楊 寧，崔陸軍

（1.天津可口可樂飲料公司，天津 300113；2.中原工學(xué)院機(jī)電學(xué)院，河南 鄭州 450007）

0 引言

煤礦中含有大量的瓦斯等易燃易爆氣體，發(fā)生事故后會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，危及礦工的生命。隨著煤礦開采技術(shù)手段的不斷改進(jìn)和開采規(guī)模的擴(kuò)大以及開采深度的不斷延伸，安全隱患越來越多，瓦斯事故特別是重、特大瓦斯事故在煤礦事故中所占的比例越來越高。安全開發(fā)和利用煤層氣具有保護(hù)全球環(huán)境、提高煤礦經(jīng)濟(jì)效益、改善煤礦生產(chǎn)安全和增加新能源等多重功效[1-3]。如果不把瓦斯事故控制住，就不能實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)狀況的穩(wěn)定，也就無法保障煤炭工業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展。所以，對煤礦瓦斯氣體進(jìn)行快速準(zhǔn)確的監(jiān)測顯得尤為重要，對易燃易爆混合氣體監(jiān)測的研究和開發(fā)也成為人們一直關(guān)注的問題。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括氣體傳感器MQ-5、A／D轉(zhuǎn)換器ADC0809、單片機(jī)80C51、LED顯示電路和聲音報(bào)警裝置。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 瓦斯氣體傳感器的選取

氣體傳感器是一個(gè)氣-電轉(zhuǎn)換器，它的作用是把可燃性氣體在空氣中的濃度變成電信號(hào)，進(jìn)而由單片機(jī)進(jìn)行采集信號(hào)、數(shù)據(jù)處理、濃度顯示和報(bào)警控制。傳感器作為對可燃性氣體的敏感元件，是各種類型儀表的核心之一。因此，傳感器的選型是非常重要的。MQ-5是鄭州煒盛電子科技有限公司生產(chǎn)的可燃?xì)怏w傳感器，它所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的SnO2[4]。當(dāng)傳 感器所 處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增大而增大。使用簡單的電路，即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)化為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號(hào)。

1.2 A／D轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化的專用芯片叫A／D轉(zhuǎn)換器。A／D轉(zhuǎn)換部分的電路如圖2所示。它是由ADC0809構(gòu)成的，其主要作用是把氣體傳感器輸出的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)所能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，以便于單片機(jī)進(jìn)行處理。

圖2 A／D轉(zhuǎn)換電路

D0～D7端是轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出端，ADDA～ADD-C端是路地址選擇端，它們通過接收來的信號(hào)決定要轉(zhuǎn)換的輸入模擬通道，仿真程序中選擇IN-3端來進(jìn)行模擬輸入。接線時(shí)把ALE端與START端連在一起。在編寫的程序中，有這樣一個(gè)語句“ST＝0；ST＝1；ST＝0；”。該語句的流程可以描述為：因?yàn)镾TART端脈沖的上升沿能夠使ADC0809復(fù)位，所以先讓單片機(jī)P3.6端給ST端一個(gè)低電平，然后再送入高電平，這時(shí)候上升沿觸發(fā)ADC0809進(jìn)行復(fù)位；同時(shí)由于ALE端與ST端相連，所以這時(shí)候ALE端是高電平，則單片機(jī)P1口送出的路地址選擇信號(hào)送入鎖存器；接著，ST端得到一個(gè)低電平，下降沿開始促使ADC0809進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，并且此時(shí)ALE端由于也是低電平，則路地址被鎖存；然后等待EOC＝1時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)束，開始下一步的程序。OE端也就是輸出允許端，當(dāng)OE＝1時(shí)，打開三態(tài)輸出鎖存器，輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。

