vref(-)=-5V)。VIN1采集传感器输出的信号电压信号，当采集的电压超过1.96V时，即表示浓度超过约45%时，系统将发生报警。3.4
22、 声音报警电路声音报警电路是由三极管，继电器，扬声器以及排气电路构成。当实际检测浓度低于设定浓度时，三极管不导通，扬声器以及继电器均不工作，排气电路处于断开状态；当实际检测浓度等于或超过设定浓度时，通过P3.5和P3.6与单片机的连接从而引起电平的变化，P3.5和P3.6都为低电平，三极管导通，在扬声器发出报警声音的同时，继电器也进行工作，而使排气电路形成闭合回路，达到自动进行排气控制的效果。蜂鸣器发声原理是电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声的，因此需要一定的电流才能驱动它，单片机I/O引脚输出的电流较小，单片机输出的TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器，因此需要增加一个电流放大的
23、电路。如图所示，蜂鸣器的正极接到VCC（+5V）电源上面，蜂鸣器的负极接到三极管的发射极E，三极管的基极B经过限流电阻R27后由单片机的引脚控制，当引脚输出高电平时，三极管P1截止，没有电流流过线圈，蜂鸣器不发声；当P3.5输出低电平时，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。因此，可以通过程序控制引脚的电平来使蜂鸣器发出声音和关闭。程序中改变单片机引脚输出波形的频率，就可以调整蜂鸣器音调，产生各种不同音色、音调的声音。另外，改变引脚输出电平的高低电平的占空比，则可以控制蜂鸣器的声音大小。声光报警电路如图5所示。图5 声光报警控制电路3.5 显示电路要使数码管显示数字，只要控制其相应的
24、管脚所接发光二极管便可完成。若要使数码管显示一个“3”字，只需控制其“a、b、c、d、g” 这几个发光管点亮即可。由于数码管内没有限流电阻，在实际应用时，必须对每一段发光管回路中串一限流电阻。本设计中数码管用于显示当前的外界瓦斯浓度。图6 数码管显示电路3.6 灯光报警灯光报警电路由LED1（绿色）、LED2（黄色）、LED3（红色）组成，电阻起限流的作用。当可燃气体浓度小于浓度设定值时，单片机对应引脚输出高电平，无灯光报警；当检测可燃气体浓度大于浓度设定值时，单片机对应引脚为低电平，进行相应的灯光报警。黄灯闪烁时表示当前处于初始化状态，报警器初始化完成后。绿灯不停的进行闪烁表示当前工作正常。
25、4 系统软件设计软件要解决的主要问题是将检测传感器送来的可燃性气体浓度信号，进行线性化处理，用LED显示浓度，若浓度值超出限定值，报警器发出声光报警，提醒工作人员采取相关措施，同时启动排气装置，因此分为主程序、T0中断子程序、线性化处理子程序、十六进制转化十进制子程序，浓度显示子程序、键扫描子程序六个部分。4.1 主程序设计主程序流程图如图7所示，由于MQ-2型气体传感器在不通电状态下存放一段时间后，再通电时，器件并不能立即投入正常工作，需要一定的时间预热，所以采用延时程序对传感器预热。需要对传感器预热一段时间，预热的同时，设定所要检测可燃性气体浓度的上限值。主程序还包括显示子程序，T0中断子
26、程序等，以完善报警器的功能，给检测人员带来方便。开始初始化AD转换器AD采集数据按键扫描初始化传感器数码管显示按键处理数据处理初始化定时器图7 主程序流程图4.2 T0中断子程序程序初始化后，系统进入采样状态。对采集的气体次数每3次进行一次处理。经A/D转换、滤波、线性化处理、进制转化后，由LED显示其浓度值。同时将浓度值与上限报警设定值相比较，以判断是否需要报警控制处理。4.3 线性化处理子程序设计在单片机测控系统中，使用之前必须进行静态标定（校准），以得到输出信号与被测信号的关系输出曲线，用来作为使用过程中的计量依据。但是标定时输出曲线往往不是一条理想的直线，所以要对标定曲线进行线性化处理
