基于单片机的瓦斯报警器设计

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