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引言 當前，隨著采礦技術的不斷發展，井下作業的安全越來越有保障，但是仍然有許多采礦企業的機械化程度低，對現場采礦的工作人員的生命安全造成潛在 的威脅，特別是針對瓦斯氣體的檢測和報警仍舊存在隱患，每年由于瓦斯泄露造成的特大事故依然很多。瓦斯是在成煤過程中形成并大量儲存與煤層之中的氣體，是 煤礦井下危害最大的氣體。瓦斯是一種無色無味的氣體，主要成份是甲烷（CH4），密度為0.716kg/ m3，對人體的危害是超時限能引起人窒息死亡。在地下采礦時候，井內常常會泄露一定量的CH4、CO和SO2等氣體，后一種含量少，切易溶于水。經煤礦開 采時的噴水處理后變成酸。但前兩種氣體含量多，且幾乎不容于水，屬于易燃易爆氣體。 由于瓦斯氣體本身的危險性和對人民生產生活造成的巨大危害，因此對瓦斯氣體的檢測和報警是一項必要的工作。瓦斯報警是指利用氣體傳感器技術，將 檢測到的瓦斯氣體濃度和標準值進行比較，當高過一定濃度值時候進行相應的聲光報警，提醒正在作業的人員進行相應的處理，組織人員撤離或對礦井通風排氣，避 免不安全事故的發生，對現在采礦業的安全起著非常重要的作用。筆者所設計一種低成本的可燃性氣體報警器設計，能夠監控礦井的瓦斯氣體的濃度，顯示測量結 果，并對當前的環境狀態做出判斷，發出報警信息。 系統功能設計 系統設計 本設計的瓦斯氣體報警器由六個部分組成：傳感器、LCD顯示器、聲光報警器、控制電路、A/D轉換和電源模塊，傳感器部分采用的氣體傳感器能感 知環境中某種氣體并將與氣體種類和濃度有關的信息轉換成電信號。這種電信號是連續變化的模擬信號需要經過A/D轉換將其轉化離散的數字信號。控制電路以單 片機為核心，能夠對采集的數字信號進行處理和判斷，運用一定的算法計算出待檢測氣體成分及濃度并送到LCD顯示器顯示出來。當檢測氣體濃度超出設定報警閥 值時給出聲光報警。本系統可以對檢測的數據和設定的閥值參數進行存儲并自備電源。系統框圖如圖1所示。
根據使用環境對產品設計的便攜型要求，控制電路的核心元件采用了AT89LV51低電壓單片機，傳感器采用MQ5氣體傳感器，為減少單片機端口 的占用和進一步擴展其它功能A/D轉換部分采用TI公司的TLC1543，LCD顯示采用的是dm12232f，A/D轉換和LCD都是通過串行方式與單 片機相連接，聲光報警器電路使用的是蜂鳴器和發光二極管進行報警，這種設計可以滿足不同場合的應用，測試結果穩定可靠，10位TLC1543的A/D轉換 芯片能夠滿足系統測量的精度要求。系統電路如圖2所示。
系統采用AT89LV51單片機作為控制部分的核心，AT89LV51是ATMEL公司生產的低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內含4K bytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和128bytes的隨機存儲器（RAM），兼容標準MCS－51指令系統，片內置通用8位中央處 理器（CPU）和Flash存儲單元，AT89LV51可在2.7～6.0V電源電壓下工作。A/D轉換部分的核心器件TLC1543有三個控制輸入端 CS、I/O CLOCK、ADDRESS和一個數據輸出端DATA OUT遵循串行外設接口SPI協議。51系列單片機未內置SPI接口，但通過軟件模擬SPI協議即可。硬件方面將TLC1543的CS、I/O CLOCK、ADDRESS、DATA OUT、EOC五個端口與AT89LV51的5個I/O口相連接。報警模塊單獨采用了蜂鳴器作為聲音報警裝置，提醒使用人員當前的氣體濃度已經超過了警戒 線，應該立即停止工作，進行相應的處理，避免危險發生。它和液晶顯示器的配合使用，可以有效地提醒工作人員身邊的工作環境，幫助工作人員提高安全警惕。在 報警模塊的電路中當P0.7口的電平是低電平時候，三極管截止；當P0.7口電平為高時候，三極管導通，蜂鳴器產生報警聲音。 本設計中，由于瓦斯氣體的主要成分是甲烷，所以氣體傳感器采用的是MQ-5，它適用于家庭或工業上對液化氣，甲烷（天然氣），煤氣的監測裝置。 它具有優良的抗乙醇，煙霧干擾能力，具有對液化氣，天然氣，城市煤氣有較好的靈敏度；對乙醇，煙霧幾乎不響應； 快速的響應恢復特性；長期的使用壽命和可靠的穩定性；簡單的測試電路等優點。其結構和外形如圖3所示。
MQ-5氣敏元件的結構和外形如圖3所示(結構A或B),由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感層,測量電極和加熱器構成的敏感元件固定在塑料 或不銹鋼制成的腔體內，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。封裝好的氣敏元件有6只針狀管腳，其中4個用于信號取出，2個用于提供加熱電流。 設計中MQ-5的接線如圖4所示，在實際的測量中，可以按照其等效電路來計算相應的校正數值，其中Ro表示的是測量氣體在腔體內的等效電 阻，RL是外接負載電阻，用來調整輸出的模擬量電壓范圍，具體數值應根據A/D轉換器的輸入范圍來確定，在TLC1543的輸入范圍是0～5V，這樣RL 可調整至該范圍，保證測量的量程足夠用。
氣體測試結果計算 對于傳感器的調整參數計算，可按照表1步驟并結合該傳感器的特性表進行調整。
表1甲烷測試計算 
在靈敏度調整過程中，由于MQ-5型氣敏元件對不同種類，不同濃度的氣體有不同的電阻值。因此，在使用此類型氣敏元件時，靈敏度的調整是很重要的，建議用1000ppm異丁烷或氫氣校準傳感器。 本設計考慮攜帶方便，而且實用的報警器，成品可以很方便的嵌入在礦燈內部，設計成本廉價。基于單片機礦燈用的智能瓦斯報警器設 計在硬件的選擇上留有空間，在增加相關硬件同時，軟件部分只需改動很少的部分就可實現其它功能，使系統功能更加完善。A/D轉換器是11通道的，可以擴展 其他傳感器，如礦井內的溫度和濕度進行監測的傳感器。并且系統可以擴展無線發射模塊，將檢測的信息及時地發到安全控制中心，在配合其它礦井內的安全監控設 備更好的確保井下作業的安全。 參考文獻： [1] 鄭義,陳俊.用AT89C52和TLC1543實現數據采集系統.電子世界,2004.12:24-25 |
