基于51單片機的瓦斯報警器設計

引言
　　
當前，隨著采礦技術的不斷發展，井下作業的安全越來越有保障，但是仍然有許多采礦企業的機械化程度低，對現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與煤層之中的氣體，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（CH4），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。經煤礦開采時的噴水處理后變成酸。但前兩種氣體含量多，且幾乎不容于水，屬于易燃易爆氣體。
　　
由于瓦斯氣體本身的危險性和對人民生產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，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的聲光報警，提醒正在作業的人員進行相應的處理，組織人員撤離或對礦井通風排氣，避免不安全事故的發生，對現在采礦業的安全起著非常重要的作用。筆者所設計一種低成本的可燃性氣體報警器設計，能夠監控礦井的瓦斯氣體的濃度，顯示測量結果，并對當前的環境狀態做出判斷，發出報警信息。

系統功能設計
　　
本設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轉換和電源模塊，傳感器部分采用的氣體傳感器能感知環境中某種氣體并將與氣體種類和濃度有關的信息轉換成電信號。這種電信號是連續變化的模擬信號需要經過A/D轉換將其轉化離散的數字信號。控制電路以單片機為核心，能夠對采集的數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定報警閥值時給出聲光報警。本系統可以對檢測的數據和設定的閥值參數進行存儲并自備電源。系統框圖如圖1所示。

根據使用環境對產品設計的便攜型要求，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轉換部分采用TI公司的TLC1543，LCD顯示采用的是dm12232f，A/D轉換和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光二極管進行報警，這種設計可以滿足不同場合的應用，測試結果穩定可靠，10位TLC1543的A/D轉換芯片能夠滿足系統測量的精度要求。系統電路如圖2所示。

系統采用AT89LV51單片機作為控制部分的核心，AT89LV51是ATMEL公司生產的低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內含4K bytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和128bytes的隨機存儲器（RAM），兼容標準MCS－51指令系統，片內置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，AT89LV51可在2.7～6.0V電源電壓下工作。A/D轉換部分的核心器件TLC1543有三個控制輸入端CS、I/O CLOCK、ADDRESS和一個數據輸出端DATA OUT遵循串行外設接口SPI協議。51系列單片機未內置SPI接口，但通過軟件模擬SPI協議即可。硬件方面將TLC1543的CS、I/O CLOCK、ADDRESS、DATA OUT、EOC五個端口與AT89LV51的5個I/O口相連接。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超過了警戒線，應該立即停止工作，進行相應的處理，避免危險發生。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境，幫助工作人員提高安全警惕。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，蜂鳴器產生報警聲音。