便携式矿用瓦斯检测系统设计

摘要：矿井中瓦斯等可燃危险气体的浓度检测一直是保证煤矿安全生产的重要前提。鉴于此，利用单片机智能控制技术并集成了瓦斯传感器等功能电路设计了一种便携式矿用瓦斯检测系统。该系统小巧、轻便，可自动检测矿井中瓦斯浓度并报警。重点介绍了系统的硬件设计和软件设计。经多次测试，系统性能稳定，效果良好。
关键词：便携；瓦斯；单片机；瓦斯传感器

0 引言
    近些年来，虽然国家采取了很多有利措施来确保煤矿安全生产，但煤矿生产事故还是不断地发生，特别是煤矿瓦斯爆炸，使国家和人民蒙受了巨大的损失。现今虽已有现代化的瓦斯综合检测装置应用于矿井中，但由于矿井结构错综复杂，往往存在瓦斯检测盲区，留下安全隐患。鉴于此，本文利用AT89S52单片机并集成MJC4／3．0L瓦斯传感器等功能器件设计了一种便携式矿用瓦斯检测系统。该系统小巧、轻便，可自动检测矿井中瓦斯浓度，若检测到其浓度达到危险设定值，会通过蜂鸣器发出报警，提示生产人员组织安全离开。

1 系统整体机构及工作原理
1．1 系统整体结构
    便携式矿用瓦斯检测系统以主控制器单片机为主要核心，配置瓦斯传感器电路、A／D转换电路、报警电路与按键电路等四大功能模块。系统整体结构如图1所示：

1．2 系统工作原理
    瓦斯传感器将瓦斯气体浓度转换成相应大小的模拟信号，信号经过信号放大电路和A／D转换电路进行放大、转换，然后送入主控制器单片机中进行数据处理。一旦瓦斯气体浓度超过相应的设定值时，则主控制器立即启动蜂鸣器报警。

2 系统硬件电路设计
2．1 主控电路设计
    主控电路主要用来整合系统各功能电路，完成数据的采集和处理，并发出报警指令。本设计所处理的信息量和复杂程度不是太大，采用8位单片机AT89S52足以满足本设计的要求。它是一款低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8 kB系统可编程Flash存储器，256字节RAM，6个中断源，3个16位的可编程定时器／计数器，32个IO口，看门狗定时器等资源。

2．2 瓦斯传感器及信号放大电路设计
    系统选用MJC4／3．0L作为瓦斯传感器。MJC4／3．0L型催化元件根据催化燃烧效应的原理工作，由检测元件和补偿元件配对组成电桥的臂，遇可燃性气体时检测元件电阻升高，桥路输出电压变化，该电压变量随气体浓度增大而成正比例增大，补偿元件起参比及温度补偿作用。其具有桥路输出电压呈线性、响应速度快、有良好的重复性、选择性、元件工作稳定、可靠、抗H2S中毒等优点。

    因MJC4／3．0L的输出电压太小，无法满足AT89S52的要求。故需要将MJC4／3．0L的输出信号进行放大。信号放大是通过调整放大器AD 602的增益控制电压来实现的。AD602是美国AD公司专门针对程控放大开发的，其具有两个通道，每个通道的增益范围为-10～30 dB，因此两个通道串连起来可以实现的增益控制范围为：-20～60 dB。图2为瓦斯传感器及信号放大电路。

2．3 A／D转换电路设计
    系统使用的数模转换器LTC1865是凌力尔特推出的16位SAR ADC，采用单5 V电源工作，并能保证在-40℃～+12．5℃的温度范围内工作。每个器件最大电流为8．50 uA，最大采样率达250 kS／s，供电电流随着采样速率的降低而变小。MSOP-10封装的LTC1865提供2路软件可编程的通道，并且可以根据需求来调整参考电压的大小。A／D转换电路设计如图3所示。

2．4 报警模块电路设计
    本设计的报警模块采用普通的蜂鸣器来完成。蜂鸣器一端接地，一端接用来驱动它工作的PNP晶体管的发射极，晶体管基极连接AT89S52的P3．3口。
2．5 键盘模块电路设计
    本系统中的按键主要用来设定瓦斯浓度的报警值，采用独立按键式键盘，共3个按键，它们分别与AT89S52的P2．0～P2．2口连接，平时这三个引脚输出高电平，当按键被按下时引脚变成低电平，因此，只要在软件中查询这几个引脚的电平，就可以确定是否有按键按下，从而进人相应的子程序。

3 系统软件设计
    系统软件主要包括系统主程序和数据采样处理子程序两部分，主程序流程如图4所示，数据采样处理子程序如图5所示。

    系统开机上电工作后，首先进行初始化，接着进入主循环扫描是否有按键按下，若检测到有键按下，则设定系统的瓦斯浓度报警上限值，否则直接调用数据采集处理子程序进行数据采集处理。
    主程序调用数据采样处理子程序后，就进入该子程序运行，首先启动A／D转换进行数据采样，得到的数据信号输入到AT89S52进行滤波、零点修正并计算瓦斯气体浓度值，若浓度超限则启动扬声器声音报警，否则关闭蜂鸣器并返回。

4 实验结果及分析
    瓦斯的主要成分是甲烷，瓦斯爆炸有一定的浓度范围，通常把在空气中瓦斯遇火后能引起爆炸的浓度范围称为瓦斯爆炸界限。瓦斯爆炸界限为5％～16％。当空气中氧气浓度达到10％时，瓦斯浓度在5％～16％之间，就会发生爆炸。
    根据MJC4／3．0L的技术指标(甲烷浓度为1％时，其灵敏度为20～40 Mv)，因此设定瓦斯的爆炸上限值为0．05，当矿井中的瓦斯浓度超过此上限值时，蜂鸣器就发出声音报警。
    本设计利用家用沼气进行模拟实验，因沼气的主要成分也是甲烷(50％～80％)，故应该能达到实验预想。将沼气炉放置于预先准备好的21寸电视机纸箱中，纸箱底部开有操作口，接通沼气5 s断掉，然后将实验装置靠向操作口，在纸箱口处蜂鸣器报警，接近沼气炉的过程中，蜂鸣器一直鸣响，慢慢从操作口挪出实验装置，待远离操作口0．1 m左右处，蜂鸣器响声停止。往复操作多次，实验效果明显，可见该设计已达到实验预想。

5 结束语
    本文利用单片机智能控制技术，并集成瓦斯传感器等功能电路模块完成了便携式矿用瓦斯报警系统设计，该系统结构小巧灵便，易于携带。通过多次实验都到达了很好的效果，可以作为保证煤矿安全生产瓦斯检测设备开发的一个参考。