單片機(jī)在煤礦安全儀表中的應(yīng)用

齊杰龍，高 芬

（鄭州光力科技股份有限公司，河南鄭州，450001）

單片機(jī)在煤礦安全儀表中的應(yīng)用

齊杰龍，高 芬

（鄭州光力科技股份有限公司，河南鄭州，450001）

隨著對(duì)瓦斯?jié)舛葯z測(cè)技術(shù)的探索與研究，能檢測(cè)多種安全狀態(tài)參數(shù)的安全儀表應(yīng)運(yùn)而生，本文將以CO傳感器的選擇與硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)兩部分來研究單片機(jī)在安全儀表中是怎樣發(fā)揮作用的。

安全儀表；環(huán)境參數(shù)；單片機(jī)；集成電路

0 引言

我國煤開采量很大，但是同等生產(chǎn)100噸煤，美國的采人員死亡率僅為我國的1/190，我國煤礦都是瓦斯礦井，其中，一半礦井為高瓦斯或者瓦斯突出礦井。從上面我們也可以看出，我國采煤技術(shù)與發(fā)達(dá)國家還有很大差距，當(dāng)前煤礦安全的現(xiàn)狀為：按鍵設(shè)備精度不高，測(cè)定的一氧化碳的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，并且煤礦中的信息化程度也很落后，井下的信息難以及時(shí)上傳到地面控制中心。要想從源頭上使煤礦安全問題不再堪憂，必須依靠當(dāng)前的先進(jìn)的科技水平，將煤礦安全管理以及相關(guān)的電子設(shè)備進(jìn)行全面升級(jí)，其中特別注意在高瓦斯礦井運(yùn)用高精度的高精度安全監(jiān)測(cè)儀。研究高進(jìn)度的煤礦安全儀表，對(duì)提高煤礦生產(chǎn)效率、降低煤礦事故、保障煤礦工作人員人身安全有著極其重要的意義。

1 煤礦安全儀表概述

煤礦安全儀表主要指的是檢測(cè)煤礦井下環(huán)境參數(shù)的手持式或者固定式儀器，各類參數(shù)包括：CH4、CO、O2、溫度、風(fēng)速等因素。它運(yùn)用的技術(shù)包含模擬分立器件以及集成電路，這些技術(shù)目前都得到了很大的發(fā)展，為保障煤礦工作人員做出了極大貢獻(xiàn)。目前單片機(jī)與相關(guān)的芯片技術(shù)迅猛發(fā)展,基本可以達(dá)到上訴要求。下文將以單片機(jī)在一氧化碳安全儀表中的應(yīng)用做出研究。目前單片機(jī)與相關(guān)的芯片技術(shù)迅猛發(fā)展,基本可以達(dá)到上訴要求。下文將以單片機(jī)在煤礦一氧化碳安全儀表中的運(yùn)用做分析研究。

2 單片機(jī)技術(shù)硬件設(shè)計(jì)

目前單片機(jī)一般分為兩大部分，即硬件與軟件。從功能上可以劃分為：手持式、固定式、監(jiān)控儀器。手持式檢測(cè)儀表的電源為用鋰電池,可以測(cè)定一種或者是相似的多種環(huán)境參數(shù),如便攜式甲烷檢定器、便攜式一氧化碳檢定器、便攜式多用儀（可測(cè)氧氣、一氧化碳、溫度等）,該類儀器從功能上比較簡(jiǎn)單,主要包括檢測(cè)放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、顯示驅(qū)動(dòng)電路、聲光報(bào)警電路及其它輔助控制電路等。固定式檢測(cè)儀表大多采用外輸入電源,由電源箱提供12～24V直流本安電源。該類儀器除具備手持式儀器的基本功能外,還必須有檢測(cè)信號(hào)輸出的功能。監(jiān)控儀器是采集環(huán)境或工作參數(shù),根據(jù)這些參數(shù)的變化以控制生產(chǎn)設(shè)備。

2.1煤礦用一氧化碳傳感器的硬件設(shè)計(jì)

單片機(jī)硬件技術(shù)要求：

使用環(huán)境：溫度0～40℃,濕度≤98%,氣壓86～115kPa,風(fēng)速0～8m/s。

測(cè)量范圍：0～50010-6CO;允許誤差:當(dāng)0～10010-6CO時(shí),誤差為410-6CO,當(dāng)100～50010-6CO時(shí),誤差為真值的5%。