1.3 數(shù)據(jù)顯示模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用數(shù)碼管進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。數(shù)碼管分為共陰極數(shù)碼管和共陽極數(shù)碼管，在設(shè)計(jì)中用到的是共陰極數(shù)碼管。由于此次顯示電路是為了顯示瓦斯?jié)舛戎登移錆舛仁亲兓?，所以采用?dòng)態(tài)顯示。動(dòng)態(tài)顯示是多個(gè)數(shù)碼管交替顯示，利用人的視覺暫留作用使人看到多個(gè)數(shù)碼管仿佛是同時(shí)顯示。顯示電路設(shè)計(jì)為3位LED，由單片機(jī)80C51的P0口來控制數(shù)碼管的“段選”，P2.0，P2.1，P2.2，P2.3口來控制數(shù)碼管的“位選”。在P0口要加上上拉電阻，因?yàn)镻0口內(nèi)部是一個(gè)OC結(jié)構(gòu)，也就是相當(dāng)于一個(gè)NPN三極管。

1.4 電源電路模塊設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)中所用到的電源只有±5V，所以只需設(shè)計(jì)±5V的電源即可。電源部分由12V鋰電池變壓后得到。所以，采用7805的典型應(yīng)用，它是一個(gè)輸出5V直流電壓的穩(wěn)壓電源電路。IC采用集成穩(wěn)壓器LM7805。

7805系列是三端正電源穩(wěn)壓電路。它有一系列固定的電壓輸出，應(yīng)用非常廣泛。每種類型由于內(nèi)部電流的限制，以及過熱保護(hù)和安全工作區(qū)的保護(hù)，使它基本上不會(huì)損壞。如果能夠提供足夠的散熱片，該電路就能夠提供大于1.5A的輸出電流。雖然是按照固定電壓值來設(shè)計(jì)的，但是當(dāng)接入適當(dāng)?shù)耐獠科骷?，就能獲得各種不同的電壓和電流。

1.5 聲音報(bào)警模塊設(shè)計(jì)

聲音報(bào)警電路是由三極管和揚(yáng)聲器組成。當(dāng)實(shí)際檢測濃度低于設(shè)定濃度時(shí)，三極管不導(dǎo)通，揚(yáng)聲器不工作；當(dāng)實(shí)際檢測濃度等于或超過設(shè)定濃度時(shí)，通過P1.7與單片機(jī)的連接從而引起電平的變化，三極管導(dǎo)通，揚(yáng)聲器發(fā)出聲音。蜂鳴器發(fā)聲原理是電流通過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場來驅(qū)動(dòng)振動(dòng)膜發(fā)聲的，因此需要一定的電流才能驅(qū)動(dòng)，單片機(jī)的I／O引腳輸出的電流較小，其輸出的TTL電平基本上不能驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，因此需要增加一個(gè)電流放大的電路，如圖3所示。

圖3 聲音報(bào)警電路

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 主程序的設(shè)計(jì)

單片機(jī)系統(tǒng)上電后，首先要對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，初始化程序包括內(nèi)存空間的分配、初始變量的設(shè)置和設(shè)定堆棧指針等。正常初始化后開放定時(shí)器中斷，外部中斷和串行口中斷，然后啟動(dòng)定時(shí)器定時(shí)。系統(tǒng)軟件程序流程如圖4所示。要對接收到瓦斯傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行處理，然后經(jīng)過相應(yīng)的處理后使其轉(zhuǎn)換成濃度，動(dòng)態(tài)地顯示到LED數(shù)碼管上，并且進(jìn)行聲音報(bào)警。

圖4 系統(tǒng)程序流程

2.2 數(shù)據(jù)處理部分

瓦斯傳感器輸出的0～5V的電壓，經(jīng)8位的ADC0809轉(zhuǎn)換后，成為0～255之間的一個(gè)數(shù)，然后顯示到數(shù)碼管上。要對這個(gè)數(shù)再進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換，將輸出電壓轉(zhuǎn)換成與電壓相對應(yīng)的瓦斯?jié)舛戎颠M(jìn)行顯示。經(jīng)過資料檢索得到了傳感器的輸出電壓與瓦斯?jié)舛鹊囊徊糠謱?yīng)關(guān)系[5]，如表1所示。

