基于單片機的智能煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

1、基于單片機的智能煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計王春梅（臨沂師范學(xué)院 信息學(xué)院 山東臨沂 27605）摘要：為解決我國中小型煤礦存在的安全隱患問題，及時準(zhǔn)確的檢測瓦斯含量，提出了基于單片機的智能煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)；設(shè)計了智能瓦斯傳感器系統(tǒng)，并采用微型計算機處理技術(shù)，提出了一種獨特的、簡便易行的軟硬件設(shè)計方法；該系統(tǒng)減少了硬件電路的復(fù)雜程度以及不必要的人工操作，提高了系統(tǒng)工作的可靠性，降低了煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)成本，可適應(yīng)中小型煤礦的要求；經(jīng)過臨沂礦務(wù)局在棗莊一施工基地實驗及不斷調(diào)試證明，該系統(tǒng)具有可靠性高、功能強以及經(jīng)濟適用等特點。關(guān)鍵詞：瓦斯爆炸；傳感器；智能；單片機；design of the intel

2、ligent monitoring system for coal gas base on chip microcomputerwang chunmei（dept, of information，linyi normal university linyi 276005, china）abstract：according to question existing in chinas small and medium-size coal mine, anintelligent monitoring design based on single chip microcomputer is propo

3、sed. the intelligent gas sensor system is designed,and used micro-computer prosessing technology,an unique designing method of hardware and software is persented. the system reduced unnecessary manual operations and the complexity of the hardware circuitry.this design improved the reliability of the

4、 system,reduced the cost of coal mine,can meet the low-cost, low-input small coal demand. the successive debug experiments proved that this system is characterized by high reliability, capable control function. it has a bright prospect for development and application.key words: gas explosion; sensor

5、; intelligent; single-chip computer0 引言 在我國煤礦安全事故中，瓦斯爆炸造成的傷亡人數(shù)占所有重大事故傷亡人數(shù)的70%以上，成為實現(xiàn)安全生產(chǎn)的最大障礙，及時準(zhǔn)確的檢測瓦斯含量，在安全生產(chǎn)中具有重大的意義。為了適應(yīng)現(xiàn)代化社會煤礦安全的要求，針對我國中小型煤礦特別是小型煤礦存在的隱患問題，現(xiàn)代化的、小型的、價格低廉的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)的研制勢在必行，它的研制在煤礦安全方面具有舉足輕重的作用，所以設(shè)計一種低成本煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)是適應(yīng)我國許多中小型煤礦的需求的。1 總體方案的選定對于本課題所要選用的傳感器系統(tǒng)而言，其基本出發(fā)點就是利用現(xiàn)有工藝條件，采用微型計算機處理技

6、術(shù)，提高傳感器精度等級和工作穩(wěn)定性，拓展其功能，并賦予其智能化特征，使傳感器不僅能夠及時準(zhǔn)確的檢測瓦斯含量，同時盡可減少不必要的人工操作，提高工作效率。因此，整個傳感器系統(tǒng)總體設(shè)計方案的確定要圍繞優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計這個原則，盡量的減少硬件電路的復(fù)雜程度，發(fā)揮計算機處理功能強大的優(yōu)勢，提高系統(tǒng)工作的可靠性。有鑒于此，同時根據(jù)系統(tǒng)要求確定該系統(tǒng)總體設(shè)計方案。如圖1所示。 按照上述功能，系統(tǒng)采用上、下位主從結(jié)構(gòu)設(shè)計。由載體催化元件組成的檢測電路輸出的電壓信號，經(jīng)放大和a/d變化轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的數(shù)字量，并行輸入至微控制器，微控制器根據(jù)存在存儲在rom中的數(shù)據(jù)進行智能化信號處理，獲得較高精度的測量結(jié)果，送數(shù)碼管顯

7、示，如果瓦斯超限，發(fā)出聲光報警提示。 系統(tǒng)設(shè)有看門狗電路，當(dāng)電源干擾等原因造成系統(tǒng)故障時，看門狗電路啟動，系統(tǒng)能自動恢復(fù)運行，可提高系統(tǒng)避錯、容錯能力，增加系統(tǒng)的可靠性。2瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計2.1 cpu 模塊設(shè)計-at89s8252單片機的結(jié)構(gòu)及原理簡介at89s8252是一種低功耗、高性能cmos8位微控制器，具有8k在系統(tǒng)可編程flash 存儲器。使用atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80c51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位cpu和在系統(tǒng)可編程flash，使得at89s8252為眾多嵌入式控

8、制應(yīng)用系統(tǒng)提供高度靈活、超有效的解決方案。at89s8252具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)flash，256字節(jié)ram，32位i/o口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，三個16位定時器/計算器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，at89s8252可降至0hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，cpu停止工作，允許ram、定時器/計算器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，ram內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。2.2智能瓦斯傳感器的設(shè)計傳感元件位于傳感器系統(tǒng)之首，被測瓦斯含量由它轉(zhuǎn)換為電信號才能供給電路處理，因

