礦用瓦斯智能監測報警系統研究

楊帆

摘要：在我國，瓦斯爆炸始終制約著我國煤炭行業的發展，因此對井下瓦斯濃度的實時檢測，對保護井下礦工的安全有重大意義。所以急需開發一種便攜式瓦斯濃度檢測報警系統。本設計是基于MSP430F149單片機為核心的便攜式瓦斯濃度檢測裝置，該儀器采用熱催化甲烷檢測傳感器為敏感元件，主要利用這種瓦斯檢測報警系統測量井下空氣中瓦斯濃度。儀器由單片機、敏感元件、放大電路、顯示電路、報警電路等組成。

本設計的主要控制過程：放大電路把放大了的電壓模擬信號輸入MSP430F149單片機的模數轉換通道中，單片機將電壓模擬信號變為數字信號，該信號是瓦斯濃度相對應的電壓信號，經過軟件程序處理后，輸出顯示實時瓦斯濃度，瓦斯濃度超過上限單片機發出聲光報警信號給報警電路。該儀器具備低功耗，高精度;結構簡單，低成本，經久耐用適合中小型煤礦井下瓦斯濃度檢測，極大保障了井下工作人員安全。研究結果表明，本次設計的便攜式瓦斯濃度檢測報警系統，可以測量的瓦斯濃度范圍為0.5-4.0%。該結果與參考傳感器MJC4的文獻資料基本吻合，達到了設計的要求。

關鍵詞：傳感器;閾值;報警電路

1 緒?論

煤礦生產過程中，對礦工生命安全以及礦井安全威脅最大的就是礦井瓦斯。對礦井下的瓦斯濃度進行有效的檢測并且能夠及時給予礦工以起到報警的作用，可以盡可能避免瓦斯事故對礦井安全生產造成的損害。但是目前我國煤礦生產過程中的安全管理以及瓦斯濃度檢測能力整體仍舊處于較低水平，由瓦斯超標導致的安全生產事故數量依舊居高不下。瓦斯爆炸成為了煤炭安全生產事故的主要災害，為了切實保障煤炭的安全開采和生產人員的生命安全，開展煤炭瓦斯檢測工作成為了煤炭開采行業的首要工作，開發便攜的智能的瓦斯報警系統已經顯得非常必要。

本設計的主要的內容和需求是設計一種基于單片機的便攜式瓦斯檢測報警系統，是一種基于MCU的便攜式瓦斯濃度檢測裝置，該裝置可以由井下礦工隨身攜帶、隨時測量瓦斯濃度的儀器。一旦井下檢測到的瓦斯濃度超過即將引起瓦斯爆炸的上限時，該檢測裝置會發出聲光報警信息，提醒井下工作人員立即撤離井下工作環境，提高煤礦井下作業人員的安全和財產安全。

2 系統總體方案設計

隨著電子技術，傳感器檢測技術和單片機技術的迅速發展，使利用高性能的單片機及外圍芯片檢測瓦斯濃度得以成功進行，為開發新一代瓦斯檢測裝置提供了條件。本次設計的便攜式瓦斯濃度檢測裝置主要部件有氣體傳感器，單片機MSP430F149，SMC1602A顯示電路，聲光報警電路，鍵盤輸入電路，電源電路和其他附屬電路組成。

便攜式瓦斯檢測報警系統包括信號處理電路、LCD顯示電路、聲光報警電路、電源電路。檢測裝置最為重要的是傳感器，它與井下的瓦斯環境直接接觸，將瓦斯濃度的模擬電量信號轉換成數字電量信號，經放大電路放大后，輸送給控制器，進行比對顯示，并做出是否發出聲光報警的判斷。

礦用瓦斯檢測報警系統主要為了降低井下瓦斯事故的發生率。本設計是基于MSP430F149單片機為核心的便攜式瓦斯濃度檢測裝置，該儀器采用熱催化甲烷檢測傳感器為敏感元件，主要利用這種瓦斯檢測報警系統測量井下空氣中瓦斯濃度。儀器由單片機、敏感元件、放大電路、顯示電路、報警電路等組成。基于MSP430F149單片機的礦用瓦斯檢測報警系統可以很好解決瓦斯信息管理問題，使礦用瓦斯檢測報警信息管理可以開發出最大價值。

