基于單片機(jī)的瓦斯檢測(cè)報(bào)警儀的研究和設(shè)計(jì)

摘要：基于單片機(jī)的瓦斯檢測(cè)報(bào)警儀是特殊的數(shù)字式的電子類瓦斯測(cè)量?jī)x。它可以全程檢測(cè)并記錄礦井中的數(shù)據(jù)，并通過對(duì)所記錄的瓦斯信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，精確監(jiān)控礦井中的各種狀況。根據(jù)目前瓦斯檢測(cè)報(bào)警儀的研究現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)并研發(fā)了一種全新的基于51單片機(jī)的瓦斯檢測(cè)報(bào)警儀。

關(guān)鍵詞：瓦斯監(jiān)測(cè)報(bào)警儀 單片機(jī) 數(shù)碼管

中圖分類號(hào)：TD712.55 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）10-0193-01

1 基于單片機(jī)的瓦斯檢測(cè)報(bào)警儀的研究現(xiàn)狀及意義

1.1 瓦斯監(jiān)測(cè)報(bào)警儀的研究背景

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人民生活水平的普遍提高，社會(huì)對(duì)煤炭產(chǎn)業(yè)的依賴越來越大，但是煤礦事故也隨之的頻繁的發(fā)生，這是煤炭產(chǎn)業(yè)的一個(gè)不可忽視的問題。瓦斯監(jiān)測(cè)報(bào)警儀是19世紀(jì)60年代之后才率先出現(xiàn)在歐洲并得以廣泛應(yīng)用及推廣，通過對(duì)瓦斯監(jiān)測(cè)報(bào)警儀采取到的種種信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而可對(duì)煤礦的安全環(huán)境給予精準(zhǔn)的掌控，從而有助于管理部門監(jiān)控煤礦的生產(chǎn)環(huán)境。如果瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)則會(huì)在瓦斯監(jiān)測(cè)報(bào)警儀上記錄下相關(guān)數(shù)據(jù)信息，為有關(guān)部門針對(duì)煤礦事故的處理提供真實(shí)、準(zhǔn)確的科學(xué)依據(jù)。同時(shí)，這給煤礦企業(yè)采用科學(xué)的管理方式和給礦工的人生安全提供了相應(yīng)的保障。瓦斯監(jiān)測(cè)報(bào)警儀的使用可以對(duì)煤礦中溫度，瓦斯?jié)舛鹊刃畔⒌倪M(jìn)行預(yù)警、給管理人員的管理和決策提供數(shù)據(jù)參考，保障煤炭產(chǎn)業(yè)正常運(yùn)轉(zhuǎn)和規(guī)范化煤礦產(chǎn)業(yè)。

瓦斯檢測(cè)報(bào)警儀能增加礦工自身安全，另外檢測(cè)儀還具有容易配置、攜帶便利的特點(diǎn)，它的市場(chǎng)廣闊。

1.2 瓦斯檢測(cè)報(bào)警儀研究現(xiàn)狀

因?yàn)榘踩珶舻脑O(shè)計(jì)原理簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定性強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，在煤礦產(chǎn)業(yè)中一直被廣泛使用。進(jìn)入21世紀(jì)后新材料的不斷發(fā)現(xiàn)，單片機(jī)技術(shù)的不斷革新，性能的不斷提高。瓦斯檢測(cè)報(bào)警儀逐步向智能化，高精度的方向發(fā)展。

目前瓦斯檢測(cè)儀器向智能化，自動(dòng)化方面轉(zhuǎn)換?；趩纹瑱C(jī)的瓦斯檢測(cè)儀主要依據(jù)是單片機(jī)為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)的，傳感器設(shè)計(jì)的智能煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)速度快，低功耗、多功能、集成化方向的發(fā)展，單片機(jī)具有受集成限制，片內(nèi)存儲(chǔ)存量較小，可靠性好，擴(kuò)展簡(jiǎn)單，控制功能強(qiáng)等特點(diǎn)，因此，基于單片機(jī)的智能煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究和開發(fā)生產(chǎn)具有十分廣泛的現(xiàn)實(shí)市場(chǎng)和潛在的市場(chǎng)[1]。因?yàn)楣I(yè)生產(chǎn)工藝提高，科學(xué)技術(shù)的更新，單片機(jī)的功能更加豐富，成本也逐步降低。隨之瓦斯檢測(cè)報(bào)警儀的性能越來越好。

1.3 課題的研究意義

本次設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)瓦斯檢測(cè)報(bào)警儀器能夠是現(xiàn)在各種環(huán)境下正常運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦中瓦斯的濃度、溫度的準(zhǔn)確測(cè)量，同時(shí)儀器還增加了聲光報(bào)警功能。當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸^警報(bào)值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)的發(fā)出報(bào)警聲音，提示管理人員及時(shí)的作出處理，避免一些危險(xiǎn)的后果出現(xiàn)。同時(shí)，本次設(shè)計(jì)中加入了數(shù)碼管顯示器，使整個(gè)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)的顯示當(dāng)前的各種數(shù)據(jù)信息，方便駕駛員進(jìn)行觀察和根據(jù)數(shù)據(jù)做出合適的處理。

2 基于單片機(jī)的瓦斯檢測(cè)報(bào)警儀的總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求如下：能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控并記錄工作中瓦斯?jié)舛鹊闹岛蜏囟戎?；能夠顯示瓦斯?jié)舛鹊燃?jí)功能；能夠設(shè)置瓦斯?jié)舛群透邷貓?bào)警值；具有超越上限觸發(fā)報(bào)警的性能；具有能夠?qū)崿F(xiàn)手動(dòng)報(bào)警和解除報(bào)警的功能。