表1 傳感器輸出電壓與瓦斯?jié)舛葘?yīng)關(guān)系

采用插值法對它們之間的關(guān)系進(jìn)行線性化處理，這樣方便進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示部分的處理。利用函數(shù)f（x）在某區(qū)間中若干點(diǎn)的函數(shù)值，作出適當(dāng)?shù)奶囟ê瘮?shù)，在這些點(diǎn)上選取已知值，在區(qū)間的其他點(diǎn)上用特定函數(shù)的值作為函數(shù)f（x）的近似值。如果特定函數(shù)是多項(xiàng)式，就稱它為插值多項(xiàng)式。結(jié)合以上定義，將濃度對應(yīng)的電壓分成7段，即為3.03～3.32，3.32～3.57，3.57～3.67，3.67～3.88，3.88～3.99，3.99～4.15，4.15～4.36，再參考實(shí)例，得出如下的公式：

f（x）為實(shí)際煙霧檢測濃度；x為實(shí)際氣體檢測濃度對應(yīng)的電壓值（傳感器的輸出電壓值）；xi為區(qū)間下限對應(yīng)的電壓值；xi＋1為區(qū)間上限對應(yīng)的電壓值；f（xi＋1）為上限電壓對應(yīng)的瓦斯?jié)舛戎?；f（xi）為下限電壓對應(yīng)的瓦斯?jié)舛戎?。由此就能算出?.03～4.36V的電壓輸出范圍內(nèi)，某一電壓所對應(yīng)的濃度值。經(jīng)計(jì)算，該瓦斯傳感器能夠感知8.52 mg／m3的瓦斯?jié)舛茸兓鳯NG（主要成分是CH4）傳感器能測量濃度在142mg／m3以內(nèi)的瓦斯氣體，所以符合要求。

2.3 顯示及報(bào)警子程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)P2.1～P2.3口送出位選信號(hào)，從而確定是哪一位數(shù)碼管進(jìn)行顯示，然后P0口送入段選信號(hào)，經(jīng)過查表顯示出所需要的數(shù)字。延時(shí)一段時(shí)間，有利于觀察，如圖5所示。經(jīng)過換算，得到當(dāng)傳感器輸出電壓達(dá)到4.03V時(shí)，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換的數(shù)值是d＝205.53，所以設(shè)定當(dāng)d＞205時(shí)，蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。這樣的設(shè)定比直接設(shè)定成比較電壓的方法更為準(zhǔn)確，因?yàn)樗^了轉(zhuǎn)換成電壓這一步，從而減少了誤差。報(bào)警程序流程如圖6所示。

圖6 報(bào)警部分流程

3 結(jié)束語

根據(jù)設(shè)計(jì)要求、使用環(huán)境和成本等因素，選用MQ-5氣體傳感器作為煤礦巷道瓦斯的檢測儀器。它的靈敏度適中，響應(yīng)與恢復(fù)特性好，長期工作穩(wěn)定性、抗環(huán)境氣體影響及抗溫濕度影響等性能均優(yōu)。以80C51單片機(jī)為核心，使得處理的速度更加的迅速。應(yīng)用程序用C語言編寫，充分利用芯片資源，使得思路更加清晰明了。對氣體的線性化處理，不但最大限度地排除現(xiàn)場其他氣體的干擾，降低誤報(bào)概率，而且易于在單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)。此電路具有結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、線性度好和溫度漂移小等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景十分廣闊。

[1]陶 揚(yáng)，烏效鳴，符壁犀，等.原位瓦斯檢測儀集氣裝置的設(shè)計(jì)[J].煤礦安全，2011，42（12）：1-6.

[2]文國軍，烏效鳴，王生維，等.煤層氣近水平孔孔底水力封隔器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].煤田地質(zhì)與勘探，2008，36（6）：73-77.

[3]張 麗.淺談瓦斯氣的開發(fā)和利用[J].煤，2007，16（1）：31，37.

[4]鄭州煒盛電子科技有限公司.MQ-5可燃?xì)怏w檢測用半導(dǎo)體氣敏元件[Z].

[5]韓中華，王長濤，張 楠.基于單片機(jī)的瓦斯報(bào)警器設(shè)計(jì)[J].電子產(chǎn)品世界，2008，15（12）：45-47.