煤礦瓦斯監(jiān)測裝置的設(shè)計與開發(fā)

劉偉韜　王新鵬　劉　晉　劉曉磊　楊　倩

摘要：文章介紹了基于Mega16單片機的瓦斯監(jiān)測裝置。該裝置具有測量、通信、存儲、查詢、顯示等功能，能夠滿足現(xiàn)場測量的需要。

關(guān)鍵詞：瓦斯 監(jiān)測 ATmega16

0 引言

瓦斯監(jiān)測是煤礦安全中非常重要的環(huán)節(jié)，因此高性能的瓦斯監(jiān)測裝置對煤礦的安全系統(tǒng)十分重要?，F(xiàn)有的許多瓦斯監(jiān)測裝置存在著可操作性差，顯示不方便，反應(yīng)速度慢等問題。因此，筆者開發(fā)了基于Mega16單片機的瓦斯監(jiān)測裝置。

1 瓦斯檢測裝置硬件設(shè)計

1.1 總體設(shè)計：

該瓦斯監(jiān)測裝置主要由微處理器8位AVR ATmega16、傳感器采集電路、數(shù)據(jù)預(yù)處理電路、人機接口電路等組成。其工作原理如下：瓦斯傳感器隊瓦斯?jié)舛冗M行檢測，并產(chǎn)生一個電壓信號；數(shù)據(jù)預(yù)處理電路對此信號進行放大處理并將信號傳送到AVR ATmega16芯片的A/D轉(zhuǎn)換通道中。AVR ATmega16芯片控制A/D模塊工作得到數(shù)字信號并取若干次轉(zhuǎn)換的平均值，并將該信號與預(yù)設(shè)的標準值進行比較并存儲，當數(shù)字信號超過標準值時就產(chǎn)生聲光報警，低于標準值則不報警。人機接口包括鍵盤和LCD顯示屏，鍵盤主要用來調(diào)試日期，進行系統(tǒng)復(fù)位，LCD屏用來顯示實時瓦斯?jié)舛纫约皩崟r時鐘給出的日期和時間。當系統(tǒng)進入死機狀態(tài)時，看門狗可以對系統(tǒng)進行復(fù)位。

1.2 瓦斯傳感器與信號預(yù)處理電路 催化燃燒式傳感器突出的優(yōu)點是傳感器模塊化設(shè)計，體積小，安全性高，而且隨著對催化燃燒探頭的原理與生產(chǎn)工藝的深入研究，載體催化元件的穩(wěn)定性，抗中毒性，輸出線性等都有了大幅度的提高，更適合于在惡劣環(huán)境下對煤礦瓦斯的檢測。所以本系統(tǒng)選擇催化燃燒式瓦斯傳感器。信號預(yù)處理電路可以將傳感器輸出信號處理為適合A/D轉(zhuǎn)換的范圍。

1.3 A/D轉(zhuǎn)換 A/D轉(zhuǎn)換裝置主要通過ATmega 16芯片自帶的A/D轉(zhuǎn)換接口，這樣可以節(jié)省硬件成本，同時還起到簡化外接電路、節(jié)省端口的目的。內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換裝置具有10位精度、±2LSB的絕對精度、13?s~260?s的轉(zhuǎn)換時間、在最大精度下可達到每秒15kSPS的采樣速率、8路可選的單端輸入通道、ADC的電壓輸入范圍0～Vcc、可選擇的內(nèi)部2.56V的ADC參考電壓源、ADC轉(zhuǎn)換完成中斷等優(yōu)點。因而，ATmega 16完全適任本設(shè)計裝置的預(yù)期的任務(wù)。

1.4 數(shù)據(jù)存儲 ATmega 16單片機的強大的功能還體現(xiàn)在它的存儲功能上。ATmega 16支持EEPROM和flash的讀寫。單片機在對轉(zhuǎn)換信號進行處理后，將所得數(shù)據(jù)送至芯片自帶的EEPROM或flash中。由于EEPROM和flash支持多次讀寫，且掉電不會丟失數(shù)據(jù)，因而非常適合在本設(shè)計中作為存儲器使用。

