基于單片機(jī)的煤礦瓦斯報(bào)警系統(tǒng)分析

【摘 要】本文通過(guò)對(duì)礦井瓦斯災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展前景進(jìn)行的詳細(xì)的研究和分析，結(jié)合相關(guān)資料，對(duì)利用新型傳感器采集數(shù)據(jù)、射頻技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)方案技術(shù)的可行性進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】礦井；瓦斯；傳感器；射頻

礦井安全問(wèn)題己成為影響煤炭工業(yè)生產(chǎn)，保持礦井持續(xù)、健康發(fā)展以至于影響社會(huì)穩(wěn)定的重大問(wèn)題。礦井安全問(wèn)題中，瓦斯爆炸是最易發(fā)生、最危險(xiǎn)的一項(xiàng)因素，所以研究礦井安全問(wèn)題就不得不將瓦斯災(zāi)害作為首要研究對(duì)象。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)井下的環(huán)境參量進(jìn)行集中、自動(dòng)和連續(xù)地監(jiān)測(cè)，通過(guò)裝置在井下的各種傳感器搜集參數(shù)，再經(jīng)傳輸線(xiàn)路傳到地面中心站，顯示環(huán)境參數(shù)，并進(jìn)行記錄和打印。出現(xiàn)險(xiǎn)情，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警。由于礦井環(huán)境惡劣，災(zāi)害突出，故安全監(jiān)測(cè)是系統(tǒng)的首要任務(wù)。此系統(tǒng)將瓦斯災(zāi)害作為重點(diǎn)研究對(duì)象，所以主要是對(duì)礦井內(nèi)瓦斯、CO等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)從而實(shí)現(xiàn)安全報(bào)警的目的。

一、系統(tǒng)組成原理

（1）系統(tǒng)總體架。圖1各礦井分站中MSP430F1232單片機(jī)在處理傳感器群采集到相應(yīng)數(shù)據(jù)后，經(jīng)射頻芯片nRF905將數(shù)據(jù)不斷地發(fā)送至中心接收模塊；中心接收模塊中MSP430F149單片機(jī)通過(guò)同樣的射頻芯片接收到各分站的各種指標(biāo)數(shù)據(jù)，若有危險(xiǎn)數(shù)據(jù)則立即啟動(dòng)報(bào)警裝置；然后發(fā)送至管理中心模塊，圖2為井下部分的原理框圖這里我的研究主要是研究井下分站部分。（2）系統(tǒng)工作原理。由于在礦井內(nèi)監(jiān)測(cè)各種數(shù)據(jù)指標(biāo)時(shí)，需要將測(cè)得的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降V井外的中心控制模塊上，所以一般采取有線(xiàn)傳輸或其他線(xiàn)路的方式不但安裝復(fù)雜，安裝后監(jiān)測(cè)的設(shè)施如傳感器都只能固定在一處，不方便隨處監(jiān)測(cè)，而且經(jīng)費(fèi)也會(huì)比較昂貴。針對(duì)上述弊病，此文采取另一種數(shù)據(jù)傳輸方式，即無(wú)線(xiàn)傳輸。由于在一個(gè)大礦井中，存在多個(gè)小分礦，且相互之間距離都不遠(yuǎn)，所以先利用射頻技術(shù)將各分礦的數(shù)據(jù)收集至一處，然后將數(shù)據(jù)傳輸至井上。井下分站部分要測(cè)的參數(shù)很多有些需要A/D轉(zhuǎn)換有些不需要在本系統(tǒng)中只有溫度傳感器不需要所以可以直接接在單片機(jī)上。（3）瓦斯傳感器選型與應(yīng)用。TGS2442對(duì)CO十分敏感，所以非常適合CO檢測(cè)。在CO存在的情況下，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中氣體濃度增加而增大，使用簡(jiǎn)單的脈沖電壓電路，以1秒的循環(huán)驅(qū)動(dòng)，就可以把與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為電導(dǎo)率。TGS2442傳感器的特點(diǎn)：低功耗，尺寸小，對(duì)CO選擇性高，靈敏度高，抑制了對(duì)酒精的靈敏度，長(zhǎng)壽命、低成本，受溫度影響小。基本電路如圖3所示。CO傳感器數(shù)據(jù)采集電路如圖4，將CO傳感器的3、1腳分別接上電源和地，4腳通過(guò)一個(gè)PNP型三極管連到電源上，基極脈沖由單片機(jī)提供，2腳通過(guò)一個(gè)電阻RL（此處作為負(fù)載，選用10kΩ）和一個(gè)NPN型三極管連到地，基極脈沖同樣由單片機(jī)提供，2腳為CO氣體采樣腳，將數(shù)據(jù)送入A/D轉(zhuǎn)換器中，從而得到數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)中。

二、射頻模塊設(shè)計(jì)

（1）工作模式配置。RF905工作模式由TRX-CE，TX-EN，PWR-UP來(lái)設(shè)置，見(jiàn)表1。表中“X”表示任意電平。（2）射頻模塊天線(xiàn)設(shè)計(jì)。線(xiàn)是電磁波沿傳輸線(xiàn)路和在空間中進(jìn)行傳播的接口，是通信路徑中非常重要的一部分。天線(xiàn)是無(wú)源器件，因此發(fā)射天線(xiàn)所輻射的功率不可能比來(lái)自發(fā)射機(jī)并進(jìn)入天線(xiàn)的功率更大，實(shí)際上，由于損耗的存在，前者總是比后者要小。天線(xiàn)是互易器件，就是說(shuō)，同一種設(shè)計(jì)既可以用作發(fā)射天線(xiàn)，也可以用作接收天線(xiàn)，性能都一樣地好，在無(wú)線(xiàn)通信中，通常是同一天線(xiàn)既用作發(fā)射，也用作接收。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，發(fā)射天線(xiàn)的任務(wù)是將沿著傳輸線(xiàn)傳輸?shù)碾娔苻D(zhuǎn)換成在空間傳播的電磁波，也就是將這些電磁場(chǎng)“發(fā)射”到空間中去。在接收端，空間中的電場(chǎng)和磁場(chǎng)引起天線(xiàn)中的導(dǎo)線(xiàn)產(chǎn)生電流，因此一些能量從這些電磁場(chǎng)中傳播到與接收天線(xiàn)相連接的傳輸線(xiàn)中，并到達(dá)接收機(jī)。天線(xiàn)的設(shè)計(jì)是一個(gè)很精密的工作，一個(gè)良好的天線(xiàn)需要考慮頻帶、阻抗、增益等問(wèn)題。

三、結(jié)論

（1）采用了較為先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集傳感器，并在部分?jǐn)?shù)據(jù)上做了校正處理如瓦斯調(diào)零技術(shù)，根據(jù)實(shí)際情況運(yùn)用數(shù)字傳感器與模擬傳感器的結(jié)合來(lái)完成數(shù)據(jù)采集。（2）在數(shù)據(jù)處理上應(yīng)用了模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)字濾波方式。實(shí)現(xiàn)16位無(wú)誤碼性能，以較低的成本獲取極高的分辨率。（3）構(gòu)建了從分站到中心接收器數(shù)據(jù)傳輸方式。（4）在礦井內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸上，采用了高性?xún)r(jià)比的射頻設(shè)施，從而保障了數(shù)據(jù)采集工作的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性與可靠性。

參 考 文 獻(xiàn)

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