劇仲棟

(1.大同煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 大同，037003；2.太原理工大學(xué)，山西 太原，030001)

引言

能源是人類活動的物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對能源的需求越來越大，石油、天然氣和煤炭行業(yè)的地位也越來越重要。然而，煤炭行業(yè)的安全事故卻不斷的發(fā)生，尤其是重大傷亡事故。在我國煤礦安全事故中，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，成為實現(xiàn)安全生產(chǎn)的最大障礙，及時準(zhǔn)確地檢測瓦斯含量，在安全生產(chǎn)中具有重要意義[1]。大型煤礦在瓦斯檢測方面耗費了大量的人力和物力才取得了一定的成績，中小煤礦在瓦斯檢測方面做的不是很完善。為滿足現(xiàn)代化煤礦的生產(chǎn)要求，尤其是中小型煤礦存在的安全問題，價格低廉、攜帶方便的瓦斯檢測系統(tǒng)的研制迫在眉睫。

基于AT89S52單片機(jī)瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)峦咚箽怏w精確快速的檢測，準(zhǔn)確的發(fā)出預(yù)警。為煤礦的安全生產(chǎn)提供必要的條件。

1 瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計原理

1.1 技術(shù)指標(biāo)要求

瓦斯爆炸有一定的濃度范圍，稱之為瓦斯爆炸界限，為5%～16%。當(dāng)瓦斯?jié)舛鹊陀?%以及16%以上時，雖然瓦斯與空氣反應(yīng)不發(fā)生爆炸，可以在火焰周圍形成燃燒層；當(dāng)瓦斯?jié)舛仍?%-16%之間時，尤其是9.5%時，空氣中的氧氣和瓦斯能夠完全反應(yīng)，其爆炸威力最大。由于煤礦的實際情況不同，比如井下實際溫度、礦井深度不同以巷道的通風(fēng)狀況等因素都會對瓦斯爆炸界限產(chǎn)生影響，導(dǎo)致瓦斯爆炸極限不同，但基本都在5%-16%上下波動。AT89S52單片機(jī)瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)在設(shè)計時，在技術(shù)層面上，對瓦斯監(jiān)測儀表和氣體傳感器必須滿足煤礦的特殊環(huán)境。比如，應(yīng)用環(huán)境是煤礦；檢測的氣體是甲烷(瓦斯的主要成分)；測量的瓦斯?jié)舛确秶?%-16%，甚至更高；靈敏度要在0.01%以上；響應(yīng)時間小于30s；功耗小于100mW；工作溫度-20℃～70℃；工作濕度小于95%等。

1.2 隔爆儀表設(shè)計要求

由于煤礦井下工作環(huán)境的特殊性，空間狹小，濕度偏大，有易燃易爆的瓦斯和煤塵，所以，煤礦電器在設(shè)計的過程中必須考慮到這些特殊性。比如煤礦巷道空間狹小，體積小，質(zhì)量輕且易于搬運的電器就受歡迎；同時，濕度偏大就需防潮防水的電器設(shè)備；易燃易爆的瓦斯和煤塵大量存在于巷道中，有煤礦特殊要求的安全標(biāo)準(zhǔn)的隔爆型電器才能應(yīng)用到煤礦中。

1.3 系統(tǒng)的功能

AT89S52單片機(jī)瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)主要功能是準(zhǔn)確監(jiān)測到瓦斯氣體的濃度，同時在超過一定瓦斯?jié)舛群螅軌蚵暪鈭缶?，對其他的外圍設(shè)備進(jìn)行操作，比如，操作功能、數(shù)據(jù)存儲功能以及通訊功能。基于這些要求，整個系統(tǒng)設(shè)計主要包括敏感探頭、A／D轉(zhuǎn)換模塊、AT89S52單片機(jī)、數(shù)據(jù)存儲器、人機(jī)界面操作顯示器、輸入按鍵操作臺及聲光報警模塊、通訊模塊等組成。

