基于單片機(jī)的節(jié)能型瓦斯排放裝置研究

歐棟杰+閆鵬程+王海濱

摘 要 為解決我國(guó)煤礦中存在的瓦斯安全隱患并能有效節(jié)約電能，提出一種節(jié)能型瓦斯排放裝置。該裝置以AT89S51單片機(jī)核心，結(jié)合瓦斯傳感器以及其他軟硬件以達(dá)到自動(dòng)節(jié)能排放瓦斯。該裝置節(jié)約電能，有效地扼制瓦斯排放事故的發(fā)生，具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞 單片機(jī)；節(jié)能；傳感器；瓦斯排放裝置

中圖分類號(hào)：TD724 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）02-0016-01

目前，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，能源問(wèn)題日益嚴(yán)重，而煤炭作為我國(guó)的重要能源，其開采是解決能源問(wèn)題的重要手段。隨著煤炭的大量開采，瓦斯防護(hù)系統(tǒng)被大量采用在各個(gè)煤礦中。在瓦斯防護(hù)系統(tǒng)中，一般采用抽放的形式，這導(dǎo)致需要大量的電機(jī)進(jìn)行抽風(fēng)排放?，F(xiàn)在礦上主通風(fēng)電機(jī)一般采用變頻技術(shù)能夠有效節(jié)約電能，但局部通風(fēng)電機(jī)若采用變頻器，則成本太高，不具現(xiàn)實(shí)意義。因此，為了適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)煤礦安全的要求，同時(shí)響應(yīng)國(guó)家節(jié)約能源的號(hào)召，一種廉價(jià)的能節(jié)約電能的小型局部瓦斯排放裝置的研制勢(shì)在必行。

1 概述

由于傳統(tǒng)的局部瓦斯抽風(fēng)機(jī)不使用任何節(jié)能措施，導(dǎo)致抽風(fēng)機(jī)在瓦斯含量已經(jīng)達(dá)到規(guī)定的瓦斯含量標(biāo)準(zhǔn)以下還不停的轉(zhuǎn)動(dòng)，這造成電能的大量浪費(fèi)。本文就是基于該情況下，設(shè)計(jì)一種新型排放裝置，其具有節(jié)能自動(dòng)排放瓦斯功能。該裝置能夠根據(jù)井下的瓦斯含量智能地開關(guān)局部抽風(fēng)電機(jī)，并可在瓦斯含量超標(biāo)時(shí)進(jìn)行報(bào)警。本裝置使用了一種完全新型的排風(fēng)方式，利用電機(jī)的運(yùn)行和停止時(shí)間的相對(duì)長(zhǎng)短來(lái)決定排風(fēng)量，可現(xiàn)場(chǎng)控制和遠(yuǎn)程控制。

2 裝置架構(gòu)介紹

該裝置主要由瓦斯傳感器群、控制器、防爆交流電機(jī)、防爆真空接觸器等組成，其中控制器是以單片機(jī)為核心，加以濾波電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、放大電路和電機(jī)控制電路組成。

裝置正常運(yùn)行時(shí)，通過(guò)瓦斯傳感器測(cè)得瓦斯含量，并把測(cè)得量傳送到控制器，控制器根據(jù)預(yù)先設(shè)定的瓦斯含量閥值，當(dāng)瓦斯含量超過(guò)閥值時(shí)，控制器啟動(dòng)電機(jī)?？紤]閥值的設(shè)定時(shí)，要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，保證瓦斯含量能及時(shí)的減至安全限以下來(lái)設(shè)定。當(dāng)?shù)陀陂y值則控制器停止電機(jī)。

當(dāng)瓦斯涌出量增大、局部通風(fēng)機(jī)達(dá)最大風(fēng)量（額定），瓦斯亦不能減至安全限以下時(shí)，則裝置能及時(shí)通知上位機(jī)，通過(guò)上位機(jī)可靠地執(zhí)行風(fēng)、電、瓦斯閉鎖的各項(xiàng)功能。

3 裝置原理分析

瓦斯感器把采集到的實(shí)時(shí)信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波處理后傳送單片機(jī)，經(jīng)由單片機(jī)處理后，發(fā)出控制信號(hào)控制電動(dòng)機(jī)是否打開，對(duì)是否排風(fēng)進(jìn)行控制?，F(xiàn)場(chǎng)開關(guān)產(chǎn)生的信號(hào)可以切斷遠(yuǎn)程控制并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制。在進(jìn)行遠(yuǎn)程控制時(shí)CPU可以把裝置的實(shí)時(shí)情況傳給上位機(jī)，在發(fā)生緊急情況時(shí)，上位機(jī)可以通過(guò)其他措施采取相關(guān)操作?？撮T狗的設(shè)置主要是防止裝置在發(fā)生死機(jī)等情況時(shí)，進(jìn)行自動(dòng)復(fù)位。輸出顯示電路主要用來(lái)顯示現(xiàn)場(chǎng)的瓦斯含量。

