陳維欽

（山東鑫國煤電有限責(zé)任公司，山東 肥城 271613）

隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對(duì)煤炭需求量也越來越大，這就使得煤礦的安全生產(chǎn)面臨著十分嚴(yán)峻的問題。煤礦礦難事故屢屢發(fā)生，造成的原因有很多，其中不少是因?yàn)橥咚贡ㄒ鸬?。為了防止瓦斯爆炸事故的發(fā)生，除了加強(qiáng)井下作業(yè)人員的管理，改善井下的作業(yè)環(huán)境外，還必須建立一個(gè)性能可靠的瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)。

我國礦井瓦斯監(jiān)控技術(shù)，經(jīng)歷了從簡單到復(fù)雜、從低水平到高水平的發(fā)展過程，目前已經(jīng)使用的瓦斯報(bào)警儀，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，但存在的問題是傳感器漂移大，要定期維護(hù)，并且需要維護(hù)的周期很短，維護(hù)方法復(fù)雜，成本較高，抗機(jī)械干擾能力較差。

為了解決這些問題，本課題在分析模擬式瓦斯報(bào)警器特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，充分利用51 單片機(jī)的強(qiáng)大功能，對(duì)瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行實(shí)時(shí)采集、數(shù)據(jù)處理，對(duì)瓦斯傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)自校零、非線性補(bǔ)償，對(duì)提高瓦斯檢測的可靠性和系統(tǒng)的性價(jià)比，具有十分重要的意義。

1 整機(jī)工作原理

儀器將關(guān)聯(lián)設(shè)備送來的電源穩(wěn)壓為5V 電壓，供給整機(jī)電路使用。甲烷氣體敏感元件是采用熱催化原理探頭，電橋供電電壓為3V。

黑白元件的工作原理是：黑白元件由測量元件和補(bǔ)償元件構(gòu)成，測量元件的表面有黑色的催化劑。工作時(shí)黑白元件有工作電流通過而發(fā)熱，檢測到的瓦斯在高溫測量元件的催化作用下，發(fā)生無焰燃燒。瓦斯?jié)舛戎翟礁撸瑴y量元件的溫度就越高。測量電橋輸出與甲烷濃度成比例的信號(hào)電壓。電橋信號(hào)電壓經(jīng)過放大和A/D轉(zhuǎn)換后，變成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)處理后，由顯示電路顯示甲烷濃度值，并經(jīng)信號(hào)輸出電路輸出相應(yīng)的頻率信號(hào)。

報(bào)警/斷電電路由蜂鳴器、發(fā)光二極管和驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。當(dāng)甲烷濃度超過設(shè)定的報(bào)警點(diǎn)時(shí)，儀器會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。當(dāng)甲烷濃度超過設(shè)定的斷電點(diǎn)時(shí)，儀器會(huì)有斷電指令輸出，甲烷濃度超過斷電點(diǎn)以后，只有當(dāng)甲烷濃度降低到設(shè)定的復(fù)電點(diǎn)以下時(shí)，儀器才會(huì)解除斷電指令輸出[1]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 CPU的選擇

本課題設(shè)計(jì)采用的CPU為AT89C52。AT89C52是美國ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash 只讀程序存儲(chǔ)器和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）。

2.2 A/D轉(zhuǎn)換檢測電路

A/D轉(zhuǎn)換器是將連續(xù)的量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的接口，是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)核心、模擬系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)之間的接口。A/D轉(zhuǎn)換器就是將模擬的電壓量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。ADC的類型繁多，品種規(guī)格也相當(dāng)復(fù)雜，但從基本工作原理來分，大體上可以分成積分式（間接）和比較式（直接型）兩大類。所謂積分式ADC，是將輸入的模擬量（電壓）轉(zhuǎn)換成某種中間量（時(shí)間間隔或頻率），再把中間量變換成數(shù)字量，根據(jù)量的不同，積分式ADC 又可分為電壓- 時(shí)間間隔（V-T）和電壓- 頻率（V-F）式兩種，課題采用了雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器。

2.3 多路開關(guān)

多路轉(zhuǎn)換器又稱多路開關(guān)，是用來切換模擬電壓信號(hào)的關(guān)鍵元件。利用多路開關(guān)將各個(gè)輸入信號(hào)一次的或隨機(jī)的連接到共用放大器或A/D轉(zhuǎn)換器上。為了提高過程參數(shù)的測量精度，對(duì)多路開關(guān)提出了較高的要求。理想的多路開關(guān)，其開路電阻為無窮大，其接通時(shí)的導(dǎo)通電阻為0。此外，還希望切換速度快，噪音小，壽命長，工作可靠。本課題采用多路開關(guān)4051 與黑白元件相連到檢測電路，檢測當(dāng)前的甲烷濃度是否大于提前設(shè)置的安全濃度點(diǎn)[2]。

2.4 顯示部分電路

顯示部分主要是數(shù)據(jù)信息、報(bào)警提示、修改參數(shù)等的顯示，顯示為系統(tǒng)的一個(gè)獨(dú)立模塊，對(duì)于外部而言，有輸入?yún)?shù)、輸出參數(shù)的作用。LED 工作原理是由4個(gè)發(fā)光二極管組成，因此也稱之為4 段LED顯示。另外，顯示器中有一個(gè)圓點(diǎn)型發(fā)光二極管，用于顯示小數(shù)點(diǎn)。通過4個(gè)發(fā)光二極管亮暗的不同組合，可以顯示多種數(shù)字、字母以及其他符號(hào)。LED顯示器中的發(fā)光二極管，共有兩種連接方法：共陽極接法和共陰極接法。本系統(tǒng)選用共陰極接法的LED顯示器[3]。

3 軟件設(shè)計(jì)

通過A/D TLC1549 對(duì)數(shù)據(jù)的讀取。單片機(jī)通過TLC1549 A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，是軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最核心的部分。這一部分主要分為啟動(dòng)TLC1549 并等待中斷后讀數(shù)、A/D轉(zhuǎn)換后讀數(shù)這兩個(gè)主要部分。主程序中利用原地踏步來等待采樣完成。

（1）首先要啟動(dòng)TLC1549，并在中斷完成后進(jìn)行讀數(shù)。

void start1549(uchar port)//讀取采樣值，port 是采樣的通道號(hào)

（2）A/D轉(zhuǎn)換完成之后，通過單片機(jī)模擬SPI 采集數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)主要是針對(duì)煤礦瓦斯?jié)舛榷M(jìn)行報(bào)警及自動(dòng)調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)以單片機(jī)AT89C52為控制核心，通過瓦斯?jié)舛葌鞲衅鲗⒕峦咚節(jié)舛葌鹘o單片機(jī)，單片機(jī)通過邏輯運(yùn)算判斷瓦斯?jié)舛仁欠癯^設(shè)定值，如果超過，則發(fā)出聲光報(bào)警。通過一個(gè)月的井下使用情況表明，發(fā)現(xiàn)該瓦斯報(bào)警儀反應(yīng)靈敏，操作簡單，能夠在井下各種復(fù)雜條件下24 h 不間斷工作，對(duì)預(yù)防瓦斯事故的發(fā)生，具有舉足輕重的作用。

[1]韓志軍，沈晉源，王振波.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[2]余小平，奚大順.電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[3]吳少軍，劉光斌.實(shí)用低功耗設(shè)計(jì)—原理、器件與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2003.