基于C51 單片機(jī)的礦井瓦斯智能頭盔的電路設(shè)計(jì)＊

王茂輝，吳震

（重慶工商職業(yè)學(xué)院智能制造與汽車學(xué)院，重慶 401520）

前言

煤礦瓦斯爆炸有三個(gè)必須條件：一定濃度的瓦斯、高溫火源和充足的氧氣。在標(biāo)準(zhǔn)狀況下瓦斯按體積百分比濃度為5%～16%時(shí)遇到高溫火源后就會(huì)發(fā)生瓦斯爆炸，濃度在9.1%～9.5%時(shí)爆炸威力最大。瓦斯爆炸界限受溫度、壓力以及煤層其它可燃?xì)怏w、惰性氣體的混入等因素的影響。如果我們能夠監(jiān)控瓦斯氣體的濃度，在達(dá)到燃燒爆炸峰值之前，井下人員撤離到井上或者安全區(qū)域，那么事故發(fā)生的概率會(huì)大大降低。基于C51 單片機(jī)的礦井瓦斯智能監(jiān)測(cè)頭盔功耗低，靈活性好，且工作人員在井下活動(dòng)，能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)礦井的瓦斯氣體濃度，活動(dòng)區(qū)域廣，數(shù)據(jù)采集范圍大與其他動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備可以做互補(bǔ)，極大的增強(qiáng)了監(jiān)控的效果。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)終端設(shè)計(jì)原理

智能監(jiān)測(cè)頭盔的系統(tǒng)主要由瓦斯?jié)舛炔杉K，GPS 模塊，GPRS 模塊，C51 系列單片機(jī)，光電和語(yǔ)言模塊，RAM/ROM，A/D 模塊等幾部分組成，系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

1.2 主要模塊的功能

1.2.1 C51 系列單片機(jī)系統(tǒng)

AT89C51 單片機(jī)一種可以編程的微處理控制器，單片機(jī)通過(guò)芯片和豐富的外圍電路實(shí)現(xiàn)自身強(qiáng)大的功能。具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，可以結(jié)合瓦斯監(jiān)測(cè)傳感器，實(shí)現(xiàn)瓦斯?jié)舛鹊臏y(cè)量，在瓦斯?jié)舛冗_(dá)到預(yù)警值可以及時(shí)的傳遞信息給井下和地面工作人員，以便及時(shí)采取緊急避險(xiǎn)措施。C51 系列單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括寄存器，I/O 接口，復(fù)位電路，震蕩電路，內(nèi)部總線等組成，如圖2 所示。

1.2.2 A/D 轉(zhuǎn)換模塊

A/D 就是“模數(shù)轉(zhuǎn)換器”，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，傳輸給CPU，模擬信號(hào)是一類電平隨著時(shí)間進(jìn)行連續(xù)變化的信號(hào)。如果把一段模擬信號(hào)分成若干份并放到一個(gè)新的坐標(biāo)軸里，就會(huì)得到一串離散的幅度值，每一時(shí)刻對(duì)應(yīng)一個(gè)幅度值，這一串離散的幅度值表示了這段模擬信號(hào)，在一定的時(shí)間內(nèi)分割的時(shí)間段越大，幅度值表示信號(hào)越逼真。模擬信號(hào)離散化的目的是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，這樣，單片機(jī)等數(shù)字器件就能識(shí)別并處理了。

圖2 C51 系列單片機(jī)系統(tǒng)

1.2.3 瓦斯?jié)舛葌鞲衅?/p>

瓦斯傳感器能夠監(jiān)測(cè)煤礦井下氣體環(huán)境中的瓦斯?jié)舛龋梢赃B續(xù)自動(dòng)的將井下瓦斯氣體濃度轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸送給ECU，并具有就地顯示瓦斯氣體濃度值，超限聲光報(bào)警等功能。本設(shè)計(jì)采用載體催化及熱導(dǎo)原理測(cè)量甲烷濃度，由載體催化及熱導(dǎo)元件與金屬膜電阻、調(diào)節(jié)電位器等組成傳感探頭。工作時(shí)，被測(cè)環(huán)境中的甲烷以擴(kuò)散方式進(jìn)入傳感器探頭氣室與敏感元件發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)生與甲烷濃度相應(yīng)的電信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)放大后進(jìn)入 A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后送往中央處理單元ST89C51 單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后發(fā)往與之相連的井下監(jiān)控分站以及地面中心站，實(shí)現(xiàn)井下聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)，監(jiān)控及就地?cái)?shù)字顯示和聲光報(bào)警。

2 總結(jié)

本次設(shè)計(jì)基于C51 單片機(jī)的礦井瓦斯智能頭盔的電路設(shè)計(jì)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各種自然資源的開(kāi)發(fā)工作越來(lái)越精細(xì)化，安全生產(chǎn)顯得尤其重要，對(duì)井下瓦斯氣體的監(jiān)測(cè)是安全生產(chǎn)的必不可少的一環(huán)，科技的進(jìn)步會(huì)促進(jìn)瓦斯安全監(jiān)測(cè)手段和方式的升級(jí)，本次設(shè)計(jì)的缺陷也會(huì)在日后逐步完善。