基于矿井瓦斯检测系统的设计

谌 婕，闫泽宇

（西安石油大学电子工程学院，陕西 西安 710065）

关键字：STC89C52单片机；CO浓度；温度；报警

由于经济的快速发展，对瓦斯的需求量不断增高，对瓦斯的含量也有了更高的要求。但是，在实际生产中，我国每年都有近万人死于矿难事故。引起矿难的种类繁多，大部分是由瓦斯引起的。瓦斯是由多种易燃易爆气体组合而成的，其中CO气体的含量最高[1]。它的含量和伤亡率成正比，在适宜的范围内才能进行安全的采矿。它的浓度也不能过高和过低，过高会出现缺氧等状况[2]。因此，只有精准的检测瓦斯的含量，才能降低矿难死亡率。本设计以STC89C52的硬件电路为核心，对CO气体浓度、温度的实时监测，完成硬件电路和软件的程序设计[3]。根据无线传输技术，实现矿井瓦斯检测系统的智能化。

1 系统的方案设计

系统的方案设计图如图1所示。本设计的硬件电路设计是以单片机STC89C52为核心，并且结合了一些外围元件。例如：一氧化碳传感器、AD转换器、温度传感器、LCD液晶显示器、无线传输模块、报警模块等组成。先进行CO的采集工作，把采集到的气体进行转换，然后输送到单片机，单片机经过数据总线进行读取工作，经过无线传输模块进行发射接收程序，最后通过显示屏显示。

图1 系统的方案设计图

2 矿井瓦斯检测系统硬件电路的设计

本设计是基于矿井瓦斯的检测，硬件电路的设计以单片机STC89C52为核心和多个外围电路模块组成。其中外围电路模块包括电源电路模块、显示电路模块、报警电路模块、温度采集电路模块、瓦斯气体采集电路模块、无线传输电路模块等组成。STC89C52功能强大，不仅可以进行中断，还可以进行在线的编程，能够实现复杂的系统设计。

2.1 单片机的最小系统

单片机的最小系统图如图2所示。晶振电路主要是由振体、电容、与非门组成，这里的电容均为22PF，主要为了降低功耗。在复位电路中，当开关未按下时，电容正在充电，因此RST脚上的电压与VCC相同。随着电容的充电，RST脚上的电压才慢慢下降。

图2 单片机的最小系统图

2.2 矿井瓦斯检测系统的外围电路

电源在电路中起着至关重要的作用。本设计采用的是AMS1117-3.3，电路最高的工作电压为5V，最低的工作电压为3.3V。通过调节输出级阻抗大小来调整压降，维持电压的稳定。LCD1602液晶显示器的工作电压一般在4.5～5.5V，在5V的工作电压下，工作电流为2MA。通过调节变阻器来改变电压的大小，从而改变它显示的频率。在报警电路中，由于单片机本身I／O的的驱动能力并不高，所以对蜂鸣器的驱动需要加入一个PNP三极管。三极管通过连接单片机引脚，根据与非门输出电平来决定三极管的通断，使蜂鸣器的电流形成回路进行报警。

温度传感器采用的是DS18B20，外部端口一般接3.0～5.5V的工作电压。温度采集时，温度的振荡频率与温度的高低成正比，并且根据温度的位数来判断分辨率，还能实现双向通讯的功能。无线传输电路采用的是NRF24L01，工作于2.4～2.5 GHz ISM频段，分为两种工作模式，发射模式和接收模式。当处于发射模式时，将接收的数据写入缓存区，根据引脚处于高低电平的状态决定是否延迟发射数据。当处于接收模式时，延迟时间储存接收数据，同时中断标志位并置高电平，IRQ变低，产生中断，通知MO去取数据，最后接收成功。

3 检测电路软件的设计

本设计通过简单的程序设计，完成对矿井瓦斯系统的实时检测。矿井瓦斯检测系统设计了主程序和相对应的子程序，可以调用子程序对系统进行控制。矿井瓦斯检测系统主程序图如图3所示。先是将变量全部初始化，之后开始采集需要采集的CO气体，然后进行AD转换，输送到单片机。模数的转变程序图如图4所示。主要是信号之间的转变，是为了把之前的电信号朝着数字模拟的方向转化，把采集的信息送入到寄存器中，把电信号转换为数字信号。

图3 矿井瓦斯检测系统主程序图

图4 模数的转变程序图

4 使用效果

系统整体的结构设计完成之后，就进行相应的调试。本设计是基于矿井瓦斯的检测，主要是用于CO浓度和温度的测量，先是把CO的浓度采集出来经过AD转换传送给单片机，当CO的浓度超过预设值时，系统就会报警，停止运行。再采集温度，通过AD转换传送到单片机中，当温度超过设定值时，系统报警，否则系统正常运行，根据这一原理进行实物的调试。为了系统能够正常的运行，安装调试必不可少，主要加强两个方面的工作，防爆性和准确性。

根据 “矿井生产规章”表明，瓦斯爆炸的最低极限为6%。当现场环境的瓦斯质量分数达到1%时，就立即停产，安排相应的工作人员迅速撤离。瓦斯质量分数达到2%，是该系统的安全因数所能达到的最大设定值。当瓦斯质量分数达到6%时，矿下可能已经发生爆炸，检测系统就失去价值。本设计正是基于以上的几点，采用无线传输技术，将采集的信息输送到单片机中，在单片机上设置4个按键，分别为K1、K2、K3、K4；K1是设置参数用的，K2为选择键，K3为调整数值上升键，K4调整数值减少键。根据采集的信息通过按键不断调整合适的参数，在液晶屏LCD上显示，显示屏最上面的是温度的测量数据，下面为浓度的测量数据。通过硬件的调试可以得到，使矿井下处于安全的环境中的温度警戒范围26～30℃，CO气体瓦斯质量分数警戒范围为2%～5%。

5 结语

矿井瓦斯检测系统的设计，始终贯穿安全第一的思想。根据无线传输技术和单片机相结合的方法测量矿井下的环境，通过数据显示，预测矿工能否下矿，大大减少了伤亡率，提高了经济收益，给现在社会带来极大的便利。对社会来讲，这一方案是非常有必要的。