基于單片機的節能型瓦斯排放裝置研究

歐棟杰+閆鵬程+王海濱

摘 要 為解決我國煤礦中存在的瓦斯安全隱患并能有效節約電能，提出一種節能型瓦斯排放裝置。該裝置以AT89S51單片機核心，結合瓦斯傳感器以及其他軟硬件以達到自動節能排放瓦斯。該裝置節約電能，有效地扼制瓦斯排放事故的發生，具有良好的應用前景。

關鍵詞 單片機；節能；傳感器；瓦斯排放裝置

中圖分類號：TD724 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）02-0016-01

目前，隨著我國經濟不斷發展，能源問題日益嚴重，而煤炭作為我國的重要能源，其開采是解決能源問題的重要手段。隨著煤炭的大量開采，瓦斯防護系統被大量采用在各個煤礦中。在瓦斯防護系統中，一般采用抽放的形式，這導致需要大量的電機進行抽風排放。現在礦上主通風電機一般采用變頻技術能夠有效節約電能，但局部通風電機若采用變頻器，則成本太高，不具現實意義。因此，為了適應現代社會煤礦安全的要求，同時響應國家節約能源的號召，一種廉價的能節約電能的小型局部瓦斯排放裝置的研制勢在必行。

1 概述

由于傳統的局部瓦斯抽風機不使用任何節能措施，導致抽風機在瓦斯含量已經達到規定的瓦斯含量標準以下還不停的轉動，這造成電能的大量浪費。本文就是基于該情況下，設計一種新型排放裝置，其具有節能自動排放瓦斯功能。該裝置能夠根據井下的瓦斯含量智能地開關局部抽風電機，并可在瓦斯含量超標時進行報警。本裝置使用了一種完全新型的排風方式，利用電機的運行和停止時間的相對長短來決定排風量，可現場控制和遠程控制。

2 裝置架構介紹

該裝置主要由瓦斯傳感器群、控制器、防爆交流電機、防爆真空接觸器等組成，其中控制器是以單片機為核心，加以濾波電路、模數轉換電路、放大電路和電機控制電路組成。

裝置正常運行時，通過瓦斯傳感器測得瓦斯含量，并把測得量傳送到控制器，控制器根據預先設定的瓦斯含量閥值，當瓦斯含量超過閥值時，控制器啟動電機。考慮閥值的設定時，要根據現場實際情況，保證瓦斯含量能及時的減至安全限以下來設定。當低于閥值則控制器停止電機。

當瓦斯涌出量增大、局部通風機達最大風量（額定），瓦斯亦不能減至安全限以下時，則裝置能及時通知上位機，通過上位機可靠地執行風、電、瓦斯閉鎖的各項功能。

3 裝置原理分析

瓦斯感器把采集到的實時信號經過濾波處理后傳送單片機，經由單片機處理后，發出控制信號控制電動機是否打開，對是否排風進行控制。現場開關產生的信號可以切斷遠程控制并進行現場控制。在進行遠程控制時CPU可以把裝置的實時情況傳給上位機，在發生緊急情況時，上位機可以通過其他措施采取相關操作。看門狗的設置主要是防止裝置在發生死機等情況時，進行自動復位。輸出顯示電路主要用來顯示現場的瓦斯含量。

3.1 單片機

單片機采用的是AT89S51單片機，其是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，與已停產的AT89C51相比較而言，其提高工作頻率，增加了一個看門狗中斷，有兩組數據指針寄存器等等。另外AT89S51只需要5 V電壓即可刻錄與擦除程序存儲器，而89C51則需要分別以5 V及12 V電壓刻錄與擦除程序存儲器。

3.2 瓦斯傳感器及其檢測電路

載體催化元件對瓦斯測量主要是運用熱催化原理，是目前測量瓦斯主要技術的一種。本裝置所采用為LXK-2載體催化元件，其為中國船舶重工集團公司第七一八研究所生產研制，可用于井下瓦斯濃度的檢測。

LXK-2催化元件包括敏感元件和補償元件。敏感元件上帶有的催化劑使瓦斯和氧氣發生化學反應，在這過程中釋放的熱量使敏感元件電阻值發生變化，所以通過測量敏感元件的阻值就可以得到瓦斯的含量值。采用電橋測量敏感元件的阻值。

3.3 信號處理電路

信號處理電路采用的芯片是AD625和MAX260.AD625是一款可非標準增益、價格便宜，可編程的芯片。并且利用三個電阻就可使最高增益達到10000倍。MAX260是美國Maxim公司所產的CMOS有源濾波器，其內含有兩個二階濾波器，不需任何外部元件，就可構成各種濾波配置。處理電路先利用AD625對測量電路的電壓信號進行放大處理，然后利用MAX260進行濾波處理得到所需電壓信號。

3.4 AD轉換電路

本裝置采用ADC0804作為模擬-數字轉換器。該芯片屬于連續漸進式的A/D轉換器，具有轉換速度快（100 us）、分辨率高（8位），轉換誤差小（±1LSB）的特點。

3.5 電機控制電路

交流電機的控制是利用單片機的P2.0輸出口控制的。由于輸出電流不足于驅動固體繼電器，所以利用晶體管進行電流放大。二極管D1起保護作用，防止繼電器內線圈反向電動勢破壞晶體管。用真空接觸器控制電機，真空接觸器的控制回路由繼電器主回路提供。

3.6 其他電路設計

由于篇幅原因其他簡單電路不做過多的詳細介紹，如用數碼管作為數據顯示，用4列4行構成的按鍵陳列作為輸入器件等。

3.7 裝置程序的編程

程序編程主要是對各個芯片的初始化編程和整個主程序的編程。芯片的初始化主要是MAX260和ADC0804的初始化。主程序采用C語言編寫，另外按鍵輸入采用外部中斷。

4 總結

我國煤炭工業已得到了迅速發展，但是瓦斯問題長期以來一直沒有能得以妥善解決，瓦斯爆炸事件時有發生，從而嚴重阻礙了采煤效率的進一步提高，并且瓦斯排放過程中不能有效地解決電能浪費現象。本文所設計的瓦斯排放裝置正是為了解決此問題而設計的，該裝置可以有效地節省設備投資和節約電能，扼制瓦斯排放事故的發生。

參考文獻

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作者簡介

歐棟杰（1985-），男，安徽巢湖人，安徽理工大學在讀碩士研究生，研究方向：智能控制理論及應用。endprint