基于礦井瓦斯檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

諶 婕，閆澤宇

（西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

關(guān)鍵字：STC89C52單片機(jī)；CO濃度；溫度；報(bào)警

由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)瓦斯的需求量不斷增高，對(duì)瓦斯的含量也有了更高的要求。但是，在實(shí)際生產(chǎn)中，我國(guó)每年都有近萬(wàn)人死于礦難事故。引起礦難的種類(lèi)繁多，大部分是由瓦斯引起的。瓦斯是由多種易燃易爆氣體組合而成的，其中CO氣體的含量最高[1]。它的含量和傷亡率成正比，在適宜的范圍內(nèi)才能進(jìn)行安全的采礦。它的濃度也不能過(guò)高和過(guò)低，過(guò)高會(huì)出現(xiàn)缺氧等狀況[2]。因此，只有精準(zhǔn)的檢測(cè)瓦斯的含量，才能降低礦難死亡率。本設(shè)計(jì)以STC89C52的硬件電路為核心，對(duì)CO氣體濃度、溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，完成硬件電路和軟件的程序設(shè)計(jì)[3]。根據(jù)無(wú)線傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)礦井瓦斯檢測(cè)系統(tǒng)的智能化。

1 系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)圖如圖1所示。本設(shè)計(jì)的硬件電路設(shè)計(jì)是以單片機(jī)STC89C52為核心，并且結(jié)合了一些外圍元件。例如：一氧化碳傳感器、AD轉(zhuǎn)換器、溫度傳感器、LCD液晶顯示器、無(wú)線傳輸模塊、報(bào)警模塊等組成。先進(jìn)行CO的采集工作，把采集到的氣體進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后輸送到單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)總線進(jìn)行讀取工作，經(jīng)過(guò)無(wú)線傳輸模塊進(jìn)行發(fā)射接收程序，最后通過(guò)顯示屏顯示。

圖1 系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)圖

2 礦井瓦斯檢測(cè)系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是基于礦井瓦斯的檢測(cè)，硬件電路的設(shè)計(jì)以單片機(jī)STC89C52為核心和多個(gè)外圍電路模塊組成。其中外圍電路模塊包括電源電路模塊、顯示電路模塊、報(bào)警電路模塊、溫度采集電路模塊、瓦斯氣體采集電路模塊、無(wú)線傳輸電路模塊等組成。STC89C52功能強(qiáng)大，不僅可以進(jìn)行中斷，還可以進(jìn)行在線的編程，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.1 單片機(jī)的最小系統(tǒng)

單片機(jī)的最小系統(tǒng)圖如圖2所示。晶振電路主要是由振體、電容、與非門(mén)組成，這里的電容均為22PF，主要為了降低功耗。在復(fù)位電路中，當(dāng)開(kāi)關(guān)未按下時(shí)，電容正在充電，因此RST腳上的電壓與VCC相同。隨著電容的充電，RST腳上的電壓才慢慢下降。

圖2 單片機(jī)的最小系統(tǒng)圖

2.2 礦井瓦斯檢測(cè)系統(tǒng)的外圍電路

電源在電路中起著至關(guān)重要的作用。本設(shè)計(jì)采用的是AMS1117-3.3，電路最高的工作電壓為5V，最低的工作電壓為3.3V。通過(guò)調(diào)節(jié)輸出級(jí)阻抗大小來(lái)調(diào)整壓降，維持電壓的穩(wěn)定。LCD1602液晶顯示器的工作電壓一般在4.5～5.5V，在5V的工作電壓下，工作電流為2MA。通過(guò)調(diào)節(jié)變阻器來(lái)改變電壓的大小，從而改變它顯示的頻率。在報(bào)警電路中，由于單片機(jī)本身I／O的的驅(qū)動(dòng)能力并不高，所以對(duì)蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)需要加入一個(gè)PNP三極管。三極管通過(guò)連接單片機(jī)引腳，根據(jù)與非門(mén)輸出電平來(lái)決定三極管的通斷，使蜂鳴器的電流形成回路進(jìn)行報(bào)警。