9、此它的性能對傳感器系統(tǒng)有很大的影響。在選用傳感元件時，一是測量精度高；二是工作可靠；三是工作條件能適應(yīng)惡劣環(huán)境的要求，最重要的是應(yīng)具有防爆功能。通過慎重調(diào)研對比，最后選用了中國船舶重工業(yè)集團公司生產(chǎn)的lxk-2新型載體催化元件，其優(yōu)于傳統(tǒng)的催化元件，在響應(yīng)特性、長期存儲特性、溫度特性和長期穩(wěn)定性方面，都有了明顯的改進。載體催化元件由一個帶催化劑敏感元件的（俗稱黑元件）和一個不帶催化劑的補償元件（俗稱白元件）構(gòu)成，兩個元件的結(jié)構(gòu)和尺寸均相同，催化元件最里層是鉑絲線圈，外面是載體和催化劑形成的催化外殼。鉑絲線圈用于電加熱催化外殼維持瓦斯催化燃燒反應(yīng)所需的溫度同時又兼作感溫元件。檢測在催化反應(yīng)中催化

10、外殼溫度的變化。催化反應(yīng)方程式為：催化反應(yīng)過程中無焰燃燒放出熱量，增加了敏感元件鉑絲的電阻值，通過圖3所示惠斯通電橋測量的電路可以測量其載體催化元件電阻變化量，圖中是敏感元件，為補償元件，將和至于同一測量氣室中，由穩(wěn)壓源或恒流源供電，在無瓦斯的新鮮空氣中=調(diào)整電橋使之平衡，信號輸出端電壓當(dāng)瓦斯進入氣室，在敏感元件表面發(fā)生無焰催化燃燒阻值隨溫度上升而增加為+，而補償元件阻值不變從而電橋失去平衡。當(dāng)采用恒壓源供電時，輸出不平衡電壓為：設(shè)則：1顯然電橋輸出電壓取決于敏感元件的阻值變化量對于鉑絲元件其電阻變化量可用下式表示式中, 鉑絲的電阻溫度系數(shù)=3.948510-3/為瓦斯燃燒熱量為敏感元件熱容量

11、；為瓦斯擴散系數(shù)為瓦斯分子燃燒熱為鉑絲0時的阻值其中、與敏感元件的材料、性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、尺寸有關(guān)，擴散系數(shù)和瓦斯分子燃燒熱都是常數(shù)，可用一個常數(shù)代表這些因素，因而上式可寫為：則即電橋輸出電壓與瓦斯?jié)舛瘸收?。系統(tǒng)通過實時監(jiān)測從檢測電路采集來的瓦斯?jié)舛刃畔⒉⒃陲@示電路中顯示相應(yīng)的信息，當(dāng)瓦斯?jié)舛冗^大時就會發(fā)出警報。瓦斯信息的采集又通過由a/d轉(zhuǎn)換電路來傳給單片機，實現(xiàn)實時的監(jiān)控功能。通過單片機控制各部分實現(xiàn)其相應(yīng)的功能，系統(tǒng)的總電路圖如圖4所示。3 系統(tǒng)軟件設(shè)計軟件設(shè)計是智能化測量控制儀設(shè)計的主要內(nèi)容和重點。該系統(tǒng)可以上下位機同時實施監(jiān)測，上位pc機用vb可視化界面實施監(jiān)測，下位單片機用led液晶顯

12、示器監(jiān)測，這樣可以更有效地預(yù)防瓦斯爆炸事故的發(fā)生，減少人員傷亡和財產(chǎn)的損失。為了使設(shè)計出來的軟件功能明確閱讀調(diào)試方便，健壯性、可靠性好，我們一般采用機構(gòu)化的程序設(shè)計方法。結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計包括三個方面的工作：自頂向下的設(shè)計、模塊化的編程和結(jié)構(gòu)化編程，除此之外，有時還需要加強軟件抗干擾設(shè)計，以提高程序的可靠性。3.1智能監(jiān)控系統(tǒng)下位機的軟件框架整個下位機系統(tǒng)的軟件框架構(gòu)建如圖5所示3.2整個下位機系統(tǒng)的軟件主程序主程序的功能是：開機以后，首先進行初始化，包括智能芯片有關(guān)變量的初始化，單片機相關(guān)的寄存器以及i/o口初始化等。同時負責(zé)管理和調(diào)用各個子程序。為保證下位機響應(yīng)上位機呼叫的實時性，串行通信采用中斷方式進行數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取采取查詢方式。設(shè)計主程序流程圖如圖6所示。4 結(jié)論本文在大量研究目前煤礦監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了適合中小型煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計并實現(xiàn)了該系統(tǒng)。在設(shè)計完成之后，進行了系統(tǒng)中主要功能的試驗驗證，證明智能數(shù)據(jù)采集終端可以正確采集開關(guān)量和模擬量，可以在模擬量超限時報警和斷電；作為上位機的pc機可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、曲線繪制和報警的功能。實驗證明，該系統(tǒng)在監(jiān)控準(zhǔn)確性及可實用性方面都有較大的優(yōu)勢。參考文獻1錢春麗，張興敢。用于礦井環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò) j。電子技術(shù)應(yīng)用，