1.5 人機接口 LCD顯示屏是以HD44780為模型，它具有14個管腳，其中包括8個數(shù)據(jù)地址管腳，選片管腳，讀寫管腳等。本LCD屏不能顯示漢字，可用來顯示日期、時間和瓦斯?jié)舛鹊难b置。本LCD顯示系統(tǒng)可以顯示兩行40個字符，第一行輪流顯示日期和時間，其顯示更替由按鍵決定。第二行顯示瓦斯?jié)舛取Ｔ撏咚贡O(jiān)測裝置的鍵盤模塊是9位鍵盤，通過此鍵盤可以對傳感器的多項內(nèi)容進行設(shè)置，例如日期、時間和報警標準值。

1.6 聲光報警 當瓦斯?jié)舛瘸^預(yù)置的報警值時，及時進行現(xiàn)場報警顯得尤為重要。為了加強報警效果，本傳感器采用聲光同時報警的方式，當監(jiān)測到甲烷濃度值超過報警值時，蜂鳴器開始鳴響，高亮紅色數(shù)碼管對當前過限濃度也亮起來。

1.7 串行通信 Atmega16本身帶有串行通訊口，但其電平為TTL電平，必須通過MAX232進行電平轉(zhuǎn)換才能與PC機進行串行通訊。為了將信號轉(zhuǎn)化為可用，采用MAXIM公司的MAX232/MAX233芯片實現(xiàn)5V電路中和PC實現(xiàn)串口通信的電平轉(zhuǎn)換芯片。存儲數(shù)據(jù)的上傳由PC機控制，PC機向測試儀發(fā)送啟動發(fā)送或停止發(fā)送指令，即可完成數(shù)據(jù)上傳的啟動與終止。

2 瓦斯監(jiān)測裝置軟件設(shè)計

軟件設(shè)計大體上可以分為三部分，分別是主程序，串口中斷程序，定時器中斷程序。

2.1 主程序設(shè)計 主程序的主要作用是各項初始化并循環(huán)對鍵盤進行掃描。初始化包括時間的初始化，串口的初始化，LCD的初始化，定時器的初始化等。鍵盤掃描要判斷鍵盤是否被按下，如果未被按下則再循環(huán)掃描，如果被按下則返回不同的數(shù)值，并根據(jù)不同的數(shù)值做出相應(yīng)的動作，比如進入和退出設(shè)置狀態(tài)，日期的設(shè)置，報警復(fù)位和系統(tǒng)復(fù)位等。

2.2 串口中斷程序 串口中斷程序主要用于和上位機的通信，當上位機向MEGA16發(fā)送命令時，則串口就會產(chǎn)生一個中斷來處理上位機的命令，MEGA16會先判斷指令是否是有效指令，如果不是則直接清除中斷標志位，如果是有效指令則判斷指令的類型并執(zhí)行相應(yīng)的操作，指令執(zhí)行完畢之后清除中斷標志位并退出中斷。

2.3 定時器中斷程序 當定時器產(chǎn)生中斷時，A/D轉(zhuǎn)化器進行一次AD轉(zhuǎn)換，并存儲轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，然后將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)的標準值進行比較，如果沒有超過標準值則正常顯示，如果轉(zhuǎn)換值超過了標準值則先進行聲光報警，然后正常顯示。而顯示日期時要先判斷LCD是否處于設(shè)置狀態(tài)，如果沒有處于設(shè)置狀態(tài)則正常顯示日期，否則還要判斷自定義變量是否是偶數(shù)，如果是偶數(shù)則正常顯示日期的數(shù)字，如果是奇數(shù)則交替顯示“-”和日期。最后清除中斷標志位并退出中斷。

2.4 A/D轉(zhuǎn)換程序 AVR mega16有一個10位的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換，其與一個8通道的模擬多路復(fù)用器連接，能對來自端口A的8路單端輸入電壓進行采樣。本系統(tǒng)采用定時器對A/D轉(zhuǎn)換的間隔進行控制，初步設(shè)定0.5秒轉(zhuǎn)換一次，當定時器計時滿產(chǎn)生中斷時就進行一次轉(zhuǎn)換。