27、，用一条拟合直线近似代替输出曲线，线性化是智能仪表的典型功能之一。由于电压值与气体浓度之间是非线性关系，为了实时显示气体浓度，需要对其进行线性化处理。在误差许可范围内，根据标定曲线形状，以及单片机处理能力，把曲线分成8段分别线性化。浓度0%LEL-99%LEL分成8段如下：0%LEL10%LEL 10%LEL20%LEL20%LEL28%LEL 28%LEL36%LEL36%LEL45%LEL 45%LEL61%LEL61%LEL78%LEL 78%LEL99%LEL单片机经过滤波后，得到3个采样值的一个真值，把这个真值通过查表比较，确定其所在区间的上下限电压值和上下限浓度值，根据公式，计算出
28、该电压值对应的浓度值。分段点的电压值和浓度值分别存储在两个表格中。式中：Y上-区间上限浓度值，Y下-区间下限浓度值，Y滤-实际气体测试浓度值，X上-区间上限浓度对应电压值，X下-区间下限浓度对应电压值，X滤-实际气体测试浓度对应电压值。4.4 十六进制转化十进制子程序设计经过线性化处理后的浓度是十六进制的，而LED显示的浓度是十进制的，所以要进行十六进制转化十进制子程序处理，再送入显示子程序。开始A-100A+100A-10A+10A送入27H将24H送入AC=0？C=0？25H+126H+1YYNN图8 十六进制转化十进制子程序流程图4.5 显示子程序设计显示电路的设计采用的是四位并行接口动
29、态显示电路，显示子程序流程图如下图所示。开始调入字符偏移量和位选代码查表送入显示延时2MS指向下一个偏移量3位显示完成？NY图9 显示子程序流程图4.6 数据处理模块数据处理子程序流程图如下图所示。Y烟雾超标信号输入打开继电器、蜂鸣器开始定时器打开时间计时N停止报警报警时间已到？图10 数据处理模块流程图5 电路仿真系统仿真通过电压表的电压输入表示外部传感器输入的电压，并将其进行显示。仿真图中用0-5V的电压表显示当前输入的电压，并代替了传感器。因为在pruteus里找不到MQ-2这个传感器，只能使用输入电压表示当前浓度的变化。此模块使用LED数码管进行选择动态显示ADC0809采集的浓度信息
30、。单片机瓦斯报警系统仿真图如图11所示。图11 瓦斯报警器仿真图图12 LED数码管动态显示浓度信息结论便携式煤矿瓦斯报警器由探测器与单片机控制电路两大部分构成。根据设计要求、使用环境、成本等因素，选用MQ-2气体传感器。该传感器是对烷类气体为主的多种可燃性气体有良好敏感特性的广谱型半导体敏感器件。它的灵敏度适中，响应与恢复特性好，长期工作稳定性、重现性、抗环境气氛影响及抗温湿度影响等性能均优。该仪器采用了高性能STC89C52单片机作为核心电路，充分利用了STC89C52的高速数据处理能力和丰富的片内设置，实现了仪器的小型化和智能化，使仪表具有结构简单、性能稳定、成本低等优点。应用程序用C语
31、言编写，充分利用芯片资源，提高了测量精度和代码执行效率，减小代码容量。对瓦斯气体采用滤波、线性化处理等，不但最大限度地排除现场噪声干扰，降低瓦斯气体报警器误报概率，而且易于在单片机中实现。此电路具有结构简单，调试方便，线性度好，温漂小等优点。便携式煤矿瓦斯报警器的设计也存在着一些需要完善的地方，譬如传感器的校正、测量精度不高，没有考虑通讯部分，如何更加智能化的进行报警工作，如何能更好的减少检测误差等问题值得去进一步的研究和探讨。参考文献1周元华.甲烷传感器的智能化设计M.机械与电子，2007年09期:19-23.2李朝青.单片机原理及接口技术M.杭州：北京航空航天大学出版社，1998:33-3
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