2 煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

基于AT89S52單片機(jī)瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)主要由瓦斯傳感器、AT89S52單片機(jī)、數(shù)據(jù)存儲器、RS-485通訊接口以及LED顯示器等部分組成，其原理圖如圖1所示。瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)核心部分采用AT89S52單片機(jī)，根據(jù)瓦斯傳感器檢測到的電壓信號識別和測量瓦斯?jié)舛?；外圍設(shè)備包括按鍵面板、存儲大量數(shù)據(jù)的AT24C02存儲器、顯示瓦斯?jié)舛?只8段LED數(shù)碼管、發(fā)出預(yù)警的聲光報警系統(tǒng)、通過計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸功能。

圖1 硬件系統(tǒng)原理圖

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計是AT89S52單片機(jī)瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)最重要的一部分，下面分別介紹系統(tǒng)電源、傳感器采樣、傳感器檢測及LED顯示電路。

2.2 系統(tǒng)電源

電源系統(tǒng)如圖2所示。Vin是外部輸入電源，為12V/3A的直流電源；C1的主要作用是對輸入電壓進(jìn)行濾波；C2、C4的主要作用是對電壓調(diào)節(jié)端電壓進(jìn)行濾波；C3的主要作用是對電源輸出電壓進(jìn)行濾波；C1、C2、C3、C4均有提高電壓穩(wěn)定性的特點。Vcc為其他模塊提供有效電壓。

圖2 系統(tǒng)電源電路圖

2.3 傳感器信號監(jiān)測

傳感器信號監(jiān)測如圖3所示。該系統(tǒng)采用具有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)精密電壓基準(zhǔn)集成電路TL431。

圖3 傳感器信號監(jiān)測

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

該系統(tǒng)軟硬件底層設(shè)計軟件采用KEILuVISION2軟件開發(fā)系統(tǒng)。KEILuVISION2不僅支持AT89S52芯片，而且集編輯，編譯，仿真于一體的優(yōu)秀開發(fā)軟件，支持匯編和C語言混合編程，界面友好，簡單易學(xué)，在調(diào)試方面，KEILuVISION2軟件也具有很強(qiáng)大的仿真功能。

設(shè)計的瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)，主要的軟件功能包括，系統(tǒng)初始狀態(tài)設(shè)置；瓦斯成分識別及濃度計算、LED顯示；設(shè)定報警閥值；存儲數(shù)據(jù)；遠(yuǎn)程通訊；測量結(jié)束后系統(tǒng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)等。

以主程序為例，它是對AT89S52單片機(jī)的寄存器、I/O口的狀態(tài)進(jìn)行初始設(shè)定；然后設(shè)定存儲器的參數(shù)；接著對瓦斯傳感器進(jìn)行預(yù)熱；最后開中斷，進(jìn)入主程序。主程序流程如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

4 煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)試驗結(jié)果與分析

把瓦斯檢測系統(tǒng)置于溫度為25℃、相對濕度為50%、瓦斯?jié)舛葹?%～10%的條件下，測試瓦斯氣體的反應(yīng)時間以及達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需要的時間，根據(jù)反應(yīng)時間和穩(wěn)態(tài)時間可以計算出系統(tǒng)誤差。如表1所示。

表1 第一次實驗響應(yīng)時間及誤差

由實驗結(jié)果可知，基于AT89S52單片機(jī)瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)響應(yīng)時間短，誤差小，其最小誤差為0.20%，最大誤差為2.20%。能夠滿足煤礦井下實際生產(chǎn)需要。

5 總結(jié)

基于AT89S52單片機(jī)瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)采用性價比較高的AT89S52單片機(jī)作為硬件電路的核心，軟件部分采用模塊化設(shè)計。經(jīng)實驗測試，該煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)具有反應(yīng)速度快、誤差小、功耗低等特點，能夠滿足煤礦井下實際生產(chǎn)需要。

[1] 章宇東,鄭文興,王君等.基于單片機(jī)的煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的研制[J] .電子制作,2013,(15):17-19.

[2] 陳佳立.基于單片機(jī)的瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J] .煤炭技術(shù),2013,(9):115-116.

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