基于C51 單片機的礦井瓦斯智能頭盔的電路設計＊

王茂輝，吳震

（重慶工商職業學院智能制造與汽車學院，重慶 401520）

前言

煤礦瓦斯爆炸有三個必須條件：一定濃度的瓦斯、高溫火源和充足的氧氣。在標準狀況下瓦斯按體積百分比濃度為5%～16%時遇到高溫火源后就會發生瓦斯爆炸，濃度在9.1%～9.5%時爆炸威力最大。瓦斯爆炸界限受溫度、壓力以及煤層其它可燃氣體、惰性氣體的混入等因素的影響。如果我們能夠監控瓦斯氣體的濃度，在達到燃燒爆炸峰值之前，井下人員撤離到井上或者安全區域，那么事故發生的概率會大大降低。基于C51 單片機的礦井瓦斯智能監測頭盔功耗低，靈活性好，且工作人員在井下活動，能夠實時動態監測礦井的瓦斯氣體濃度，活動區域廣，數據采集范圍大與其他動態監測設備可以做互補，極大的增強了監控的效果。

1 系統設計

1.1 系統終端設計原理

智能監測頭盔的系統主要由瓦斯濃度采集模塊，GPS 模塊，GPRS 模塊，C51 系列單片機，光電和語言模塊，RAM/ROM，A/D 模塊等幾部分組成，系統框圖設計如圖1所示：

圖1 系統設計框圖

1.2 主要模塊的功能

1.2.1 C51 系列單片機系統

AT89C51 單片機一種可以編程的微處理控制器，單片機通過芯片和豐富的外圍電路實現自身強大的功能。具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優點，可以結合瓦斯監測傳感器，實現瓦斯濃度的測量，在瓦斯濃度達到預警值可以及時的傳遞信息給井下和地面工作人員，以便及時采取緊急避險措施。C51 系列單片機內部結構主要包括寄存器，I/O 接口，復位電路，震蕩電路，內部總線等組成，如圖2 所示。

1.2.2 A/D 轉換模塊

A/D 就是“模數轉換器”，將模擬信號轉換成數字信號，傳輸給CPU，模擬信號是一類電平隨著時間進行連續變化的信號。如果把一段模擬信號分成若干份并放到一個新的坐標軸里，就會得到一串離散的幅度值，每一時刻對應一個幅度值，這一串離散的幅度值表示了這段模擬信號，在一定的時間內分割的時間段越大，幅度值表示信號越逼真。模擬信號離散化的目的是將模擬信號轉換成二進制數字信號，這樣，單片機等數字器件就能識別并處理了。

圖2 C51 系列單片機系統

1.2.3 瓦斯濃度傳感器

瓦斯傳感器能夠監測煤礦井下氣體環境中的瓦斯濃度，可以連續自動的將井下瓦斯氣體濃度轉換成標準電信號輸送給ECU，并具有就地顯示瓦斯氣體濃度值，超限聲光報警等功能。本設計采用載體催化及熱導原理測量甲烷濃度，由載體催化及熱導元件與金屬膜電阻、調節電位器等組成傳感探頭。工作時，被測環境中的甲烷以擴散方式進入傳感器探頭氣室與敏感元件發生反應并產生與甲烷濃度相應的電信號。該信號經放大后進入 A/D 轉換器進行模數轉換，然后送往中央處理單元ST89C51 單片機進行數據處理后發往與之相連的井下監控分站以及地面中心站，實現井下聯網監測，監控及就地數字顯示和聲光報警。

2 總結

本次設計基于C51 單片機的礦井瓦斯智能頭盔的電路設計，隨著經濟的發展，各種自然資源的開發工作越來越精細化，安全生產顯得尤其重要，對井下瓦斯氣體的監測是安全生產的必不可少的一環，科技的進步會促進瓦斯安全監測手段和方式的升級，本次設計的缺陷也會在日后逐步完善。