2.2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

2.2.1 儀器的功能要求及技術(shù)性能指標(biāo)

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 13486--2014《瓦斯檢測(cè)監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)》的要求，傳感器是各類檢測(cè)儀器和監(jiān)測(cè)設(shè)備的主要部件，其性能的好壞直接影響到儀器的技術(shù)指標(biāo)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性[2]，基于單片機(jī)的瓦斯監(jiān)測(cè)報(bào)警儀的性能應(yīng)該滿足如下幾個(gè)方面的要求。

（1）電氣性能要求：報(bào)警儀的供電系統(tǒng)一般為普通的蓄電池，由于瓦斯?jié)舛鹊牡母淖儯瑘?bào)警儀供電系統(tǒng)的輸出電壓會(huì)出現(xiàn)一定范圍的波動(dòng)；而且隨著降壓電源使用壽命和工作狀態(tài)等的不同，其輸出電壓通常都會(huì)有一定幅度的波動(dòng)，進(jìn)而影響到整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的供電電壓。對(duì)此，依托國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)GB 13486--2014規(guī)定瓦斯檢測(cè)報(bào)警儀可以在適度范圍內(nèi)失準(zhǔn)視為正確的工作狀態(tài)。

（2）數(shù)據(jù)安全性：瓦斯監(jiān)測(cè)報(bào)警儀應(yīng)保護(hù)數(shù)據(jù)被不會(huì)更改或刪除，因此可以在瓦斯監(jiān)測(cè)報(bào)警儀硬件和軟件系統(tǒng)這兩個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)：

硬件上，應(yīng)該在瓦斯監(jiān)測(cè)報(bào)警儀的主機(jī)上或著其它合適的地方采用可靠安全防護(hù)措施（如鉛封）杜絕數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器等重要元器件被更換的可能。

軟件上，瓦斯監(jiān)測(cè)儀主機(jī)內(nèi)有關(guān)采集到的原始數(shù)據(jù)不能夠?qū)崿F(xiàn)通過外部操作來實(shí)現(xiàn)任何數(shù)據(jù)的改動(dòng)或刪除。

（3）電器環(huán)境適應(yīng)性：報(bào)警儀中的瓦斯檢測(cè)傳感器（Q-5）在工作的時(shí)候發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。催化元件大部分采用鈀催化劑，它可降低可燃?xì)怏w和氧氣發(fā)生氧化還原反應(yīng)的活化能，但是對(duì)環(huán)境有一定要求[3]。瓦斯監(jiān)測(cè)報(bào)警儀在經(jīng)受不同的氣候環(huán)境檢測(cè)試驗(yàn)后，應(yīng)該具有無任何電氣故障，機(jī)殼、接口等方面不應(yīng)有較為嚴(yán)重物理變形；其記錄功能、顯示功能等應(yīng)該繼續(xù)保持正常共組；在試驗(yàn)中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不應(yīng)該出現(xiàn)丟失或變動(dòng)情形。

（4）機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性：瓦斯檢測(cè)報(bào)警儀在經(jīng)受各種機(jī)械環(huán)境試驗(yàn)后，應(yīng)該無永久性結(jié)構(gòu)變形，元器件應(yīng)無物理損壞，儀器應(yīng)該無電氣故障，儀器的固定部分應(yīng)該牢固，接口、插頭等部件之間數(shù)據(jù)通信良好；瓦斯檢測(cè)儀器的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)功能、信息顯示功能等應(yīng)保持正常運(yùn)行；試驗(yàn)前存儲(chǔ)的重要信息不應(yīng)具有損壞或清空現(xiàn)象。

2.2.2 主板的功能與設(shè)計(jì)

主板：包括有中央處理器（STA89S52）、信息采集裝置、信息存儲(chǔ)裝置、ADC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片、DS18B20溫度傳感器，數(shù)據(jù)通信接口及供電裝置等。

主板以AT89S52作為主處理器。數(shù)據(jù)采集模塊采用SPI總線的方式與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。獲取環(huán)境中的瓦斯氣體信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換、濾波后，傳輸?shù)綌?shù)據(jù)總線中，單片機(jī)利用其外部中斷對(duì)獲得的實(shí)時(shí)的氣態(tài)信號(hào)進(jìn)行處理，進(jìn)而得到空氣中瓦斯的濃度和溫度等信息。

“看門狗”復(fù)位裝置具有保護(hù)作用，可以防止單片機(jī)受到外界干擾導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，系統(tǒng)掉電保護(hù)裝置具有防止供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障造成數(shù)據(jù)的丟失，整個(gè)主機(jī)部分的整體設(shè)計(jì)采用了高性能和安全系數(shù)高、實(shí)用的設(shè)計(jì)思想理念。

面板上含有人際互動(dòng)的特性。其中包括led燈、電源按鍵、獨(dú)立按鍵，數(shù)碼管和蜂鳴器。

參考文獻(xiàn)

[1]楊麗娜，張麗蓉.礦井瓦斯的數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].北京：煤礦機(jī)械出版社，2009.

[2]王大勇.煤礦瓦斯超標(biāo)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].遼寧技術(shù)工程大學(xué).2012.

[3]李華.MCS一51系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù)[M].北京航空航天大學(xué)出版社.2004.

收稿日期：2016-09-19

作者簡(jiǎn)介：丁玲玲（1977—），女，漢族，山東濰坊人，中國(guó)海洋大學(xué)碩士，淄博職業(yè)學(xué)院，講師，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。