煤矿巷道瓦斯浓度监测仪设计

杨 宁，崔陆军

（1.天津可口可乐饮料公司，天津 300113；2.中原工学院机电学院，河南 郑州 450007）

0 引言

煤矿中含有大量的瓦斯等易燃易爆气体，发生事故后会造成巨大的经济损失，危及矿工的生命。随着煤矿开采技术手段的不断改进和开采规模的扩大以及开采深度的不断延伸，安全隐患越来越多，瓦斯事故特别是重、特大瓦斯事故在煤矿事故中所占的比例越来越高。安全开发和利用煤层气具有保护全球环境、提高煤矿经济效益、改善煤矿生产安全和增加新能源等多重功效[1-3]。如果不把瓦斯事故控制住，就不能实现煤矿安全生产状况的稳定，也就无法保障煤炭工业的持续健康发展。所以，对煤矿瓦斯气体进行快速准确的监测显得尤为重要，对易燃易爆混合气体监测的研究和开发也成为人们一直关注的问题。

1 系统的硬件设计

系统的基本结构如图1所示，主要包括气体传感器MQ-5、A／D转换器ADC0809、单片机80C51、LED显示电路和声音报警装置。

图1 系统总体结构

1.1 瓦斯气体传感器的选取

气体传感器是一个气-电转换器，它的作用是把可燃性气体在空气中的浓度变成电信号，进而由单片机进行采集信号、数据处理、浓度显示和报警控制。传感器作为对可燃性气体的敏感元件，是各种类型仪表的核心之一。因此，传感器的选型是非常重要的。MQ-5是郑州炜盛电子科技有限公司生产的可燃气体传感器，它所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的SnO2[4]。当传 感器所 处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增大而增大。使用简单的电路，即可将电导率的变化转化为与该气体浓度相对应的输出信号。

1.2 A／D转换模块设计

实现模拟信号到数字信号转化的专用芯片叫A／D转换器。A／D转换部分的电路如图2所示。它是由ADC0809构成的，其主要作用是把气体传感器输出的模拟电压信号转换成单片机所能识别的数字信号，以便于单片机进行处理。

图2 A／D转换电路

D0～D7端是转换器的转换结果输出端，ADDA～ADD-C端是路地址选择端，它们通过接收来的信号决定要转换的输入模拟通道，仿真程序中选择IN-3端来进行模拟输入。接线时把ALE端与START端连在一起。在编写的程序中，有这样一个语句“ST＝0；ST＝1；ST＝0；”。该语句的流程可以描述为：因为START端脉冲的上升沿能够使ADC0809复位，所以先让单片机P3.6端给ST端一个低电平，然后再送入高电平，这时候上升沿触发ADC0809进行复位；同时由于ALE端与ST端相连，所以这时候ALE端是高电平，则单片机P1口送出的路地址选择信号送入锁存器；接着，ST端得到一个低电平，下降沿开始促使ADC0809进行A／D转换，并且此时ALE端由于也是低电平，则路地址被锁存；然后等待EOC＝1时，转换结束，开始下一步的程序。OE端也就是输出允许端，当OE＝1时，打开三态输出锁存器，输出转换结果。

1.3 数据显示模块设计

系统采用数码管进行数据显示。数码管分为共阴极数码管和共阳极数码管，在设计中用到的是共阴极数码管。由于此次显示电路是为了显示瓦斯浓度值且其浓度是变化的，所以采用动态显示。动态显示是多个数码管交替显示，利用人的视觉暂留作用使人看到多个数码管仿佛是同时显示。显示电路设计为3位LED，由单片机80C51的P0口来控制数码管的“段选”，P2.0，P2.1，P2.2，P2.3口来控制数码管的“位选”。在P0口要加上上拉电阻，因为P0口内部是一个OC结构，也就是相当于一个NPN三极管。

1.4 电源电路模块设计

在设计中所用到的电源只有±5V，所以只需设计±5V的电源即可。电源部分由12V锂电池变压后得到。所以，采用7805的典型应用，它是一个输出5V直流电压的稳压电源电路。IC采用集成稳压器LM7805。

7805系列是三端正电源稳压电路。它有一系列固定的电压输出，应用非常广泛。每种类型由于内部电流的限制，以及过热保护和安全工作区的保护，使它基本上不会损坏。如果能够提供足够的散热片，该电路就能够提供大于1.5A的输出电流。虽然是按照固定电压值来设计的，但是当接入适当的外部器件后，就能获得各种不同的电压和电流。