聲光報(bào)警設(shè)定：2410-6CO。

電源電壓：12～24VDC（礦用本安電源供電）。

輸出信號(hào)：200～1000Hz方波信號(hào);傳輸距離:≥1500m。

2.2安全儀表傳感器選擇

MQ-2氣體傳感器使用二氧化錫作為氣敏材料，因?yàn)槠湓诩儍艨諝庵须妼?dǎo)率較低。這種傳感器能夠檢測(cè)幾種不同的可燃性氣體，同時(shí)也能運(yùn)用在多種環(huán)境中,因此選用為家庭或者工廠的氣體泄漏監(jiān)測(cè)裝置也很合適的。

MQ-2技術(shù)指標(biāo)：

產(chǎn)品型號(hào) MQ-2產(chǎn)品類型 半導(dǎo)體氣敏元件標(biāo)準(zhǔn)封裝 膠木（黑膠木）檢測(cè)氣體 可燃?xì)怏w、煙霧檢測(cè)濃度 300-10000ppm（可燃?xì)怏w）

標(biāo)準(zhǔn)電路條件 回路電壓 Vc ≤24V DC 加熱電壓 VH 5.0V0.2V AC or DC 負(fù)載電阻 RL 可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下氣敏元件特性 加熱電阻 RH 31Ω3Ω（室溫）加熱功耗 PH ≤900mW敏感體表面電阻 Rs 2KΩ-20KΩ（in2000ppmC3H8）靈敏度 S Rs（inair）/Rs（1000ppm異丁烷）≥5 濃度斜率 α ≤0.6（R3000ppm/R1000ppmC3H8）標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件 溫度、濕度 20℃2℃；65%5%RH 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試電路 Vc:5.00.1V；VH:5.0V0.1V 預(yù)熱時(shí)間不少于48小時(shí)敏感體功耗（Ps）值可用計(jì)算下式：Ps=Vc2Rs/（Rs+RL）2 傳感器電阻（Rs），可用下式計(jì)算：Rs=（Vc/VRL-1）RL

3 單片機(jī)軟件處理本文中選取的是51系列單片機(jī)AT89C52,顯示驅(qū)動(dòng)為MAX7219,定時(shí)器計(jì)數(shù)器擴(kuò)展則選用的是82C53。根據(jù)技術(shù)要求,儀器有三位數(shù)碼顯示,顯示精度為110-6CO;對(duì)應(yīng)CO濃度測(cè)量范圍輸出200～1000Hz頻率信號(hào);驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警電路。所以該軟件的設(shè)有數(shù)據(jù)采樣、數(shù)字濾波及數(shù)值計(jì)算、顯示驅(qū)動(dòng)、信號(hào)輸出控制、報(bào)警驅(qū)動(dòng)等功能模塊。

因?yàn)橐谎趸紓鞲性盘?hào)太差,經(jīng)放大器放大后會(huì)出現(xiàn)各類干擾元素，其中主要是電源工頻干擾,除了硬件電路疊加濾波外,另軟件數(shù)字濾波同樣比較關(guān)鍵。該設(shè)計(jì)中運(yùn)用的是中值濾波法,也就是說在每個(gè)周期內(nèi)，可以進(jìn)行多次采樣，采樣工作完成之后，將其排序，選取中值和上次值進(jìn)行比較，從而確定出最終處理方式。下圖1為一氧化碳傳感器單片機(jī)程序流程圖。

4 結(jié)束語

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)大大削減了煤礦安全事件的發(fā)生程度。隨著時(shí)代的躍進(jìn)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)煤炭的需求量越來越大。經(jīng)過幾十年的開采，位于地表的煤炭幾乎開采殆盡，新探測(cè)出來的煤礦不是在深深的地下就是在深海里，開采難度日益增大，危險(xiǎn)系數(shù)明顯升高。因此，開發(fā)更靈敏的煤礦安全儀表的研究勢(shì)在必行。我國礦山安全應(yīng)該逐步完善的檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化工作，開發(fā)新型傳輸技術(shù)，將單片機(jī)技術(shù)更好的運(yùn)用在礦井安全儀表中。

[1]李軍．51系列單片機(jī)高級(jí)實(shí)例開發(fā)指南[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社.2004.

Application of single chip microcomputer in coal mine safety instrument

Qi Jielong，Gao Fen
（Zhengzhou power Polytron Technologies Inc，Henan Zhengzhou，450001）

along with the exploration and Research on gas concentration detection technology, safety instrument can detect a variety of security parameters in this paper came into being, in order to select and design of hardware and software design of the CO sensor chip in two parts to study safety instrument is how to play the role of.

safety instrument; environment parameter; MCU; integrated circuit