基于單片機的瓦斯氣體濃度信息檢測和報警設計

由于瓦斯氣體本身的危險性和對人民生產生活造成的巨大危害，因此對瓦斯氣體的檢測和報警是一項必要的工作。瓦斯報警是指利用氣體傳感器技術，將檢測到的瓦斯氣體濃度和標準值進行比較，當高過一定濃度值時候進行相應的聲光報警，提醒正在作業(yè)的人員進行相應的處理，組織人員撤離或對礦井通風排氣，避免不安全事故的發(fā)生，對現(xiàn)在采礦業(yè)的安全起著非常重要的作用。筆者所設計一種低成本的可燃性氣體報警器設計，能夠監(jiān)控礦井的瓦斯氣體的濃度，顯示測量結果，并對當前的環(huán)境狀態(tài)做出判斷，發(fā)出報警信息。

　　當前，隨著采礦技術的不斷發(fā)展，井下作業(yè)的安全越來越有保障，但是仍然有許多采礦企業(yè)的機械化程度低，對現(xiàn)場采礦的工作人員的生命安全造成潛在的威脅，特別是針對瓦斯氣體的檢測和報警仍舊存在隱患，每年由于瓦斯泄露造成的特大事故依然很多。瓦斯是在成煤過程中形成并大量儲存與煤層之中的氣體，是煤礦井下危害最大的氣體。瓦斯是一種無色無味的氣體，主要成份是甲烷（CH4），密度為0.716kg/m3，對人體的危害是超時限能引起人窒息死亡。在地下采礦時候，井內常常會泄露一定量的CH4、CO和SO2等氣體，后一種含量少，切易溶于水。經煤礦開采時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?，屬于易燃易爆氣體。

　　系統(tǒng)功能設計

　　系統(tǒng)設計

　　本設計的瓦斯氣體報警器由六個部分組成：傳感器、LCD顯示器、聲光報警器、控制電路、A/D轉換和電源模塊，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的信息轉換成電信號。這種電信號是連續(xù)變化的模擬信號需要經過A/D轉換將其轉化離散的數字信號。控制電路以單片機為核心，能夠對采集的數字信號進行處理和判斷，運用一定的算法計算出待檢測氣體成分及濃度并送到LCD顯示器顯示出來。當檢測氣體濃度超出設定報警閥值時給出聲光報警。本系統(tǒng)可以對檢測的數據和設定的閥值參數進行存儲并自備電源。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1總體功能框圖

　　根據使用環(huán)境對產品設計的便攜型要求，控制電路的核心元件采用了AT89LV51低電壓單片機，傳感器采用MQ5氣體傳感器，為減少單片機端口的占用和進一步擴展其它功能A/D轉換部分采用TI公司的TLC1543，LCD顯示采用的是dm12232f，A/D轉換和LCD都是通過串行方式與單片機相連接，聲光報警器電路使用的是蜂鳴器和發(fā)光二極管進行報警，這種設計可以滿足不同場合的應用，測試結果穩(wěn)定可靠，10位TLC1543的A/D轉換芯片能夠滿足系統(tǒng)測量的精度要求。系統(tǒng)電路如圖2所示。

圖2系統(tǒng)電路圖

　　系統(tǒng)采用AT89LV51單片機作為控制部分的核心，AT89LV51是ATMEL公司生產的低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內含4Kbytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和128bytes的隨機存儲器（RAM），兼容標準MCS－51指令系統(tǒng)，片內置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，AT89LV51可在2.7～6.0V電源電壓下工作。A/D轉換部分的核心器件TLC1543有三個控制輸入端CS、I/OCLOCK、ADDRESS和一個數據輸出端DATAOUT遵循串行外設接口SPI協(xié)議。51系列單片機未內置SPI接口，但通過軟件模擬SPI協(xié)議即可。硬件方面將TLC1543的CS、I/OCLOCK、ADDRESS、DATAOUT、EOC五個端口與AT89LV51的5個I/O口相連接。報警模塊單獨采用了蜂鳴器作為聲音報警裝置，提醒使用人員當前的氣體濃度已經超過了警戒線，應該立即停止工作，進行相應的處理，避免危險發(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。在報警模塊的電路中當P0.7口的電平是低電平時候，三極管截止；當P0.7口電平為高時候，三極管導通，蜂鳴器產生報警聲音。

　　本設計中，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)上對液化氣，甲烷（天然氣），煤氣的監(jiān)測裝置。它具有優(yōu)良的抗乙醇，煙霧干擾能力，具有對液化氣，天然氣，城市煤氣有較好的靈敏度；對乙醇，煙霧幾乎不響應；快速的響應恢復特性；長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性；簡單的測試電路等優(yōu)點。其結構和外形如圖3所示。

圖3 MQ-5的結構和外形