基于單片機的瓦斯報警儀設計

陳維欽

（山東鑫國煤電有限責任公司，山東 肥城 271613）

隨著國民經濟的不斷發展，對煤炭需求量也越來越大，這就使得煤礦的安全生產面臨著十分嚴峻的問題。煤礦礦難事故屢屢發生，造成的原因有很多，其中不少是因為瓦斯爆炸引起的。為了防止瓦斯爆炸事故的發生，除了加強井下作業人員的管理，改善井下的作業環境外，還必須建立一個性能可靠的瓦斯監控系統。

我國礦井瓦斯監控技術，經歷了從簡單到復雜、從低水平到高水平的發展過程，目前已經使用的瓦斯報警儀，具有體積小、結構簡單、安裝方便等優點，但存在的問題是傳感器漂移大，要定期維護，并且需要維護的周期很短，維護方法復雜，成本較高，抗機械干擾能力較差。

為了解決這些問題，本課題在分析模擬式瓦斯報警器特點的基礎上，充分利用51 單片機的強大功能，對瓦斯濃度進行實時采集、數據處理，對瓦斯傳感器進行實時自校零、非線性補償，對提高瓦斯檢測的可靠性和系統的性價比，具有十分重要的意義。

1 整機工作原理

儀器將關聯設備送來的電源穩壓為5V 電壓，供給整機電路使用。甲烷氣體敏感元件是采用熱催化原理探頭，電橋供電電壓為3V。

黑白元件的工作原理是：黑白元件由測量元件和補償元件構成，測量元件的表面有黑色的催化劑。工作時黑白元件有工作電流通過而發熱，檢測到的瓦斯在高溫測量元件的催化作用下，發生無焰燃燒。瓦斯濃度值越高，測量元件的溫度就越高。測量電橋輸出與甲烷濃度成比例的信號電壓。電橋信號電壓經過放大和A/D轉換后，變成數字信號，經單片機處理后，由顯示電路顯示甲烷濃度值，并經信號輸出電路輸出相應的頻率信號。

報警/斷電電路由蜂鳴器、發光二極管和驅動電路構成。當甲烷濃度超過設定的報警點時，儀器會發出聲光報警信號。當甲烷濃度超過設定的斷電點時，儀器會有斷電指令輸出，甲烷濃度超過斷電點以后，只有當甲烷濃度降低到設定的復電點以下時，儀器才會解除斷電指令輸出[1]。

2 系統硬件設計

2.1 CPU的選擇

本課題設計采用的CPU為AT89C52。AT89C52是美國ATMEL 公司生產的低電壓、高性能CMOS 8位單片機，片內含8k bytes的可反復擦寫的Flash 只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數據存儲器（RAM）。

2.2 A/D轉換檢測電路

A/D轉換器是將連續的量轉換成數字量的接口，是計算機控制系統核心、模擬系統和計算機之間的接口。A/D轉換器就是將模擬的電壓量轉換成數字量。ADC的類型繁多，品種規格也相當復雜，但從基本工作原理來分，大體上可以分成積分式（間接）和比較式（直接型）兩大類。所謂積分式ADC，是將輸入的模擬量（電壓）轉換成某種中間量（時間間隔或頻率），再把中間量變換成數字量，根據量的不同，積分式ADC 又可分為電壓- 時間間隔（V-T）和電壓- 頻率（V-F）式兩種，課題采用了雙斜積分式A/D轉換器。

2.3 多路開關

多路轉換器又稱多路開關，是用來切換模擬電壓信號的關鍵元件。利用多路開關將各個輸入信號一次的或隨機的連接到共用放大器或A/D轉換器上。為了提高過程參數的測量精度，對多路開關提出了較高的要求。理想的多路開關，其開路電阻為無窮大，其接通時的導通電阻為0。此外，還希望切換速度快，噪音小，壽命長，工作可靠。本課題采用多路開關4051 與黑白元件相連到檢測電路，檢測當前的甲烷濃度是否大于提前設置的安全濃度點[2]。

2.4 顯示部分電路

顯示部分主要是數據信息、報警提示、修改參數等的顯示，顯示為系統的一個獨立模塊，對于外部而言，有輸入參數、輸出參數的作用。LED 工作原理是由4個發光二極管組成，因此也稱之為4 段LED顯示。另外，顯示器中有一個圓點型發光二極管，用于顯示小數點。通過4個發光二極管亮暗的不同組合，可以顯示多種數字、字母以及其他符號。LED顯示器中的發光二極管，共有兩種連接方法：共陽極接法和共陰極接法。本系統選用共陰極接法的LED顯示器[3]。

3 軟件設計

通過A/D TLC1549 對數據的讀取。單片機通過TLC1549 A/D轉換器對信號進行采集，是軟件系統設計中最核心的部分。這一部分主要分為啟動TLC1549 并等待中斷后讀數、A/D轉換后讀數這兩個主要部分。主程序中利用原地踏步來等待采樣完成。

（1）首先要啟動TLC1549，并在中斷完成后進行讀數。

void start1549(uchar port)//讀取采樣值，port 是采樣的通道號

（2）A/D轉換完成之后，通過單片機模擬SPI 采集數據。

4 結束語

本設計主要是針對煤礦瓦斯濃度而進行報警及自動調節。該系統以單片機AT89C52為控制核心，通過瓦斯濃度傳感器將井下瓦斯濃度傳給單片機，單片機通過邏輯運算判斷瓦斯濃度是否超過設定值，如果超過，則發出聲光報警。通過一個月的井下使用情況表明，發現該瓦斯報警儀反應靈敏，操作簡單，能夠在井下各種復雜條件下24 h 不間斷工作，對預防瓦斯事故的發生，具有舉足輕重的作用。

[1]韓志軍，沈晉源，王振波.單片機應用系統設計[M].北京：機械工業出版社，2005.

[2]余小平，奚大順.電子系統設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[3]吳少軍，劉光斌.實用低功耗設計—原理、器件與應用[M].北京：人民郵電出版社，2003.