基于單片機的瓦斯報警器設計

摘要：以傳感器技術和A/D轉換技術作為系統(tǒng)設計的基礎，實現(xiàn)瓦斯氣體濃度信息的采集以及信號的轉換。設計了系統(tǒng)硬件電路，給出相關測試結果，該系統(tǒng)硬件電路簡單，控制可靠。
關鍵詞：氣體傳感器；單片機；A/D轉換器；瓦斯氣體測量

引言

　　當前，隨著采礦技術的不斷發(fā)展，井下作業(yè)的安全越來越有保障，但是仍然有許多采礦企業(yè)的機械化程度低，對現(xiàn)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(nèi)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(jīng)煤礦開采時的噴水處理后變成酸。但前兩種氣體含量多，且?guī)缀醪蝗萦谒瑢儆谝兹家妆瑲怏w。

　　由于瓦斯氣體本身的危險性和對人民生產(chǎn)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(yè)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(fā)生，對現(xiàn)在采礦業(yè)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(jiān)控礦井的瓦斯氣體的濃度，顯示測量結果，并對當前的環(huán)境狀態(tài)做出判斷，發(fā)出報警信息。

系統(tǒng)功能設計
系統(tǒng)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(huán)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(xù)變化的模擬信號需要經(jīng)過A/D轉換將其轉化離散的數(shù)字信號。控制電路以單片機為核心，能夠對采集的數(shù)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(tǒng)可以對檢測的數(shù)據(jù)和設定的閥值參數(shù)進行存儲并自備電源。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1總體功能框圖

　　根據(jù)使用環(huán)境對產(chǎn)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(fā)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(wěn)定可靠，10位TLC1543的A/D轉換芯片能夠滿足系統(tǒng)測量的精度要求。系統(tǒng)電路如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)電路圖

　　系統(tǒng)采用AT89LV51單片機作為控制部分的核心，AT89LV51是ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)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(tǒng)，片內(nèi)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(shù)據(jù)輸出端DATA OUT遵循串行外設接口SPI協(xié)議。51系列單片機未內(nèi)置SPI接口，但通過軟件模擬SPI協(xié)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(jīng)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(fā)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(huán)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(chǎn)生報警聲音。

　　本設計中，由于瓦斯氣體的主要成分是甲烷，所以氣體傳感器采用的是MQ-5，它適用于家庭或工業(yè)上對液化氣，甲烷（天然氣），煤氣的監(jiān)測裝置。它具有優(yōu)良的抗乙醇，煙霧干擾能力，具有對液化氣，天然氣，城市煤氣有較好的靈敏度；對乙醇，煙霧幾乎不響應； 快速的響應恢復特性；長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性；簡單的測試電路等優(yōu)點。其結構和外形如圖3所示。

圖3 MQ-5的結構和外形

　　MQ-5氣敏元件的結構和外形如圖3所示(結構A或B),由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感層,測量電極和加熱器構成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。封裝好的氣敏元件有6只針狀管腳，其中4個用于信號取出，2個用于提供加熱電流。

　　設計中MQ-5的接線如圖4所示，在實際的測量中，可以按照其等效電路來計算相應的校正數(shù)值，其中Ro表示的是測量氣體在腔體內(nèi)的等效電阻，RL是外接負載電阻，用來調整輸出的模擬量電壓范圍，具體數(shù)值應根據(jù)A/D轉換器的輸入范圍來確定，在TLC1543的輸入范圍是0～5V，這樣RL可調整至該范圍，保證測量的量程足夠用。

圖4 MQ-5的等效電路

氣體測試結果計算

　　對于傳感器的調整參數(shù)計算，可按照表1步驟并結合該傳感器的特性表進行調整。

表1甲烷測試計算


　　其中：RL＝20KΩ；Ro=14.43KΩ；C=86；RL—負載電阻；Ro—敏感體電阻；C—常數(shù)，調整顯示范圍。

　　在靈敏度調整過程中，由于MQ-5型氣敏元件對不同種類，不同濃度的氣體有不同的電阻值。因此，在使用此類型氣敏元件時，靈敏度的調整是很重要的，建議用1000ppm異丁烷或氫氣校準傳感器。
　　
結語

　　本設計考慮攜帶方便，而且實用的報警器，成品可以很方便的嵌入在礦燈內(nèi)部，設計成本廉價。基于單片機礦燈用的智能瓦斯報警器設計在硬件的選擇上留有空間，在增加相關硬件同時，軟件部分只需改動很少的部分就可實現(xiàn)其它功能，使系統(tǒng)功能更加完善。A/D轉換器是11通道的，可以擴展其他傳感器，如礦井內(nèi)的溫度和濕度進行監(jiān)測的傳感器。并且系統(tǒng)可以擴展無線發(fā)射模塊，將檢測的信息及時地發(fā)到安全控制中心，在配合其它礦井內(nèi)的安全監(jiān)控設備更好的確保井下作業(yè)的安全。

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