煤矿瓦斯监测装置的设计与开发

刘伟韬　王新鹏　刘　晋　刘晓磊　杨　倩

摘要：文章介绍了基于Mega16单片机的瓦斯监测装置。该装置具有测量、通信、存储、查询、显示等功能，能够满足现场测量的需要。

关键词：瓦斯 监测 ATmega16

0 引言

瓦斯监测是煤矿安全中非常重要的环节，因此高性能的瓦斯监测装置对煤矿的安全系统十分重要。现有的许多瓦斯监测装置存在着可操作性差，显示不方便，反应速度慢等问题。因此，笔者开发了基于Mega16单片机的瓦斯监测装置。

1 瓦斯检测装置硬件设计

1.1 总体设计：

该瓦斯监测装置主要由微处理器8位AVR ATmega16、传感器采集电路、数据预处理电路、人机接口电路等组成。其工作原理如下：瓦斯传感器队瓦斯浓度进行检测，并产生一个电压信号；数据预处理电路对此信号进行放大处理并将信号传送到AVR ATmega16芯片的A/D转换通道中。AVR ATmega16芯片控制A/D模块工作得到数字信号并取若干次转换的平均值，并将该信号与预设的标准值进行比较并存储，当数字信号超过标准值时就产生声光报警，低于标准值则不报警。人机接口包括键盘和LCD显示屏，键盘主要用来调试日期，进行系统复位，LCD屏用来显示实时瓦斯浓度以及实时时钟给出的日期和时间。当系统进入死机状态时，看门狗可以对系统进行复位。

1.2 瓦斯传感器与信号预处理电路 催化燃烧式传感器突出的优点是传感器模块化设计，体积小，安全性高，而且随着对催化燃烧探头的原理与生产工艺的深入研究，载体催化元件的稳定性，抗中毒性，输出线性等都有了大幅度的提高，更适合于在恶劣环境下对煤矿瓦斯的检测。所以本系统选择催化燃烧式瓦斯传感器。信号预处理电路可以将传感器输出信号处理为适合A/D转换的范围。

1.3 A/D转换 A/D转换装置主要通过ATmega 16芯片自带的A/D转换接口，这样可以节省硬件成本，同时还起到简化外接电路、节省端口的目的。内置A/D转换装置具有10位精度、±2LSB的绝对精度、13?s~260?s的转换时间、在最大精度下可达到每秒15kSPS的采样速率、8路可选的单端输入通道、ADC的电压输入范围0～Vcc、可选择的内部2.56V的ADC参考电压源、ADC转换完成中断等优点。因而，ATmega 16完全适任本设计装置的预期的任务。

1.4 数据存储 ATmega 16单片机的强大的功能还体现在它的存储功能上。ATmega 16支持EEPROM和flash的读写。单片机在对转换信号进行处理后，将所得数据送至芯片自带的EEPROM或flash中。由于EEPROM和flash支持多次读写，且掉电不会丢失数据，因而非常适合在本设计中作为存储器使用。

1.5 人机接口 LCD显示屏是以HD44780为模型，它具有14个管脚，其中包括8个数据地址管脚，选片管脚，读写管脚等。本LCD屏不能显示汉字，可用来显示日期、时间和瓦斯浓度的装置。本LCD显示系统可以显示两行40个字符，第一行轮流显示日期和时间，其显示更替由按键决定。第二行显示瓦斯浓度。该瓦斯监测装置的键盘模块是9位键盘，通过此键盘可以对传感器的多项内容进行设置，例如日期、时间和报警标准值。

1.6 声光报警 当瓦斯浓度超过预置的报警值时，及时进行现场报警显得尤为重要。为了加强报警效果，本传感器采用声光同时报警的方式，当监测到甲烷浓度值超过报警值时，蜂鸣器开始鸣响，高亮红色数码管对当前过限浓度也亮起来。

1.7 串行通信 Atmega16本身带有串行通讯口，但其电平为TTL电平，必须通过MAX232进行电平转换才能与PC机进行串行通讯。为了将信号转化为可用，采用MAXIM公司的MAX232/MAX233芯片实现5V电路中和PC实现串口通信的电平转换芯片。存储数据的上传由PC机控制，PC机向测试仪发送启动发送或停止发送指令，即可完成数据上传的启动与终止。

2 瓦斯监测装置软件设计

软件设计大体上可以分为三部分，分别是主程序，串口中断程序，定时器中断程序。

2.1 主程序设计 主程序的主要作用是各项初始化并循环对键盘进行扫描。初始化包括时间的初始化，串口的初始化，LCD的初始化，定时器的初始化等。键盘扫描要判断键盘是否被按下，如果未被按下则再循环扫描，如果被按下则返回不同的数值，并根据不同的数值做出相应的动作，比如进入和退出设置状态，日期的设置，报警复位和系统复位等。

2.2 串口中断程序 串口中断程序主要用于和上位机的通信，当上位机向MEGA16发送命令时，则串口就会产生一个中断来处理上位机的命令，MEGA16会先判断指令是否是有效指令，如果不是则直接清除中断标志位，如果是有效指令则判断指令的类型并执行相应的操作，指令执行完毕之后清除中断标志位并退出中断。

2.3 定时器中断程序 当定时器产生中断时，A/D转化器进行一次AD转换，并存储转换的数据，然后将转换数据与预设的标准值进行比较，如果没有超过标准值则正常显示，如果转换值超过了标准值则先进行声光报警，然后正常显示。而显示日期时要先判断LCD是否处于设置状态，如果没有处于设置状态则正常显示日期，否则还要判断自定义变量是否是偶数，如果是偶数则正常显示日期的数字，如果是奇数则交替显示“-”和日期。最后清除中断标志位并退出中断。

2.4 A/D转换程序 AVR mega16有一个10位的逐次逼近型A/D转换，其与一个8通道的模拟多路复用器连接，能对来自端口A的8路单端输入电压进行采样。本系统采用定时器对A/D转换的间隔进行控制，初步设定0.5秒转换一次，当定时器计时满产生中断时就进行一次转换。