1.5 声音报警模块设计

声音报警电路是由三极管和扬声器组成。当实际检测浓度低于设定浓度时，三极管不导通，扬声器不工作；当实际检测浓度等于或超过设定浓度时，通过P1.7与单片机的连接从而引起电平的变化，三极管导通，扬声器发出声音。蜂鸣器发声原理是电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声的，因此需要一定的电流才能驱动，单片机的I／O引脚输出的电流较小，其输出的TTL电平基本上不能驱动蜂鸣器，因此需要增加一个电流放大的电路，如图3所示。

图3 声音报警电路

2 系统的软件设计

2.1 主程序的设计

单片机系统上电后，首先要对系统进行初始化，初始化程序包括内存空间的分配、初始变量的设置和设定堆栈指针等。正常初始化后开放定时器中断，外部中断和串行口中断，然后启动定时器定时。系统软件程序流程如图4所示。要对接收到瓦斯传感器输出信号进行处理，然后经过相应的处理后使其转换成浓度，动态地显示到LED数码管上，并且进行声音报警。

图4 系统程序流程

2.2 数据处理部分

瓦斯传感器输出的0～5V的电压，经8位的ADC0809转换后，成为0～255之间的一个数，然后显示到数码管上。要对这个数再进行一次转换，将输出电压转换成与电压相对应的瓦斯浓度值进行显示。经过资料检索得到了传感器的输出电压与瓦斯浓度的一部分对应关系[5]，如表1所示。

表1 传感器输出电压与瓦斯浓度对应关系

采用插值法对它们之间的关系进行线性化处理，这样方便进行数据显示部分的处理。利用函数f（x）在某区间中若干点的函数值，作出适当的特定函数，在这些点上选取已知值，在区间的其他点上用特定函数的值作为函数f（x）的近似值。如果特定函数是多项式，就称它为插值多项式。结合以上定义，将浓度对应的电压分成7段，即为3.03～3.32，3.32～3.57，3.57～3.67，3.67～3.88，3.88～3.99，3.99～4.15，4.15～4.36，再参考实例，得出如下的公式：

f（x）为实际烟雾检测浓度；x为实际气体检测浓度对应的电压值（传感器的输出电压值）；xi为区间下限对应的电压值；xi＋1为区间上限对应的电压值；f（xi＋1）为上限电压对应的瓦斯浓度值；f（xi）为下限电压对应的瓦斯浓度值。由此就能算出在3.03～4.36V的电压输出范围内，某一电压所对应的浓度值。经计算，该瓦斯传感器能够感知8.52 mg／m3的瓦斯浓度变化，而LNG（主要成分是CH4）传感器能测量浓度在142mg／m3以内的瓦斯气体，所以符合要求。

2.3 显示及报警子程序设计

单片机P2.1～P2.3口送出位选信号，从而确定是哪一位数码管进行显示，然后P0口送入段选信号，经过查表显示出所需要的数字。延时一段时间，有利于观察，如图5所示。经过换算，得到当传感器输出电压达到4.03V时，经A／D转换的数值是d＝205.53，所以设定当d＞205时，蜂鸣器进行报警。这样的设定比直接设定成比较电压的方法更为准确，因为它跳过了转换成电压这一步，从而减少了误差。报警程序流程如图6所示。

图6 报警部分流程

3 结束语

根据设计要求、使用环境和成本等因素，选用MQ-5气体传感器作为煤矿巷道瓦斯的检测仪器。它的灵敏度适中，响应与恢复特性好，长期工作稳定性、抗环境气体影响及抗温湿度影响等性能均优。以80C51单片机为核心，使得处理的速度更加的迅速。应用程序用C语言编写，充分利用芯片资源，使得思路更加清晰明了。对气体的线性化处理，不但最大限度地排除现场其他气体的干扰，降低误报概率，而且易于在单片机中实现。此电路具有结构简单、调试方便、线性度好和温度漂移小等优点，应用前景十分广阔。

[1]陶 扬，乌效鸣，符壁犀，等.原位瓦斯检测仪集气装置的设计[J].煤矿安全，2011，42（12）：1-6.

[2]文国军，乌效鸣，王生维，等.煤层气近水平孔孔底水力封隔器设计与试验[J].煤田地质与勘探，2008，36（6）：73-77.

[3]张 丽.浅谈瓦斯气的开发和利用[J].煤，2007，16（1）：31，37.

[4]郑州炜盛电子科技有限公司.MQ-5可燃气体检测用半导体气敏元件[Z].

[5]韩中华，王长涛，张 楠.基于单片机的瓦斯报警器设计[J].电子产品世界，2008，15（12）：45-47.