基于礦井瓦斯檢測系統的設計

諶 婕，閆澤宇

（西安石油大學電子工程學院，陜西 西安 710065）

關鍵字：STC89C52單片機；CO濃度；溫度；報警

由于經濟的快速發展，對瓦斯的需求量不斷增高，對瓦斯的含量也有了更高的要求。但是，在實際生產中，我國每年都有近萬人死于礦難事故。引起礦難的種類繁多，大部分是由瓦斯引起的。瓦斯是由多種易燃易爆氣體組合而成的，其中CO氣體的含量最高[1]。它的含量和傷亡率成正比，在適宜的范圍內才能進行安全的采礦。它的濃度也不能過高和過低，過高會出現缺氧等狀況[2]。因此，只有精準的檢測瓦斯的含量，才能降低礦難死亡率。本設計以STC89C52的硬件電路為核心，對CO氣體濃度、溫度的實時監測，完成硬件電路和軟件的程序設計[3]。根據無線傳輸技術，實現礦井瓦斯檢測系統的智能化。

1 系統的方案設計

系統的方案設計圖如圖1所示。本設計的硬件電路設計是以單片機STC89C52為核心，并且結合了一些外圍元件。例如：一氧化碳傳感器、AD轉換器、溫度傳感器、LCD液晶顯示器、無線傳輸模塊、報警模塊等組成。先進行CO的采集工作，把采集到的氣體進行轉換，然后輸送到單片機，單片機經過數據總線進行讀取工作，經過無線傳輸模塊進行發射接收程序，最后通過顯示屏顯示。

圖1 系統的方案設計圖

2 礦井瓦斯檢測系統硬件電路的設計

本設計是基于礦井瓦斯的檢測，硬件電路的設計以單片機STC89C52為核心和多個外圍電路模塊組成。其中外圍電路模塊包括電源電路模塊、顯示電路模塊、報警電路模塊、溫度采集電路模塊、瓦斯氣體采集電路模塊、無線傳輸電路模塊等組成。STC89C52功能強大，不僅可以進行中斷，還可以進行在線的編程，能夠實現復雜的系統設計。

2.1 單片機的最小系統

單片機的最小系統圖如圖2所示。晶振電路主要是由振體、電容、與非門組成，這里的電容均為22PF，主要為了降低功耗。在復位電路中，當開關未按下時，電容正在充電，因此RST腳上的電壓與VCC相同。隨著電容的充電，RST腳上的電壓才慢慢下降。

圖2 單片機的最小系統圖

2.2 礦井瓦斯檢測系統的外圍電路

電源在電路中起著至關重要的作用。本設計采用的是AMS1117-3.3，電路最高的工作電壓為5V，最低的工作電壓為3.3V。通過調節輸出級阻抗大小來調整壓降，維持電壓的穩定。LCD1602液晶顯示器的工作電壓一般在4.5～5.5V，在5V的工作電壓下，工作電流為2MA。通過調節變阻器來改變電壓的大小，從而改變它顯示的頻率。在報警電路中，由于單片機本身I／O的的驅動能力并不高，所以對蜂鳴器的驅動需要加入一個PNP三極管。三極管通過連接單片機引腳，根據與非門輸出電平來決定三極管的通斷，使蜂鳴器的電流形成回路進行報警。

溫度傳感器采用的是DS18B20，外部端口一般接3.0～5.5V的工作電壓。溫度采集時，溫度的振蕩頻率與溫度的高低成正比，并且根據溫度的位數來判斷分辨率，還能實現雙向通訊的功能。無線傳輸電路采用的是NRF24L01，工作于2.4～2.5 GHz ISM頻段，分為兩種工作模式，發射模式和接收模式。當處于發射模式時，將接收的數據寫入緩存區，根據引腳處于高低電平的狀態決定是否延遲發射數據。當處于接收模式時，延遲時間儲存接收數據，同時中斷標志位并置高電平，IRQ變低，產生中斷，通知MO去取數據，最后接收成功。

3 檢測電路軟件的設計

本設計通過簡單的程序設計，完成對礦井瓦斯系統的實時檢測。礦井瓦斯檢測系統設計了主程序和相對應的子程序，可以調用子程序對系統進行控制。礦井瓦斯檢測系統主程序圖如圖3所示。先是將變量全部初始化，之后開始采集需要采集的CO氣體，然后進行AD轉換，輸送到單片機。模數的轉變程序圖如圖4所示。主要是信號之間的轉變，是為了把之前的電信號朝著數字模擬的方向轉化，把采集的信息送入到寄存器中，把電信號轉換為數字信號。

圖3 礦井瓦斯檢測系統主程序圖

圖4 模數的轉變程序圖

4 使用效果

系統整體的結構設計完成之后，就進行相應的調試。本設計是基于礦井瓦斯的檢測，主要是用于CO濃度和溫度的測量，先是把CO的濃度采集出來經過AD轉換傳送給單片機，當CO的濃度超過預設值時，系統就會報警，停止運行。再采集溫度，通過AD轉換傳送到單片機中，當溫度超過設定值時，系統報警，否則系統正常運行，根據這一原理進行實物的調試。為了系統能夠正常的運行，安裝調試必不可少，主要加強兩個方面的工作，防爆性和準確性。

根據 “礦井生產規章”表明，瓦斯爆炸的最低極限為6%。當現場環境的瓦斯質量分數達到1%時，就立即停產，安排相應的工作人員迅速撤離。瓦斯質量分數達到2%，是該系統的安全因數所能達到的最大設定值。當瓦斯質量分數達到6%時，礦下可能已經發生爆炸，檢測系統就失去價值。本設計正是基于以上的幾點，采用無線傳輸技術，將采集的信息輸送到單片機中，在單片機上設置4個按鍵，分別為K1、K2、K3、K4；K1是設置參數用的，K2為選擇鍵，K3為調整數值上升鍵，K4調整數值減少鍵。根據采集的信息通過按鍵不斷調整合適的參數，在液晶屏LCD上顯示，顯示屏最上面的是溫度的測量數據，下面為濃度的測量數據。通過硬件的調試可以得到，使礦井下處于安全的環境中的溫度警戒范圍26～30℃，CO氣體瓦斯質量分數警戒范圍為2%～5%。

5 結語

礦井瓦斯檢測系統的設計，始終貫穿安全第一的思想。根據無線傳輸技術和單片機相結合的方法測量礦井下的環境，通過數據顯示，預測礦工能否下礦，大大減少了傷亡率，提高了經濟收益，給現在社會帶來極大的便利。對社會來講，這一方案是非常有必要的。