矿用瓦斯智能监测报警系统研究

杨帆

摘要：在我国，瓦斯爆炸始终制约着我国煤炭行业的发展，因此对井下瓦斯浓度的实时检测，对保护井下矿工的安全有重大意义。所以急需开发一种便携式瓦斯浓度检测报警系统。本设计是基于MSP430F149单片机为核心的便携式瓦斯浓度检测装置，该仪器采用热催化甲烷检测传感器为敏感元件，主要利用这种瓦斯检测报警系统测量井下空气中瓦斯浓度。仪器由单片机、敏感元件、放大电路、显示电路、报警电路等组成。

本设计的主要控制过程：放大电路把放大了的电压模拟信号输入MSP430F149单片机的模数转换通道中，单片机将电压模拟信号变为数字信号，该信号是瓦斯浓度相对应的电压信号，经过软件程序处理后，输出显示实时瓦斯浓度，瓦斯浓度超过上限单片机发出声光报警信号给报警电路。该仪器具备低功耗，高精度;结构简单，低成本，经久耐用适合中小型煤矿井下瓦斯浓度检测，极大保障了井下工作人员安全。研究结果表明，本次设计的便携式瓦斯浓度检测报警系统，可以测量的瓦斯浓度范围为0.5-4.0%。该结果与参考传感器MJC4的文献资料基本吻合，达到了设计的要求。

关键词：传感器;阈值;报警电路

1 绪 论

煤矿生产过程中，对矿工生命安全以及矿井安全威胁最大的就是矿井瓦斯。对矿井下的瓦斯浓度进行有效的检测并且能够及时给予矿工以起到报警的作用，可以尽可能避免瓦斯事故对矿井安全生产造成的损害。但是目前我国煤矿生产过程中的安全管理以及瓦斯浓度检测能力整体仍旧处于较低水平，由瓦斯超标导致的安全生产事故数量依旧居高不下。瓦斯爆炸成为了煤炭安全生产事故的主要灾害，为了切实保障煤炭的安全开采和生产人员的生命安全，开展煤炭瓦斯检测工作成为了煤炭开采行业的首要工作，开发便携的智能的瓦斯报警系统已经显得非常必要。

本设计的主要的内容和需求是设计一种基于单片机的便携式瓦斯检测报警系统，是一种基于MCU的便携式瓦斯浓度检测装置，该装置可以由井下矿工随身携带、随时测量瓦斯浓度的仪器。一旦井下检测到的瓦斯浓度超过即将引起瓦斯爆炸的上限时，该检测装置会发出声光报警信息，提醒井下工作人员立即撤离井下工作环境，提高煤矿井下作业人员的安全和财产安全。

2 系统总体方案设计

随着电子技术，传感器检测技术和单片机技术的迅速发展，使利用高性能的单片机及外围芯片检测瓦斯浓度得以成功进行，为开发新一代瓦斯检测装置提供了条件。本次设计的便携式瓦斯浓度检测装置主要部件有气体传感器，单片机MSP430F149，SMC1602A显示电路，声光报警电路，键盘输入电路，电源电路和其他附属电路组成。

便携式瓦斯检测报警系统包括信号处理电路、LCD显示电路、声光报警电路、电源电路。检测装置最为重要的是传感器，它与井下的瓦斯环境直接接触，将瓦斯浓度的模拟电量信号转换成数字电量信号，经放大电路放大后，输送给控制器，进行比对显示，并做出是否发出声光报警的判断。

矿用瓦斯检测报警系统主要为了降低井下瓦斯事故的发生率。本设计是基于MSP430F149单片机为核心的便携式瓦斯浓度检测装置，该仪器采用热催化甲烷检测传感器为敏感元件，主要利用这种瓦斯检测报警系统测量井下空气中瓦斯浓度。仪器由单片机、敏感元件、放大电路、显示电路、报警电路等组成。基于MSP430F149单片机的矿用瓦斯检测报警系统可以很好解决瓦斯信息管理问题，使矿用瓦斯检测报警信息管理可以开发出最大价值。

3 硬件电路设计

MSP430系列单片机是Texas Instruments（TI）采用先进的半导体技术和集成电路设计技术开发的16位高性能的混合信号处理器。该单片机广泛应用于测量类的仪器的开发，超高的性价比和丰富的产品为各种用户提供了多样的解决方案。作为全球化半导体设计与制造的领导者，TI生产的MSP430，极大方便了系统设计人员。