3 硬件電路設計

MSP430系列單片機是Texas Instruments（TI）采用先進的半導體技術和集成電路設計技術開發的16位高性能的混合信號處理器。該單片機廣泛應用于測量類的儀器的開發，超高的性價比和豐富的產品為各種用戶提供了多樣的解決方案。作為全球化半導體設計與制造的領導者，TI生產的MSP430，極大方便了系統設計人員。

靈活的時鐘系統設計。MSP430可自由選擇主系統時鐘（MCLK）的來源，即可以選擇內部的DCO，也可以選擇外部的晶振。MSP430單片機接口電路，可以連接一個32768Hz的低速晶體和一個高速晶體。MCU的系統時鐘和各個系統內部外設，可自由設置和選擇所需要的時鐘，如還不滿足情況，還可以選擇多種形式的分頻，再進行設置。時鐘的選擇都有相應的控制器，都可以通過軟件進行打開和關閉。該單片機而可以具體到每一個功能所需的時鐘，盡可能減小系統的總體功耗。

方便高效的開發環境 MSP430非常適合工程技術人員開發，目前比較流行的開發環境有IAR、CCS等，這兩種IDE具有高效的編譯效率，使用C語言開發，程序還具有移植性。這種方法只要一臺個人電腦和一個開發測試板，便可以進行系統開發。

MSP430單片機有多種型號，可供用戶的選擇很多。MSP430單片機的電源電壓和51傳統的51單片機的5v電壓不同，它的是3.3伏，非常的省電。它本身具有一種活躍模式（AM）和5種低功耗模式（LMP0到LMP4），在系統工作時，可以根據工作情況的不同選擇不同的工作模式，減少功耗。本單片機處理模擬信號時非常迅速，由于其擁有高性能的12位AD轉換功能，比8位單片機要快很多。并且其擁有超高的性價比，更適合開發井下瓦斯濃度檢測裝置。

4 軟件設計

本課題在軟件程序設計過程中包含控制器功能的初始化，各個外圍器件的初始化，1602顯示程序、AD采集和處理程序、聲光報警程序等。

本設計采用IAR 的IDE對MSP430編程。這款編程軟件操作方便的，在進行程序設計時，將各個功能進行模塊化設計，調用各個子程序，這樣的設計使得在編寫調試過程中比較方便快捷，易于修改各個模塊，而不需要對整個程序進行修改。

ADC12的特點主要包括：軟件選擇片上參考電壓有1.5V或2.5V;16個轉換結果存儲寄存器;轉換通道可以選擇內部的溫度傳感器，內部模擬電壓或者外部的參考電壓;可以自由選擇模擬通道的轉換時鐘;ADC的內核參考電壓源可以分別被關閉，可以降低功耗;轉換初始化可以有軟件，定時器A或定時器B觸發。

5 實驗數據與分析

隨著科學技術的飛速發展，對能源和資源的使用也越來越多，煤炭作為主要的能源之一，已成為人類生產生活不可分割的一部分。煤礦的正常生產主要依靠電力供應，而且電壓等級越來越高，礦井的產煤效率越高。煤礦生產必須安全可靠，盡可能避免任何環節發生任何的安全事故，必須慎之又慎，把安全生產放到第一位。井下的生產情況嚴峻，自然條件惡劣，尤其應該保證人身和設備的安全。近幾年人類在單片機技術領域的突破以及全球通信網絡的持續快速建設，大容量大帶寬的信息高速公路為各行各業的信息交流提供了可靠便利的基礎服務。

瓦斯檢測在使用過程中，能夠對瓦斯濃度做出液晶顯示，濃度超過上限時會發出聲光報警。但本設計還不夠完善，本設計選用的瓦斯濃度傳感器只能在低濃度下，電壓和瓦斯濃度呈現線性關系，應選擇測量范圍更大，壽命更長，反應更靈敏、受環境影響更小的傳感器。還可以添加無線模塊，將井下瓦斯濃度實時傳回井上，方便井上工作人員了解井下實際情況。進一步加強井下工作的安全。

本設計基本實現檢測瓦斯濃度的要求，該儀器可以方便井下工作人員及時了解井下瓦斯的濃度，減少了因煤礦使用環境及安裝走線的復雜性而帶來的困擾。本設計工作安全，價格低廉。使用非常方便，簡單可靠，提高了井下的安全檢測水平。

參考文獻：

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[3]?程樹斌.基于PLC的瓦斯監控系統研究[J].石化技術，2019，26（04）：32+39.

（作者單位：河北科技學院）