楊帆

摘要：在我國，瓦斯爆炸始終制約著我國煤炭行業(yè)的發(fā)展，因此對井下瓦斯?jié)舛鹊膶崟r檢測，對保護井下礦工的安全有重大意義。所以急需開發(fā)一種便攜式瓦斯?jié)舛葯z測報警系統(tǒng)。本設(shè)計是基于MSP430F149單片機為核心的便攜式瓦斯?jié)舛葯z測裝置，該儀器采用熱催化甲烷檢測傳感器為敏感元件，主要利用這種瓦斯檢測報警系統(tǒng)測量井下空氣中瓦斯?jié)舛取x器由單片機、敏感元件、放大電路、顯示電路、報警電路等組成。

本設(shè)計的主要控制過程：放大電路把放大了的電壓模擬信號輸入MSP430F149單片機的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道中，單片機將電壓模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號，該信號是瓦斯?jié)舛认鄬?yīng)的電壓信號，經(jīng)過軟件程序處理后，輸出顯示實時瓦斯?jié)舛龋咚節(jié)舛瘸^上限單片機發(fā)出聲光報警信號給報警電路。該儀器具備低功耗，高精度;結(jié)構(gòu)簡單，低成本，經(jīng)久耐用適合中小型煤礦井下瓦斯?jié)舛葯z測，極大保障了井下工作人員安全。研究結(jié)果表明，本次設(shè)計的便攜式瓦斯?jié)舛葯z測報警系統(tǒng)，可以測量的瓦斯?jié)舛确秶鸀?.5-4.0%。該結(jié)果與參考傳感器MJC4的文獻資料基本吻合，達到了設(shè)計的要求。

關(guān)鍵詞：傳感器;閾值;報警電路

1 緒?論

煤礦生產(chǎn)過程中，對礦工生命安全以及礦井安全威脅最大的就是礦井瓦斯。對礦井下的瓦斯?jié)舛冗M行有效的檢測并且能夠及時給予礦工以起到報警的作用，可以盡可能避免瓦斯事故對礦井安全生產(chǎn)造成的損害。但是目前我國煤礦生產(chǎn)過程中的安全管理以及瓦斯?jié)舛葯z測能力整體仍舊處于較低水平，由瓦斯超標導(dǎo)致的安全生產(chǎn)事故數(shù)量依舊居高不下。瓦斯爆炸成為了煤炭安全生產(chǎn)事故的主要災(zāi)害，為了切實保障煤炭的安全開采和生產(chǎn)人員的生命安全，開展煤炭瓦斯檢測工作成為了煤炭開采行業(yè)的首要工作，開發(fā)便攜的智能的瓦斯報警系統(tǒng)已經(jīng)顯得非常必要。

本設(shè)計的主要的內(nèi)容和需求是設(shè)計一種基于單片機的便攜式瓦斯檢測報警系統(tǒng)，是一種基于MCU的便攜式瓦斯?jié)舛葯z測裝置，該裝置可以由井下礦工隨身攜帶、隨時測量瓦斯?jié)舛鹊膬x器。一旦井下檢測到的瓦斯?jié)舛瘸^即將引起瓦斯爆炸的上限時，該檢測裝置會發(fā)出聲光報警信息，提醒井下工作人員立即撤離井下工作環(huán)境，提高煤礦井下作業(yè)人員的安全和財產(chǎn)安全。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

隨著電子技術(shù)，傳感器檢測技術(shù)和單片機技術(shù)的迅速發(fā)展，使利用高性能的單片機及外圍芯片檢測瓦斯?jié)舛鹊靡猿晒M行，為開發(fā)新一代瓦斯檢測裝置提供了條件。本次設(shè)計的便攜式瓦斯?jié)舛葯z測裝置主要部件有氣體傳感器，單片機MSP430F149，SMC1602A顯示電路，聲光報警電路，鍵盤輸入電路，電源電路和其他附屬電路組成。

便攜式瓦斯檢測報警系統(tǒng)包括信號處理電路、LCD顯示電路、聲光報警電路、電源電路。檢測裝置最為重要的是傳感器，它與井下的瓦斯環(huán)境直接接觸，將瓦斯?jié)舛鹊哪M電量信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字電量信號，經(jīng)放大電路放大后，輸送給控制器，進行比對顯示，并做出是否發(fā)出聲光報警的判斷。

礦用瓦斯檢測報警系統(tǒng)主要為了降低井下瓦斯事故的發(fā)生率。本設(shè)計是基于MSP430F149單片機為核心的便攜式瓦斯?jié)舛葯z測裝置，該儀器采用熱催化甲烷檢測傳感器為敏感元件，主要利用這種瓦斯檢測報警系統(tǒng)測量井下空氣中瓦斯?jié)舛?。儀器由單片機、敏感元件、放大電路、顯示電路、報警電路等組成?；贛SP430F149單片機的礦用瓦斯檢測報警系統(tǒng)可以很好解決瓦斯信息管理問題，使礦用瓦斯檢測報警信息管理可以開發(fā)出最大價值。

