基于AT89S52单片机瓦斯监测系统设计

剧仲栋

(1.大同煤炭职业技术学院，山西 大同，037003；2.太原理工大学，山西 太原，030001)

引言

能源是人类活动的物质基础。随着经济的发展，对能源的需求越来越大，石油、天然气和煤炭行业的地位也越来越重要。然而，煤炭行业的安全事故却不断的发生，尤其是重大伤亡事故。在我国煤矿安全事故中，瓦斯爆炸造成的伤亡人数占所有重大事故伤亡人数的70%以上，成为实现安全生产的最大障碍，及时准确地检测瓦斯含量，在安全生产中具有重要意义[1]。大型煤矿在瓦斯检测方面耗费了大量的人力和物力才取得了一定的成绩，中小煤矿在瓦斯检测方面做的不是很完善。为满足现代化煤矿的生产要求，尤其是中小型煤矿存在的安全问题，价格低廉、携带方便的瓦斯检测系统的研制迫在眉睫。

基于AT89S52单片机瓦斯监测系统能够对井下瓦斯气体精确快速的检测，准确的发出预警。为煤矿的安全生产提供必要的条件。

1 瓦斯监测系统设计原理

1.1 技术指标要求

瓦斯爆炸有一定的浓度范围，称之为瓦斯爆炸界限，为5%～16%。当瓦斯浓度低于5%以及16%以上时，虽然瓦斯与空气反应不发生爆炸，可以在火焰周围形成燃烧层；当瓦斯浓度在5%-16%之间时，尤其是9.5%时，空气中的氧气和瓦斯能够完全反应，其爆炸威力最大。由于煤矿的实际情况不同，比如井下实际温度、矿井深度不同以巷道的通风状况等因素都会对瓦斯爆炸界限产生影响，导致瓦斯爆炸极限不同，但基本都在5%-16%上下波动。AT89S52单片机瓦斯监测系统在设计时，在技术层面上，对瓦斯监测仪表和气体传感器必须满足煤矿的特殊环境。比如，应用环境是煤矿；检测的气体是甲烷(瓦斯的主要成分)；测量的瓦斯浓度范围是0%-16%，甚至更高；灵敏度要在0.01%以上；响应时间小于30s；功耗小于100mW；工作温度-20℃～70℃；工作湿度小于95%等。

1.2 隔爆仪表设计要求

由于煤矿井下工作环境的特殊性，空间狭小，湿度偏大，有易燃易爆的瓦斯和煤尘，所以，煤矿电器在设计的过程中必须考虑到这些特殊性。比如煤矿巷道空间狭小，体积小，质量轻且易于搬运的电器就受欢迎；同时，湿度偏大就需防潮防水的电器设备；易燃易爆的瓦斯和煤尘大量存在于巷道中，有煤矿特殊要求的安全标准的隔爆型电器才能应用到煤矿中。

1.3 系统的功能

AT89S52单片机瓦斯监测系统主要功能是准确监测到瓦斯气体的浓度，同时在超过一定瓦斯浓度后，能够声光报警，对其他的外围设备进行操作，比如，操作功能、数据存储功能以及通讯功能。基于这些要求，整个系统设计主要包括敏感探头、A／D转换模块、AT89S52单片机、数据存储器、人机界面操作显示器、输入按键操作台及声光报警模块、通讯模块等组成。

2 煤矿瓦斯监测系统设计

基于AT89S52单片机瓦斯监测系统主要由瓦斯传感器、AT89S52单片机、数据存储器、RS-485通讯接口以及LED显示器等部分组成，其原理图如图1所示。瓦斯监测系统核心部分采用AT89S52单片机，根据瓦斯传感器检测到的电压信号识别和测量瓦斯浓度；外围设备包括按键面板、存储大量数据的AT24C02存储器、显示瓦斯浓度8只8段LED数码管、发出预警的声光报警系统、通过计算机和网络实现的远程数据传输功能。

图1 硬件系统原理图

2.1 系统硬件设计

系统硬件设计是AT89S52单片机瓦斯监测系统最重要的一部分，下面分别介绍系统电源、传感器采样、传感器检测及LED显示电路。

2.2 系统电源

电源系统如图2所示。Vin是外部输入电源，为12V/3A的直流电源；C1的主要作用是对输入电压进行滤波；C2、C4的主要作用是对电压调节端电压进行滤波；C3的主要作用是对电源输出电压进行滤波；C1、C2、C3、C4均有提高电压稳定性的特点。Vcc为其他模块提供有效电压。

图2 系统电源电路图

2.3 传感器信号监测

传感器信号监测如图3所示。该系统采用具有良好的热稳定性能的三端可调精密电压基准集成电路TL431。

图3 传感器信号监测

3 系统软件设计

该系统软硬件底层设计软件采用KEILuVISION2软件开发系统。KEILuVISION2不仅支持AT89S52芯片，而且集编辑，编译，仿真于一体的优秀开发软件，支持汇编和C语言混合编程，界面友好，简单易学，在调试方面，KEILuVISION2软件也具有很强大的仿真功能。

设计的瓦斯监测系统，主要的软件功能包括，系统初始状态设置；瓦斯成分识别及浓度计算、LED显示；设定报警阀值；存储数据；远程通讯；测量结束后系统进入低功耗状态等。

以主程序为例，它是对AT89S52单片机的寄存器、I/O口的状态进行初始设定；然后设定存储器的参数；接着对瓦斯传感器进行预热；最后开中断，进入主程序。主程序流程如图4所示。

图4 主程序流程图

4 煤矿瓦斯监测系统试验结果与分析

把瓦斯检测系统置于温度为25℃、相对湿度为50%、瓦斯浓度为1%～10%的条件下，测试瓦斯气体的反应时间以及达到稳态所需要的时间，根据反应时间和稳态时间可以计算出系统误差。如表1所示。

表1 第一次实验响应时间及误差

由实验结果可知，基于AT89S52单片机瓦斯监测系统响应时间短，误差小，其最小误差为0.20%，最大误差为2.20%。能够满足煤矿井下实际生产需要。

5 总结

基于AT89S52单片机瓦斯监测系统采用性价比较高的AT89S52单片机作为硬件电路的核心，软件部分采用模块化设计。经实验测试，该煤矿瓦斯监测系统具有反应速度快、误差小、功耗低等特点，能够满足煤矿井下实际生产需要。

[1] 章宇东,郑文兴,王君等.基于单片机的煤矿瓦斯监测系统的研制[J] .电子制作,2013,(15):17-19.

[2] 陈佳立.基于单片机的瓦斯监测系统设计与实现[J] .煤炭技术,2013,(9):115-116.

[3] 王军敏,李宁,卞和营等.基于AT89S51和nRF905的无线瓦斯监测系统设计[J] .制造业自动化,2013,(18):55-57.

[4] 杨怀涛,赵道辉,黄国华等.综采工作面矿压在线监测系统的研究与应用[J] .煤矿现代化,2013,(6):47-48.