灵活的时钟系统设计。MSP430可自由选择主系统时钟（MCLK）的来源，即可以选择内部的DCO，也可以选择外部的晶振。MSP430单片机接口电路，可以连接一个32768Hz的低速晶体和一个高速晶体。MCU的系统时钟和各个系统内部外设，可自由设置和选择所需要的时钟，如还不满足情况，还可以选择多种形式的分频，再进行设置。时钟的选择都有相应的控制器，都可以通过软件进行打开和关闭。该单片机而可以具体到每一个功能所需的时钟，尽可能减小系统的总体功耗。

方便高效的开发环境 MSP430非常适合工程技术人员开发，目前比较流行的开发环境有IAR、CCS等，这两种IDE具有高效的编译效率，使用C语言开发，程序还具有移植性。这种方法只要一台个人电脑和一个开发测试板，便可以进行系统开发。

MSP430单片机有多种型号，可供用户的选择很多。MSP430单片机的电源电压和51传统的51单片机的5v电压不同，它的是3.3伏，非常的省电。它本身具有一种活跃模式（AM）和5种低功耗模式（LMP0到LMP4），在系统工作时，可以根据工作情况的不同选择不同的工作模式，减少功耗。本单片机处理模拟信号时非常迅速，由于其拥有高性能的12位AD转换功能，比8位单片机要快很多。并且其拥有超高的性价比，更适合开发井下瓦斯浓度检测装置。

4 软件设计

本课题在软件程序设计过程中包含控制器功能的初始化，各个外围器件的初始化，1602显示程序、AD采集和处理程序、声光报警程序等。

本设计采用IAR 的IDE对MSP430编程。这款编程软件操作方便的，在进行程序设计时，将各个功能进行模块化设计，调用各个子程序，这样的设计使得在编写调试过程中比较方便快捷，易于修改各个模块，而不需要对整个程序进行修改。

ADC12的特点主要包括：软件选择片上参考电压有1.5V或2.5V;16个转换结果存储寄存器;转换通道可以选择内部的温度传感器，内部模拟电压或者外部的参考电压;可以自由选择模拟通道的转换时钟;ADC的内核参考电压源可以分别被关闭，可以降低功耗;转换初始化可以有软件，定时器A或定时器B触发。

5 实验数据与分析

随着科学技术的飞速发展，对能源和资源的使用也越来越多，煤炭作为主要的能源之一，已成为人类生产生活不可分割的一部分。煤矿的正常生产主要依靠电力供应，而且电压等级越来越高，矿井的产煤效率越高。煤矿生产必须安全可靠，尽可能避免任何环节发生任何的安全事故，必须慎之又慎，把安全生产放到第一位。井下的生产情况严峻，自然条件恶劣，尤其应该保证人身和设备的安全。近几年人类在单片机技术领域的突破以及全球通信网络的持续快速建设，大容量大带宽的信息高速公路为各行各业的信息交流提供了可靠便利的基础服务。

瓦斯检测在使用过程中，能够对瓦斯浓度做出液晶显示，浓度超过上限时会发出声光报警。但本设计还不够完善，本设计选用的瓦斯浓度传感器只能在低浓度下，电压和瓦斯浓度呈现线性关系，应选择测量范围更大，寿命更长，反应更灵敏、受环境影响更小的传感器。还可以添加无线模块，将井下瓦斯浓度实时传回井上，方便井上工作人员了解井下实际情况。进一步加强井下工作的安全。

本设计基本实现检测瓦斯浓度的要求，该仪器可以方便井下工作人员及时了解井下瓦斯的浓度，减少了因煤矿使用环境及安装走线的复杂性而带来的困扰。本设计工作安全，价格低廉。使用非常方便，简单可靠，提高了井下的安全检测水平。

参考文献：

[1] 吴海波，施式亮，念其锋.基于Isomap+SVR的瓦斯浓度预测方法[J].矿业工程研究，2019，34（02）：51-54.

[2] 周海亮.瓦斯監控系统在煤矿的应用探讨[J].当代化工研究，2019（05）：12-13.

[3] 程树斌.基于PLC的瓦斯监控系统研究[J].石化技术，2019，26（04）：32+39.

（作者单位：河北科技学院）