3 硬件電路設(shè)計

MSP430系列單片機是Texas Instruments（TI）采用先進的半導(dǎo)體技術(shù)和集成電路設(shè)計技術(shù)開發(fā)的16位高性能的混合信號處理器。該單片機廣泛應(yīng)用于測量類的儀器的開發(fā)，超高的性價比和豐富的產(chǎn)品為各種用戶提供了多樣的解決方案。作為全球化半導(dǎo)體設(shè)計與制造的領(lǐng)導(dǎo)者，TI生產(chǎn)的MSP430，極大方便了系統(tǒng)設(shè)計人員。

靈活的時鐘系統(tǒng)設(shè)計。MSP430可自由選擇主系統(tǒng)時鐘（MCLK）的來源，即可以選擇內(nèi)部的DCO，也可以選擇外部的晶振。MSP430單片機接口電路，可以連接一個32768Hz的低速晶體和一個高速晶體。MCU的系統(tǒng)時鐘和各個系統(tǒng)內(nèi)部外設(shè)，可自由設(shè)置和選擇所需要的時鐘，如還不滿足情況，還可以選擇多種形式的分頻，再進行設(shè)置。時鐘的選擇都有相應(yīng)的控制器，都可以通過軟件進行打開和關(guān)閉。該單片機而可以具體到每一個功能所需的時鐘，盡可能減小系統(tǒng)的總體功耗。

方便高效的開發(fā)環(huán)境 MSP430非常適合工程技術(shù)人員開發(fā)，目前比較流行的開發(fā)環(huán)境有IAR、CCS等，這兩種IDE具有高效的編譯效率，使用C語言開發(fā)，程序還具有移植性。這種方法只要一臺個人電腦和一個開發(fā)測試板，便可以進行系統(tǒng)開發(fā)。

MSP430單片機有多種型號，可供用戶的選擇很多。MSP430單片機的電源電壓和51傳統(tǒng)的51單片機的5v電壓不同，它的是3.3伏，非常的省電。它本身具有一種活躍模式（AM）和5種低功耗模式（LMP0到LMP4），在系統(tǒng)工作時，可以根據(jù)工作情況的不同選擇不同的工作模式，減少功耗。本單片機處理模擬信號時非常迅速，由于其擁有高性能的12位AD轉(zhuǎn)換功能，比8位單片機要快很多。并且其擁有超高的性價比，更適合開發(fā)井下瓦斯?jié)舛葯z測裝置。

4 軟件設(shè)計

本課題在軟件程序設(shè)計過程中包含控制器功能的初始化，各個外圍器件的初始化，1602顯示程序、AD采集和處理程序、聲光報警程序等。

本設(shè)計采用IAR 的IDE對MSP430編程。這款編程軟件操作方便的，在進行程序設(shè)計時，將各個功能進行模塊化設(shè)計，調(diào)用各個子程序，這樣的設(shè)計使得在編寫調(diào)試過程中比較方便快捷，易于修改各個模塊，而不需要對整個程序進行修改。

ADC12的特點主要包括：軟件選擇片上參考電壓有1.5V或2.5V;16個轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲寄存器;轉(zhuǎn)換通道可以選擇內(nèi)部的溫度傳感器，內(nèi)部模擬電壓或者外部的參考電壓;可以自由選擇模擬通道的轉(zhuǎn)換時鐘;ADC的內(nèi)核參考電壓源可以分別被關(guān)閉，可以降低功耗;轉(zhuǎn)換初始化可以有軟件，定時器A或定時器B觸發(fā)。

5 實驗數(shù)據(jù)與分析

隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，對能源和資源的使用也越來越多，煤炭作為主要的能源之一，已成為人類生產(chǎn)生活不可分割的一部分。煤礦的正常生產(chǎn)主要依靠電力供應(yīng)，而且電壓等級越來越高，礦井的產(chǎn)煤效率越高。煤礦生產(chǎn)必須安全可靠，盡可能避免任何環(huán)節(jié)發(fā)生任何的安全事故，必須慎之又慎，把安全生產(chǎn)放到第一位。井下的生產(chǎn)情況嚴峻，自然條件惡劣，尤其應(yīng)該保證人身和設(shè)備的安全。近幾年人類在單片機技術(shù)領(lǐng)域的突破以及全球通信網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)快速建設(shè)，大容量大帶寬的信息高速公路為各行各業(yè)的信息交流提供了可靠便利的基礎(chǔ)服務(wù)。

瓦斯檢測在使用過程中，能夠?qū)ν咚節(jié)舛茸龀鲆壕э@示，濃度超過上限時會發(fā)出聲光報警。但本設(shè)計還不夠完善，本設(shè)計選用的瓦斯?jié)舛葌鞲衅髦荒茉诘蜐舛认?，電壓和瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)線性關(guān)系，應(yīng)選擇測量范圍更大，壽命更長，反應(yīng)更靈敏、受環(huán)境影響更小的傳感器。還可以添加無線模塊，將井下瓦斯?jié)舛葘崟r傳回井上，方便井上工作人員了解井下實際情況。進一步加強井下工作的安全。

本設(shè)計基本實現(xiàn)檢測瓦斯?jié)舛鹊囊?，該儀器可以方便井下工作人員及時了解井下瓦斯的濃度，減少了因煤礦使用環(huán)境及安裝走線的復(fù)雜性而帶來的困擾。本設(shè)計工作安全，價格低廉。使用非常方便，簡單可靠，提高了井下的安全檢測水平。

參考文獻：

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（作者單位：河北科技學院）