3.1 單片機(jī)

單片機(jī)采用的是AT89S51單片機(jī)，其是一個(gè)低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，與已停產(chǎn)的AT89C51相比較而言，其提高工作頻率，增加了一個(gè)看門狗中斷，有兩組數(shù)據(jù)指針寄存器等等。另外AT89S51只需要5 V電壓即可刻錄與擦除程序存儲(chǔ)器，而89C51則需要分別以5 V及12 V電壓刻錄與擦除程序存儲(chǔ)器。

3.2 瓦斯傳感器及其檢測(cè)電路

載體催化元件對(duì)瓦斯測(cè)量主要是運(yùn)用熱催化原理，是目前測(cè)量瓦斯主要技術(shù)的一種。本裝置所采用為L(zhǎng)XK-2載體催化元件，其為中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一八研究所生產(chǎn)研制，可用于井下瓦斯?jié)舛鹊臋z測(cè)。

LXK-2催化元件包括敏感元件和補(bǔ)償元件。敏感元件上帶有的催化劑使瓦斯和氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在這過(guò)程中釋放的熱量使敏感元件電阻值發(fā)生變化，所以通過(guò)測(cè)量敏感元件的阻值就可以得到瓦斯的含量值。采用電橋測(cè)量敏感元件的阻值。

3.3 信號(hào)處理電路

信號(hào)處理電路采用的芯片是AD625和MAX260.AD625是一款可非標(biāo)準(zhǔn)增益、價(jià)格便宜，可編程的芯片。并且利用三個(gè)電阻就可使最高增益達(dá)到10000倍。MAX260是美國(guó)Maxim公司所產(chǎn)的CMOS有源濾波器，其內(nèi)含有兩個(gè)二階濾波器，不需任何外部元件，就可構(gòu)成各種濾波配置。處理電路先利用AD625對(duì)測(cè)量電路的電壓信號(hào)進(jìn)行放大處理，然后利用MAX260進(jìn)行濾波處理得到所需電壓信號(hào)。

3.4 AD轉(zhuǎn)換電路

本裝置采用ADC0804作為模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器。該芯片屬于連續(xù)漸進(jìn)式的A/D轉(zhuǎn)換器，具有轉(zhuǎn)換速度快（100 us）、分辨率高（8位），轉(zhuǎn)換誤差?。ā?LSB）的特點(diǎn)。

3.5 電機(jī)控制電路

交流電機(jī)的控制是利用單片機(jī)的P2.0輸出口控制的。由于輸出電流不足于驅(qū)動(dòng)固體繼電器，所以利用晶體管進(jìn)行電流放大。二極管D1起保護(hù)作用，防止繼電器內(nèi)線圈反向電動(dòng)勢(shì)破壞晶體管。用真空接觸器控制電機(jī)，真空接觸器的控制回路由繼電器主回路提供。

3.6 其他電路設(shè)計(jì)

由于篇幅原因其他簡(jiǎn)單電路不做過(guò)多的詳細(xì)介紹，如用數(shù)碼管作為數(shù)據(jù)顯示，用4列4行構(gòu)成的按鍵陳列作為輸入器件等。

3.7 裝置程序的編程

程序編程主要是對(duì)各個(gè)芯片的初始化編程和整個(gè)主程序的編程。芯片的初始化主要是MAX260和ADC0804的初始化。主程序采用C語(yǔ)言編寫，另外按鍵輸入采用外部中斷。

4 總結(jié)

我國(guó)煤炭工業(yè)已得到了迅速發(fā)展，但是瓦斯問(wèn)題長(zhǎng)期以來(lái)一直沒(méi)有能得以妥善解決，瓦斯爆炸事件時(shí)有發(fā)生，從而嚴(yán)重阻礙了采煤效率的進(jìn)一步提高，并且瓦斯排放過(guò)程中不能有效地解決電能浪費(fèi)現(xiàn)象。本文所設(shè)計(jì)的瓦斯排放裝置正是為了解決此問(wèn)題而設(shè)計(jì)的，該裝置可以有效地節(jié)省設(shè)備投資和節(jié)約電能，扼制瓦斯排放事故的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

歐棟杰（1985-），男，安徽巢湖人，安徽理工大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向：智能控制理論及應(yīng)用。endprint