基于PIC 單片機的礦用甲烷傳感器的設計

衛文慧

（煤炭科學研究總院重慶研究院，重慶 400037）

我國煤礦每年的重特大事故中，甲烷爆炸約占到70%，其破壞力極強，而且有數據表明，近幾年隨著煤層開采深度的進一步加大，這種災害呈上升趨勢。因此對礦井進行甲烷濃度的實時監測與預警是十分必要的，且意義重大[1-2]。甲烷爆炸界限為5%～16%當甲烷濃度低于5%時，遇火不爆炸，但能在火焰外圍形成燃燒層，當甲烷濃度為9.5%時，其爆炸威力最大(氧和甲烷完全反應)；甲烷濃度在16%以上時，失去其爆炸性，但在空氣中遇火仍會燃燒。因此，監測控制井下甲烷濃度是杜絕甲烷爆炸主要手段。而單片機傳感器近年來發展相當快，本身具有速度快、精度高、操作簡便、運行可靠等特點，十分適合作為甲烷監測傳感器的核心[3-4]。本文設計了一種使用PIC16F877 單片機的智能礦井甲烷傳感器，除具有濃度顯示，聲光報警等傳統功能外，還具有人機對話功能，大大提高了此類產品的可靠性、方便性和網絡化程度。

1 智能甲烷傳感器的設計方案

智能甲烷傳感器的甲烷檢測電路采用多個甲烷氣敏元件，每個甲烷氣敏元件所在電橋的輸出端都可以得到一個電壓信號，該信號特別小，不易被PIC 單片機采樣，將該信號通過一個放大電路放大，再送入PIC 單片機的AD 端口，將該信號轉換為數字信號，利用微處理器強大的運算和邏輯控制功能，分析處理采樣數據并在顯示器上顯示當前甲烷濃度。如果甲烷濃度超限，則進行聲光報警，并自動斷電保護甲烷氣敏元件。為了方便與其它設備或上位機傳輸數據，設置了通信接口。傳感器的零點漂移系數、非線性補償系數和礦井的安全濃度值都存放在PIC 單片機的EEPROM 中。智能甲烷傳感器的硬件結構如圖1 所示。

圖1 智能甲烷傳感器的硬件結構圖

2 硬件設計

2.1 單片機

單片機是甲烷傳感器的核心，經過比較，采用了MicroChip 公司的PIC16F877 單片機。它的最大優點表現在引腳少、功能強、可直接帶LED 負載;具有低耗能工作方式，較簡便地實現掉電保護;外圍配置簡單、明晰、提高了整機的可靠性;并且具有較強的抗干擾性，大大提高了抵御外界的電磁干擾和本機控制電路的電磁干擾的能力，所以特別適合在條件相對惡劣的井下工作。

2.2 甲烷氣敏元件的選用及檢測電路設計

甲烷氣敏元件選擇鄭州煒盛電子生產的MJC4/2.8J 催化燃燒式氣敏元件，它的工作電壓為2.8V，工作電流為90mA，具有低功耗、響應速度快、抗H2S 中毒等特點。甲烷檢測電路如圖2所示，Ra 為催化傳感元件，Rb 為補償元件，由干電池供電。在新鮮空氣(無甲烷)中，Ra=Rb，調整Rp 使電橋平衡，輸出端電壓=0;在有甲烷的環境中，Ra 表面發生無焰催化燃燒引起溫度上升，其阻值便隨之增加，而Rb 阻值不變，從而電橋失去平衡，輸出端電壓U>0。輸出端電壓U 經放大電路調整為單片機能夠檢測到的標準信號后，送入單片機的AD0～AD2。

圖2 甲烷檢測電路圖

2.3 信號放大電路設計

當在甲烷濃度為0～4%的環境中進行檢測時，甲烷檢測電路輸出電壓非常小(mV 級)，所以必須經過放大電路對該微小的電壓信號進行放大，才能被單片機采樣到?？紤]到低成本和干電池能量有限，選擇B-URR-BROWN 公司生產的OPA2272 運放。

2.4 聲光報警電路設計

為了保障井下的安全生產，當甲烷濃度超過安全值時，需要提醒井下工作人員及時采取保護措施。為了實現多方位報警功能，該傳感器的聲光報警電路采用二極管發光報警和鳴音報警2 種方式。

2.5 甲烷濃度顯示電路設計

液晶顯示器采用大連東顯電子有限公司生產的標準段式低功耗3位液晶顯示器EDS812A，有23 個段輸出和1 個公共端輸出，采用靜態驅動方法直接連線。

2.6 電橋自動斷電保護電路設計

當甲烷濃度超過4%時，甲烷氣敏元件容易受到沖擊而損壞。于是筆者設計了一個電橋自動斷電保護電路，如圖3 所示。該電路實現原理:將單片機的PB0 端口通過一個反向器加強驅動能力后，再與光耦相連，控制電橋電源的通斷;當單片機檢測到甲烷濃度達到4%時，置PB0 為高電平，控制光耦將甲烷電橋電源斷開，從而實現甲烷氣敏元件自動斷電保護功能。

圖3 電橋自動斷電保護電路圖

2.7 通信接口電路設計

為了與其它設備或PC 機傳輸數據，需要保留通信接口，該傳感器使用的是串行通信接口。由于從單片機輸出的為TTL 電平，為了使數據能夠通過RS232 接口正確傳輸，用MAX3232芯片將TTL 電平轉換為RS232 電平。

3 系統軟件設計

系統采用C 語言進行程序設計，大大提高了開發調試工作的效率，同時，所產生的文檔資料也容易理解，便于移植。主處理模塊主要是將各個模塊進行協調處理和實現數據交互。主處理模塊首先完成初始化工作，初始化后進入循環處理，在循環過程中主處理獲得采集模塊的數據，并將數據進行處理，根據處理后的結果來進行顯示或者報警。系統流程圖如圖4 所示。

圖4 系統流程圖

4 結束語

本文設計的智能甲烷傳感器，采用了多種創新的硬件/軟件手段，確保了系統的高精度和工作的可靠性，該傳感器采用多個甲烷氣敏元件，以PIC16F877 單片機為控制核心，采用C 語言進行程序設計。通過單片機控制甲烷傳感器，實現對井下甲烷濃度實時采集、處理，并當所測甲烷濃度超過設定的報警上、下限時自動報警，使礦工能夠及時脫離危險，是煤礦傳感器設計的首選器件。

[1]孫繼平.礦井安全監控系統[M].2004.

[2]李學海.PIC 單片機原理[M].北京航空航天大學出版社.2005.

[3]楊國慶，侯宏偉.我國煤礦瓦斯監控系統現狀及發展[J].煤炭技術，2008(9):63-64.

[4]李冠群.KG9701 型智能低濃瓦斯傳感器的分析[J].煤炭科學技術，2004(11):37-39.

[5]董宇涵.多傳感器數據融合系統設計與算法改進[D].北京:清華大學，2005.

[6]王耀南，李樹濤.多傳感器信息融合及其應用綜述[J].控制與決策，2001(5).