井下瓦斯報警監測系統設計

【摘要】基于單片機井下瓦斯報警監測系統設計，采用AT89C52單片機作為核心控制模塊，并帶有MQ-5傳感器實現實時瓦斯濃度的監測，實現自動報警功能，同時利用無線傳感器nRF905發送、接收數據，有效防止和避免瓦斯燃燒或爆炸的惡性事故發生，完成了井下瓦斯濃度的無線監測。

【關鍵詞】AT89C52;MQ-5傳感器;無線傳感器nRF905

引言

在我國煤礦安全事故中， 瓦斯爆炸造成的傷亡人數占所有重大事故，傷亡人數的70 % 以上， 成為實現安全生產的最大障礙。及時準確地檢測瓦斯含量，在安全生產中具有重要意義。因此，進一步提高煤礦的安全保障能力。尤其是瓦斯事故，是重中之重。建設完善的煤礦瓦斯監控系統，有效檢測井下環境安全系數，進行實時監控和遠程監控，從而根據實際情況采取有效措施防止瓦斯事故發生，保障煤礦企業和工作人員的人身、財產安全，已成為煤礦安全監控的最迫切的任務之一。該選題將有效防止井下瓦斯爆炸事故的發生。

1.系統總體的設計

系統總體框圖如圖1所示。

圖1 系統總體方框圖

系統由MQ-5傳感器檢測瓦斯濃度后，再由A/D轉換器進行數值轉換。單片機對傳感器檢測到的濃度數據進行處理，進行判斷和顯示。

2.硬件電路設計

2.1 甲烷濃度檢測電路

MQ-5將采集到的一氧化碳濃度信號轉換為電信號，一氧化碳濃度的變化轉化為MQ-5傳感器內阻的變化，進而轉換為電壓的變化，即將一氧化碳的濃度信號轉換為模擬電信號，該模擬電信號經過A/D轉換器TLC549轉換為數字信號后被送入單片機內部。TLC549的CLOCK端、DATA OUT端和端分別由單片機來控制。當片選端選中時，單片機通過TLC549的時鐘時序來從DATA OUT引腳讀出一氧化碳濃度信號經過A/D轉換后得到的數字量。

2.2 無線傳輸模塊

nRF905有兩種工作模式和兩種節能模式。兩種工作模式分別是接收模式和發送模式，兩種節能模式分別是關機模式和空閑模式。nRF905的工作模式由TRX-CE、TX-EN和PWR-UP三個引腳決定。硬件連接上由T0、T1、P0.7連接到nRF905模塊的連接器相應的TX-EN、PWR-UP和TRX-CE引腳上，令PWR-UP和TRX-CE都置“1”，TX-EN置“0”為射頻接收模式;TX-EN置“1”為射頻發射模式。電路圖如圖2所示：

2.3 報警電路

瓦斯濃度達到爆炸極限時，單片機系統應能發出報警信號。本系統報警電路采用5V的自鳴式蜂鳴器，用一個晶體三極管作驅動，P1.1接晶體管基極輸入端，當P1.1輸出高電平“1”時，晶體管導通，蜂鳴器兩端獲得約+5V電壓而鳴叫;當P1.1輸出低電平“0”時，三極管截止，蜂鳴器不工作即停止發聲。

3.系統的軟件設計

系統程序設計主要分為以下模塊：

①鍵盤按鍵處理程序：實現鍵盤的輸入按鍵的識別及進入相應的程序;

②信號處理程序：對傳感器檢測到的濃度數據進行處理，進行判斷和顯示;

③數碼管顯示程序：向數碼的顯示送數，控制系統的顯示部分;

④無線傳輸的發送、接收程序：將氣體濃度通過單片機打包送給nRF905，再通過nRF905發送出去。

主程序主要完成控制系統各部件的初始化、實現各功能子程序的調用以及實際測量中各個模塊功能的協調。初始化，然后通過按鍵設置上下限值，接著通過按鍵分別測量兩點的氣體濃度值。當完成濃度采集后，則程序進入判斷程序。即按一下K4進入濃度控制點1的程序，通過顯示器顯示其數值，判斷當前濃度值，若在其上下限值范圍內，則蜂鳴報警。再按一下K4進入濃度控制點2的程序，以下程序和1點過程一樣。若當前濃度高于其濃度上限或低于其濃度下限，程序回到顯示當前程序，并開始循環。

3.1 單片機接收數據顯示框圖

由MQ-5傳感器檢測瓦斯濃度后，再由A/D轉換器進行數值轉換。對傳感器檢測到的濃度數據進行處理，進行判斷和顯示。單片機接收濃度顯示程序框圖如圖3所示。

圖3 單片機接收濃度顯示流程圖

3.2 無線傳輸模塊發送、接收流程圖

無線傳輸模塊分為數據發送部分和數據在區域進行監測，當探測到有瓦斯氣體溢出時，AT89C52會把監測節點的節點編號和瓦斯濃度數據打包通過nRF905發送出去。無線數據發送流程圖，如圖4所示;無線數據接收流程圖，如圖5所示。

圖4 無線數據發送流程圖 ? ? ? 圖5 無線數據接收流程圖

4.結論

本方案是基于AT89C52單片機的井下瓦斯報警系統，本系統由控制模塊、檢測模塊、顯示電路、報警電路、按鍵電路、電源模塊、無線傳輸模塊組成。控制模塊以AT89C52單片機為主控單元。由現場傳感器檢測井下瓦斯濃度，并由信號調理電路進行調理后送給TLC549模數轉換器，把模擬信號轉換給數字信號送給單片機。檢測到的氣體濃度通過顯示模塊顯示到Nokia5110上，當檢測到的氣體濃度在設定值范圍內時，系統便會通過報警電路進行聲光報警。射頻部分采用挪威Nordic公司的射頻芯片nRF905。各個節點把檢測到的氣體濃度通過單片機打包送給nRF905，再通過nRF905發送出去，發送成功后并通過RS-232串口將數據上傳至上位機，以實現對整個系統的控制和數據的存儲。

參考文獻

[1]黃敏桐.氣敏傳感器在工業和民用領域的應用[J].福建建材，2006，8（4）：132-135.

[2]吳巖.單片機在電子技術中的應用和開發技術研究[J].黑龍江科技信息，2011，21（9）：76-81.

[3]張家喜.一個實用的聲光報警系統[J].工業儀表與自動化裝置，2009，11（6）：67-73.

[4]吳巖.單片機在電子技術中的應用和開發技術研究[J].黑龍江科技信息，2011，21（9）：76-81.

[5]李艷麗.單片機與液晶顯示器的接口及應用[M].北京：高等教育出版社，2010.

作者簡介：李佳怡（1986—），女，吉林吉林人，碩士，助教，研究方向：控制工程，控制論與控制系統仿真。