基于單片機的瓦斯報警器設(shè)計

摘要：以傳感器技術(shù)和A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)作為系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)，實現(xiàn)瓦斯氣體濃度信息的采集以及信號的轉(zhuǎn)換。設(shè)計了系統(tǒng)硬件電路，給出相關(guān)測試結(jié)果，該系統(tǒng)硬件電路簡單，控制可靠。

關(guān)鍵詞：氣體傳感器；單片機；A/D轉(zhuǎn)換器；瓦斯氣體測量

引言

當前，隨著采礦技術(shù)的不斷發(fā)展，井下作業(yè)的安全越來越有保障，但是仍然有許多采礦企業(yè)的機械化程度低，對現(xiàn)場采礦的工作人員的生命安全造成潛在的威脅，特別是針對瓦斯氣體的檢測和報警仍舊存在隱患，每年由于瓦斯泄露造成的特大事故依然很多。瓦斯是在成煤過程中形成并大量儲存于煤層之中的氣體，是煤礦井下危害最大的氣體。瓦斯是一種無色無味的氣體，主要成份是甲烷(CH_{4)，密度為0.716kg/m³，對人體的危害是超時限能引起人窒息死亡。在地下采礦時候，井內(nèi)常常會泄露一定量的CH4、CO和SO2等氣體，后一種含量少，切易溶于水。經(jīng)煤礦開采時的噴水處理后變成酸。但前兩種氣體含量多，且?guī)缀醪蝗萦谒瑢儆谝兹家妆瑲怏w。}

由于瓦斯氣體本身的危險性和對人民生產(chǎn)生活造成的巨大危害，因此對瓦斯氣體的檢測和報警是一項必要的工作。瓦斯報警是指利用氣體傳感器技術(shù)，將檢測到的瓦斯氣體濃度和標準值進行比較，當高過一定濃度值時候進行相應(yīng)的聲光報警，提醒正在作業(yè)的人員進行相應(yīng)的處理，組織人員撤離或?qū)ΦV井通風排氣，避免不安全事故的發(fā)生，對現(xiàn)在采礦業(yè)的安全起著非常重要的作用。筆者所設(shè)計一種低成本的可燃性氣體報警器，能夠監(jiān)控礦井的瓦斯氣體的濃度，顯示測量結(jié)果，并對當前的環(huán)境狀態(tài)做出判斷，發(fā)出報警信息。

系統(tǒng)功能設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計的瓦斯氣體報警器由六個部分組成：傳感器、LCD顯示器、聲光報警器、控制電路、A/D轉(zhuǎn)換和電源模塊，傳感器部分采用的氣體傳感器能感知環(huán)境中某種氣體并將與氣體種類和濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號。這種電信號是連續(xù)變化的模擬信號需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)化離散的數(shù)字信號。控制電路以單片機為核心，能夠?qū)Σ杉臄?shù)字信號進行處理和判斷，運用一定的算法計算出待檢測氣體成分及濃度并送到LCD顯示器顯示出來。當檢測氣體濃度超出設(shè)定報警閥值時給出聲光報警。本系統(tǒng)可以對檢測的數(shù)據(jù)和設(shè)定的閥值參數(shù)進行存儲并自備電源。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

根據(jù)使用環(huán)境對產(chǎn)品設(shè)計的便攜型要求，控制電路的核心元件采用了AT89LV51低電壓單片機，傳感器采用MQ5氣體傳感器，為減少單片機端口的占用和進一步擴展其它功能，A/D轉(zhuǎn)換部分采用TI公司的TLCl543，LCD顯示采用的是dml2232f，A/D轉(zhuǎn)換和LCD都是通過串行方式與單片機相連接，聲光報警器電路使用的是蜂鳴器和發(fā)光二極管進行報警，這種設(shè)計可以滿足不同場合的應(yīng)用，測試結(jié)果穩(wěn)定可靠，10位TLCl543的A/D轉(zhuǎn)換芯片能夠滿足系統(tǒng)測量的精度要求。系統(tǒng)電路如圖2所示。

系統(tǒng)采用AT89LV51單片機作為控制部分的核心，AT89LV51是ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含4K bytes的可反復擦寫的PEROM和128bytes的RAM，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)。A/D轉(zhuǎn)換部分的核心器件TLCl543有三個控制輸入端CS、I/O CLOCK、ADDRESS和一個數(shù)據(jù)輸出端DATA OUT，遵循串行外設(shè)接口SPI協(xié)議。51系列單片機未內(nèi)置SPI接口，但通過軟件模擬SPI協(xié)議即可。報警模塊單獨采用了蜂鳴器作為聲音報警裝置，提醒使用人員當前的氣體濃度已經(jīng)超過了警戒線。它和液晶顯示器的配合使用，可以有效地提醒工作人員身邊的工作環(huán)境。在報警模塊的電路中當P0.7口的電平是低電平時候，三極管截止；當P0.7口電平為高時候，三極管導通，蜂鳴器產(chǎn)生報警聲音。

本設(shè)計中，由于瓦斯氣體的主要成分是甲烷，所以氣體傳感器采用的是MQ-5。它具有優(yōu)良的抗乙醇，煙霧干擾能力，具有對液化氣，天然氣，城市煤氣有較好的靈敏度；對乙醇，煙霧幾乎不響應(yīng)；快速的響應(yīng)恢復特性；長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性；簡單的測試電路等優(yōu)點。共結(jié)構(gòu)和外形如圖3所示。

設(shè)計中MQ-5的接線如圖4所示，在實際的測量中，可以按照其等效電路來計算相應(yīng)的校正數(shù)值，其中R_{O表示的是測量氣體在腔體內(nèi)的等效電阻，RL是外接負載電阻，用來調(diào)整輸出的模擬量電壓范圍，具體數(shù)值應(yīng)根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器的輸入范圍來確定，在TLC1543的輸入范圍是0~5V，這樣RL可調(diào)整至該范圍，保證測量的量程足夠用。}

氣體測試結(jié)果計算

對于傳感器的調(diào)整參數(shù)計算，可按照表1并結(jié)合該傳感器的特性表進行調(diào)整。

其中：R_{L=20KΩ；RO=14.43KΩ；C=86；RL一負載電阻；RO一敏感體電阻；C—常數(shù)，調(diào)整顯示范圍。}

在靈敏度調(diào)整過程中，由于MQ-5型氣敏元件對不同種類，不同濃度的氣體有不同的電阻值。因此，在使用此類型氣敏元件時，靈敏度的調(diào)整是很重要的，建議用1000ppm異丁烷或氫氣校準傳感器。

結(jié)語

本設(shè)計考慮攜帶方便，而且實用的報警器，成品可以很方便的嵌入在礦燈內(nèi)部，設(shè)計成本廉價。基于單片機礦燈用的智能瓦斯報警器設(shè)計在硬件的選擇上留有空間，在增加相關(guān)硬件同時，軟件部分只需改動很少的部分就可實現(xiàn)其它功能，使系統(tǒng)功能更加完善。A/D轉(zhuǎn)換器是11通道的，可以擴展其他傳感器，如礦井內(nèi)的溫度和濕度進行監(jiān)測的傳感器。并且系統(tǒng)可以擴展無線發(fā)射模塊，將檢測的信息及時地發(fā)到安全控制中心，在配合其它礦井內(nèi)的安全監(jiān)控設(shè)備更好地確保井下作業(yè)的安全。