溫度傳感器采用的是DS18B20，外部端口一般接3.0～5.5V的工作電壓。溫度采集時(shí)，溫度的振蕩頻率與溫度的高低成正比，并且根據(jù)溫度的位數(shù)來(lái)判斷分辨率，還能實(shí)現(xiàn)雙向通訊的功能。無(wú)線傳輸電路采用的是NRF24L01，工作于2.4～2.5 GHz ISM頻段，分為兩種工作模式，發(fā)射模式和接收模式。當(dāng)處于發(fā)射模式時(shí)，將接收的數(shù)據(jù)寫(xiě)入緩存區(qū)，根據(jù)引腳處于高低電平的狀態(tài)決定是否延遲發(fā)射數(shù)據(jù)。當(dāng)處于接收模式時(shí)，延遲時(shí)間儲(chǔ)存接收數(shù)據(jù)，同時(shí)中斷標(biāo)志位并置高電平，IRQ變低，產(chǎn)生中斷，通知MO去取數(shù)據(jù)，最后接收成功。

3 檢測(cè)電路軟件的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)通過(guò)簡(jiǎn)單的程序設(shè)計(jì)，完成對(duì)礦井瓦斯系統(tǒng)的實(shí)時(shí)檢測(cè)。礦井瓦斯檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了主程序和相對(duì)應(yīng)的子程序，可以調(diào)用子程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行控制。礦井瓦斯檢測(cè)系統(tǒng)主程序圖如圖3所示。先是將變量全部初始化，之后開(kāi)始采集需要采集的CO氣體，然后進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，輸送到單片機(jī)。模數(shù)的轉(zhuǎn)變程序圖如圖4所示。主要是信號(hào)之間的轉(zhuǎn)變，是為了把之前的電信號(hào)朝著數(shù)字模擬的方向轉(zhuǎn)化，把采集的信息送入到寄存器中，把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

圖3 礦井瓦斯檢測(cè)系統(tǒng)主程序圖

圖4 模數(shù)的轉(zhuǎn)變程序圖

4 使用效果

系統(tǒng)整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成之后，就進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)試。本設(shè)計(jì)是基于礦井瓦斯的檢測(cè)，主要是用于CO濃度和溫度的測(cè)量，先是把CO的濃度采集出來(lái)經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換傳送給單片機(jī)，當(dāng)CO的濃度超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)報(bào)警，停止運(yùn)行。再采集溫度，通過(guò)AD轉(zhuǎn)換傳送到單片機(jī)中，當(dāng)溫度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警，否則系統(tǒng)正常運(yùn)行，根據(jù)這一原理進(jìn)行實(shí)物的調(diào)試。為了系統(tǒng)能夠正常的運(yùn)行，安裝調(diào)試必不可少，主要加強(qiáng)兩個(gè)方面的工作，防爆性和準(zhǔn)確性。

根據(jù) “礦井生產(chǎn)規(guī)章”表明，瓦斯爆炸的最低極限為6%。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的瓦斯質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到1%時(shí)，就立即停產(chǎn)，安排相應(yīng)的工作人員迅速撤離。瓦斯質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到2%，是該系統(tǒng)的安全因數(shù)所能達(dá)到的最大設(shè)定值。當(dāng)瓦斯質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到6%時(shí)，礦下可能已經(jīng)發(fā)生爆炸，檢測(cè)系統(tǒng)就失去價(jià)值。本設(shè)計(jì)正是基于以上的幾點(diǎn)，采用無(wú)線傳輸技術(shù)，將采集的信息輸送到單片機(jī)中，在單片機(jī)上設(shè)置4個(gè)按鍵，分別為K1、K2、K3、K4；K1是設(shè)置參數(shù)用的，K2為選擇鍵，K3為調(diào)整數(shù)值上升鍵，K4調(diào)整數(shù)值減少鍵。根據(jù)采集的信息通過(guò)按鍵不斷調(diào)整合適的參數(shù)，在液晶屏LCD上顯示，顯示屏最上面的是溫度的測(cè)量數(shù)據(jù)，下面為濃度的測(cè)量數(shù)據(jù)。通過(guò)硬件的調(diào)試可以得到，使礦井下處于安全的環(huán)境中的溫度警戒范圍26～30℃，CO氣體瓦斯質(zhì)量分?jǐn)?shù)警戒范圍為2%～5%。

5 結(jié)語(yǔ)

礦井瓦斯檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，始終貫穿安全第一的思想。根據(jù)無(wú)線傳輸技術(shù)和單片機(jī)相結(jié)合的方法測(cè)量礦井下的環(huán)境，通過(guò)數(shù)據(jù)顯示，預(yù)測(cè)礦工能否下礦，大大減少了傷亡率，提高了經(jīng)濟(jì)收益，給現(xiàn)在社會(huì)帶來(lái)極大的便利。對(duì)社會(huì)來(lái)講，這一方案是非常有必要的。