使用單片機對瓦斯氣體濃度信息檢測和報警設計

由于瓦斯氣體本身的危險性和對人民生產(chǎn)生活造成的巨大危害，因此對瓦斯氣體的檢測和報警是一項必要的工作。瓦斯報警是指利用氣體傳感器技術(shù)，將檢測到的瓦斯氣體濃度和標準值進(jìn)行比較，當高過(guò)一定濃度值時(shí)候進(jìn)行相應的聲光報警，提醒正在作業(yè)的人員進(jìn)行相應的處理，組織人員撤離或對礦井通風(fēng)排氣，避免不安全事故的發(fā)生，對現在采礦業(yè)的安全起著(zhù)非常重要的作用。筆者所設計一種低成本的可燃性氣體報警器設計，能夠監控礦井的瓦斯氣體的濃度，顯示測量結果，并對當前的環(huán)境狀態(tài)做出判斷，發(fā)出報警信息。

　　當前，隨著(zhù)采礦技術(shù)的不斷發(fā)展，井下作業(yè)的安全越來(lái)越有保障，但是仍然有許多采礦企業(yè)的機械化程度低，對現場(chǎng)采礦的工作人員的生命安全造成潛在的威脅，特別是針對瓦斯氣體的檢測和報警仍舊存在隱患，每年由于瓦斯泄露造成的特大事故依然很多。瓦斯是在成煤過(guò)程中形成并大量?jì)Υ媾c煤層之中的氣體，是煤礦井下危害最大的氣體。瓦斯是一種無(wú)色無(wú)味的氣體，主要成份是甲烷（CH4），密度為0.716kg/m3，對人體的危害是超時(shí)限能引起人窒息死亡。在地下采礦時(shí)候，井內常常會(huì )泄露一定量的CH4、CO和SO2等氣體，后一種含量少，切易溶于水。經(jīng)煤礦開(kāi)采時(shí)的噴水處理后變成酸。但前兩種氣體含量多，且幾乎不容于水，屬于易燃易爆氣體。

　　系統功能設計

　　系統設計

　　本設計的瓦斯氣體報警器由六個(gè)部分組成：傳感器、LCD顯示器、聲光報警器、控制電路、A/D轉換和電源模塊，傳感器部分采用的氣體傳感器能感知環(huán)境中某種氣體并將與氣體種類(lèi)和濃度有關(guān)的信息轉換成電信號。這種電信號是連續變化的模擬信號需要經(jīng)過(guò)A/D轉換將其轉化離散的數字信號?？刂齐娐芬詥纹瑱C為核心，能夠對采集的數字信號進(jìn)行處理和判斷，運用一定的算法計算出待檢測氣體成分及濃度并送到LCD顯示器顯示出來(lái)。當檢測氣體濃度超出設定報警閥值時(shí)給出聲光報警。本系統可以對檢測的數據和設定的閥值參數進(jìn)行存儲并自備電源。系統框圖如圖1所示。

圖1總體功能框圖

　　根據使用環(huán)境對產(chǎn)品設計的便攜型要求，控制電路的核心元件采用了AT89LV51低電壓?jiǎn)纹瑱C，傳感器采用MQ5氣體傳感器，為減少單片機端口的占用和進(jìn)一步擴展其它功能A/D轉換部分采用TI公司的TLC1543，LCD顯示采用的是dm12232f，A/D轉換和LCD都是通過(guò)串行方式與單片機相連接，聲光報警器電路使用的是蜂鳴器和發(fā)光二極管進(jìn)行報警，這種設計可以滿(mǎn)足不同場(chǎng)合的應用，測試結果穩定可靠，10位TLC1543的A/D轉換芯片能夠滿(mǎn)足系統測量的精度要求。系統電路如圖2所示。

圖2系統電路圖

　　系統采用AT89LV51單片機作為控制部分的核心，AT89LV51是ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內含4Kbytes的可反復擦寫(xiě)的只讀程序存儲器（PEROM）和128bytes的隨機存儲器（RAM），兼容標準MCS－51指令系統，片內置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，AT89LV51可在2.7～6.0V電源電壓下工作。A/D轉換部分的核心器件TLC1543有三個(gè)控制輸入端CS、I/OCLOCK、ADDRESS和一個(gè)數據輸出端DATAOUT遵循串行外設接口SPI協(xié)議。51系列單片機未內置SPI接口，但通過(guò)軟件模擬SPI協(xié)議即可。硬件方面將TLC1543的CS、I/OCLOCK、ADDRESS、DATAOUT、EOC五個(gè)端口與AT89LV51的5個(gè)I/O口相連接。報警模塊單獨采用了蜂鳴器作為聲音報警裝置，提醒使用人員當前的氣體濃度已經(jīng)超過(guò)了警戒線(xiàn)，應該立即停止工作，進(jìn)行相應的處理，避免危險發(fā)生。它和液晶顯示器的配合使用，可以有效地提醒工作人員身邊的工作環(huán)境，幫助工作人員提高安全警惕。在報警模塊的電路中當P0.7口的電平是低電平時(shí)候，三極管截止；當P0.7口電平為高時(shí)候，三極管導通，蜂鳴器產(chǎn)生報警聲音。

　　本設計中，由于瓦斯氣體的主要成分是甲烷，所以氣體傳感器采用的是MQ-5，它適用于家庭或工業(yè)上對液化氣，甲烷（天然氣），煤氣的監測裝置。它具有優(yōu)良的抗乙醇，煙霧干擾能力，具有對液化氣，天然氣，城市煤氣有較好的靈敏度；對乙醇，煙霧幾乎不響應；快速的響應恢復特性；長(cháng)期的使用壽命和可靠的穩定性；簡(jiǎn)單的測試電路等優(yōu)點(diǎn)。其結構和外形如圖3所示。

圖3 MQ-5的結構和外形