基于单片机的瓦斯报警器设计

2009年05月12日 21:05    贾延安
关键词: 报警器 , 单片机 , 设计 , 瓦斯

引言

  当前,随着采矿技术的不断发展,井下作业的安全越来越有保障,但是仍然有许多采矿企业的机械化程度低,对现场采矿的工作人员的生命安全造成潜在 的威胁,特别是针对瓦斯气体的检测和报警仍旧存在隐患,每年由于瓦斯泄露造成的特大事故依然很多。瓦斯是在成煤过程中形成并大量储存与煤层之中的气体,是 煤矿井下危害最大的气体。瓦斯是一种无色无味的气体,主要成份是甲烷(CH4),密度为0.716kg/ m3,对人体的危害是超时限能引起人窒息死亡。在地下采矿时候,井内常常会泄露一定量的CH4、CO和SO2等气体,后一种含量少,切易溶于水。经煤矿开 采时的喷水处理后变成酸。但前两种气体含量多,且几乎不容于水,属于易燃易爆气体。

  由于瓦斯气体本身的危险性和对人民生产生活造成的巨大危害,因此对瓦斯气体的检测和报警是一项必要的工作。瓦斯报警是指利用气体传感器技术,将 检测到的瓦斯气体浓度和标准值进行比较,当高过一定浓度值时候进行相应的声光报警,提醒正在作业的人员进行相应的处理,组织人员撤离或对矿井通风排气,避 免不安全事故的发生,对现在采矿业的安全起着非常重要的作用。笔者所设计一种低成本的可燃性气体报警器设计,能够监控矿井的瓦斯气体的浓度,显示测量结 果,并对当前的环境状态做出判断,发出报警信息。

系统功能设计

系统设计

  本设计的瓦斯气体报警器由六个部分组成:传感器、LCD显示器、声光报警器、控制电路、A/D转换和电源模块,传感器部分采用的气体传感器能感 知环境中某种气体并将与气体种类和浓度有关的信息转换成电信号。这种电信号是连续变化的模拟信号需要经过A/D转换将其转化离散的数字信号。控制电路以单 片机为核心,能够对采集的数字信号进行处理和判断,运用一定的算法计算出待检测气体成分及浓度并送到LCD显示器显示出来。当检测气体浓度超出设定报警阀 值时给出声光报警。本系统可以对检测的数据和设定的阀值参数进行存储并自备电源。系统框图如图1所示。


图1总体功能框图

  根据使用环境对产品设计的便携型要求,控制电路的核心元件采用了AT89LV51低电压单片机,传感器采用MQ5气体传感器,为减少单片机端口 的占用和进一步扩展其它功能A/D转换部分采用TI公司的TLC1543,LCD显示采用的是dm12232f,A/D转换和LCD都是通过串行方式与单 片机相连接,声光报警器电路使用的是蜂鸣器和发光二极管进行报警,这种设计可以满足不同场合的应用,测试结果稳定可靠,10位TLC1543的A/D转换 芯片能够满足系统测量的精度要求。系统电路如图2所示。


图2 系统电路图

  系统采用AT89LV51单片机作为控制部分的核心,AT89LV51是ATMEL公司生产的低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含4K bytes的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和128bytes的随机存储器(RAM),兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处 理器(CPU)和Flash存储单元,AT89LV51可在2.7~6.0V电源电压下工作。A/D转换部分的核心器件TLC1543有三个控制输入端 CS、I/O CLOCK、ADDRESS和一个数据输出端DATA OUT遵循串行外设接口SPI协议。51系列单片机未内置SPI接口,但通过软件模拟SPI协议即可。硬件方面将TLC1543的CS、I/O CLOCK、ADDRESS、DATA OUT、EOC五个端口与AT89LV51的5个I/O口相连接。报警模块单独采用了蜂鸣器作为声音报警装置,提醒使用人员当前的气体浓度已经超过了警戒 线,应该立即停止工作,进行相应的处理,避免危险发生。它和液晶显示器的配合使用,可以有效地提醒工作人员身边的工作环境,帮助工作人员提高安全警惕。在 报警模块的电路中当P0.7口的电平是低电平时候,三极管截止;当P0.7口电平为高时候,三极管导通,蜂鸣器产生报警声音。

  本设计中,由于瓦斯气体的主要成分是甲烷,所以气体传感器采用的是MQ-5,它适用于家庭或工业上对液化气,甲烷(天然气),煤气的监测装置。 它具有优良的抗乙醇,烟雾干扰能力,具有对液化气,天然气,城市煤气有较好的灵敏度;对乙醇,烟雾几乎不响应; 快速的响应恢复特性;长期的使用寿命和可靠的稳定性;简单的测试电路等优点。其结构和外形如图3所示。


图3 MQ-5的结构和外形

  MQ-5气敏元件的结构和外形如图3所示(结构A或B),由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料 或不锈钢制成的腔体内,加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有6只针状管脚,其中4个用于信号取出,2个用于提供加热电流

  设计中MQ-5的接线如图4所示,在实际的测量中,可以按照其等效电路来计算相应的校正数值,其中Ro表示的是测量气体在腔体内的等效电 阻,RL是外接负载电阻,用来调整输出的模拟量电压范围,具体数值应根据A/D转换器的输入范围来确定,在TLC1543的输入范围是0~5V,这样RL 可调整至该范围,保证测量的量程足够用。


图4 MQ-5的等效电路

气体测试结果计算

  对于传感器的调整参数计算,可按照表1步骤并结合该传感器的特性表进行调整。

表1甲烷测试计算


  其中:RL=20KΩ;Ro=14.43KΩ;C=86;RL—负载电阻;Ro—敏感体电阻;C—常数,调整显示范围。

  在灵敏度调整过程中,由于MQ-5型气敏元件对不同种类,不同浓度的气体有不同的电阻值。因此,在使用此类型气敏元件时,灵敏度的调整是很重要的,建议用1000ppm异丁烷或氢气校准传感器。
  
结语

  本设计考虑携带方便,而且实用的报警器,成品可以很方便的嵌入在矿灯内部,设计成本廉价。基于单片机矿灯用的智能设 计在硬件的选择上留有空间,在增加相关硬件同时,软件部分只需改动很少的部分就可实现其它功能,使系统功能更加完善。A/D转换器是11通道的,可以扩展 其他传感器,如矿井内的温度和湿度进行监测的传感器。并且系统可以扩展无线发射模块,将检测的信息及时地发到安全控制中心,在配合其它矿井内的安全监控设 备更好的确保井下作业的安全。

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