【摘要】基于單片機(jī)井下瓦斯報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用AT89C52單片機(jī)作為核心控制模塊，并帶有MQ-5傳感器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警功能，同時(shí)利用無(wú)線傳感器nRF905發(fā)送、接收數(shù)據(jù)，有效防止和避免瓦斯燃燒或爆炸的惡性事故發(fā)生，完成了井下瓦斯?jié)舛鹊臒o(wú)線監(jiān)測(cè)。

【關(guān)鍵詞】AT89C52;MQ-5傳感器;無(wú)線傳感器nRF905

引言

在我國(guó)煤礦安全事故中， 瓦斯爆炸造成的傷亡人數(shù)占所有重大事故，傷亡人數(shù)的70 % 以上， 成為實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的最大障礙。及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)瓦斯含量，在安全生產(chǎn)中具有重要意義。因此，進(jìn)一步提高煤礦的安全保障能力。尤其是瓦斯事故，是重中之重。建設(shè)完善的煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)，有效檢測(cè)井下環(huán)境安全系數(shù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控，從而根據(jù)實(shí)際情況采取有效措施防止瓦斯事故發(fā)生，保障煤礦企業(yè)和工作人員的人身、財(cái)產(chǎn)安全，已成為煤礦安全監(jiān)控的最迫切的任務(wù)之一。該選題將有效防止井下瓦斯爆炸事故的發(fā)生。

1.系統(tǒng)總體的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體方框圖

系統(tǒng)由MQ-5傳感器檢測(cè)瓦斯?jié)舛群?，再由A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換。單片機(jī)對(duì)傳感器檢測(cè)到的濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)行判斷和顯示。

2.硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 甲烷濃度檢測(cè)電路

MQ-5將采集到的一氧化碳濃度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，一氧化碳濃度的變化轉(zhuǎn)化為MQ-5傳感器內(nèi)阻的變化，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為電壓的變化，即將一氧化碳的濃度信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)，該模擬電信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器TLC549轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后被送入單片機(jī)內(nèi)部。TLC549的CLOCK端、DATA OUT端和端分別由單片機(jī)來(lái)控制。當(dāng)片選端選中時(shí)，單片機(jī)通過(guò)TLC549的時(shí)鐘時(shí)序來(lái)從DATA OUT引腳讀出一氧化碳濃度信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字量。

2.2 無(wú)線傳輸模塊

nRF905有兩種工作模式和兩種節(jié)能模式。兩種工作模式分別是接收模式和發(fā)送模式，兩種節(jié)能模式分別是關(guān)機(jī)模式和空閑模式。nRF905的工作模式由TRX-CE、TX-EN和PWR-UP三個(gè)引腳決定。硬件連接上由T0、T1、P0.7連接到nRF905模塊的連接器相應(yīng)的TX-EN、PWR-UP和TRX-CE引腳上，令PWR-UP和TRX-CE都置“1”，TX-EN置“0”為射頻接收模式;TX-EN置“1”為射頻發(fā)射模式。電路圖如圖2所示：

2.3 報(bào)警電路

瓦斯?jié)舛冗_(dá)到爆炸極限時(shí)，單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)能發(fā)出報(bào)警信號(hào)。本系統(tǒng)報(bào)警電路采用5V的自鳴式蜂鳴器，用一個(gè)晶體三極管作驅(qū)動(dòng)，P1.1接晶體管基極輸入端，當(dāng)P1.1輸出高電平“1”時(shí)，晶體管導(dǎo)通，蜂鳴器兩端獲得約+5V電壓而鳴叫;當(dāng)P1.1輸出低電平“0”時(shí)，三極管截止，蜂鳴器不工作即停止發(fā)聲。

3.系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)主要分為以下模塊：

①鍵盤(pán)按鍵處理程序：實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)的輸入按鍵的識(shí)別及進(jìn)入相應(yīng)的程序;

②信號(hào)處理程序：對(duì)傳感器檢測(cè)到的濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)行判斷和顯示;

③數(shù)碼管顯示程序：向數(shù)碼的顯示送數(shù)，控制系統(tǒng)的顯示部分;

④無(wú)線傳輸?shù)陌l(fā)送、接收程序：將氣體濃度通過(guò)單片機(jī)打包送給nRF905，再通過(guò)nRF905發(fā)送出去。

主程序主要完成控制系統(tǒng)各部件的初始化、實(shí)現(xiàn)各功能子程序的調(diào)用以及實(shí)際測(cè)量中各個(gè)模塊功能的協(xié)調(diào)。初始化，然后通過(guò)按鍵設(shè)置上下限值，接著通過(guò)按鍵分別測(cè)量?jī)牲c(diǎn)的氣體濃度值。當(dāng)完成濃度采集后，則程序進(jìn)入判斷程序。即按一下K4進(jìn)入濃度控制點(diǎn)1的程序，通過(guò)顯示器顯示其數(shù)值，判斷當(dāng)前濃度值，若在其上下限值范圍內(nèi)，則蜂鳴報(bào)警。再按一下K4進(jìn)入濃度控制點(diǎn)2的程序，以下程序和1點(diǎn)過(guò)程一樣。若當(dāng)前濃度高于其濃度上限或低于其濃度下限，程序回到顯示當(dāng)前程序，并開(kāi)始循環(huán)。

3.1 單片機(jī)接收數(shù)據(jù)顯示框圖

由MQ-5傳感器檢測(cè)瓦斯?jié)舛群?，再由A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換。對(duì)傳感器檢測(cè)到的濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)行判斷和顯示。單片機(jī)接收濃度顯示程序框圖如圖3所示。

圖3 單片機(jī)接收濃度顯示流程圖

3.2 無(wú)線傳輸模塊發(fā)送、接收流程圖

無(wú)線傳輸模塊分為數(shù)據(jù)發(fā)送部分和數(shù)據(jù)在區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)探測(cè)到有瓦斯氣體溢出時(shí)，AT89C52會(huì)把監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)編號(hào)和瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)打包通過(guò)nRF905發(fā)送出去。無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖，如圖4所示;無(wú)線數(shù)據(jù)接收流程圖，如圖5所示。

圖4 無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖 ? ? ? 圖5 無(wú)線數(shù)據(jù)接收流程圖

4.結(jié)論

本方案是基于AT89C52單片機(jī)的井下瓦斯報(bào)警系統(tǒng)，本系統(tǒng)由控制模塊、檢測(cè)模塊、顯示電路、報(bào)警電路、按鍵電路、電源模塊、無(wú)線傳輸模塊組成?？刂颇K以AT89C52單片機(jī)為主控單元。由現(xiàn)場(chǎng)傳感器檢測(cè)井下瓦斯?jié)舛?，并由信?hào)調(diào)理電路進(jìn)行調(diào)理后送給TLC549模數(shù)轉(zhuǎn)換器，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換給數(shù)字信號(hào)送給單片機(jī)。檢測(cè)到的氣體濃度通過(guò)顯示模塊顯示到Nokia5110上，當(dāng)檢測(cè)到的氣體濃度在設(shè)定值范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)便會(huì)通過(guò)報(bào)警電路進(jìn)行聲光報(bào)警。射頻部分采用挪威Nordic公司的射頻芯片nRF905。各個(gè)節(jié)點(diǎn)把檢測(cè)到的氣體濃度通過(guò)單片機(jī)打包送給nRF905，再通過(guò)nRF905發(fā)送出去，發(fā)送成功后并通過(guò)RS-232串口將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)介：李佳怡（1986—），女，吉林吉林人，碩士，助教，研究方向：控制工程，控制論與控制系統(tǒng)仿真。