摘要：礦井中瓦斯等可燃危險氣體的濃度檢測一直是保證煤礦安全生產的重要前提。鑒于此，利用單片機智能控制技術并集成了瓦斯傳感器等功能電路設計了一種便攜式礦用瓦斯檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)小巧、輕便，可自動檢測礦井中瓦斯?jié)舛炔缶Ｖ攸c介紹了系統(tǒng)的硬件設計和軟件設計。經多次測試，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，效果良好。
關鍵詞：便攜；瓦斯；單片機；瓦斯傳感器

0 引言
    近些年來，雖然國家采取了很多有利措施來確保煤礦安全生產，但煤礦生產事故還是不斷地發(fā)生，特別是煤礦瓦斯爆炸，使國家和人民蒙受了巨大的損失。現(xiàn)今雖已有現(xiàn)代化的瓦斯綜合檢測裝置應用于礦井中，但由于礦井結構錯綜復雜，往往存在瓦斯檢測盲區(qū)，留下安全隱患。鑒于此，本文利用AT89S52單片機并集成MJC4／3．0L瓦斯傳感器等功能器件設計了一種便攜式礦用瓦斯檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)小巧、輕便，可自動檢測礦井中瓦斯?jié)舛龋魴z測到其濃度達到危險設定值，會通過蜂鳴器發(fā)出報警，提示生產人員組織安全離開。

1 系統(tǒng)整體機構及工作原理
1．1 系統(tǒng)整體結構
    便攜式礦用瓦斯檢測系統(tǒng)以主控制器單片機為主要核心，配置瓦斯傳感器電路、A／D轉換電路、報警電路與按鍵電路等四大功能模塊。系統(tǒng)整體結構如圖1所示：

1．2 系統(tǒng)工作原理
    瓦斯傳感器將瓦斯氣體濃度轉換成相應大小的模擬信號，信號經過信號放大電路和A／D轉換電路進行放大、轉換，然后送入主控制器單片機中進行數(shù)據(jù)處理。一旦瓦斯氣體濃度超過相應的設定值時，則主控制器立即啟動蜂鳴器報警。

2 系統(tǒng)硬件電路設計
2．1 主控電路設計
    主控電路主要用來整合系統(tǒng)各功能電路，完成數(shù)據(jù)的采集和處理，并發(fā)出報警指令。本設計所處理的信息量和復雜程度不是太大，采用8位單片機AT89S52足以滿足本設計的要求。它是一款低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8 kB系統(tǒng)可編程Flash存儲器，256字節(jié)RAM，6個中斷源，3個16位的可編程定時器／計數(shù)器，32個IO口，看門狗定時器等資源。
2．2 瓦斯傳感器及信號放大電路設計
    系統(tǒng)選用MJC4／3．0L作為瓦斯傳感器。MJC4／3．0L型催化元件根據(jù)催化燃燒效應的原理工作，由檢測元件和補償元件配對組成電橋的臂，遇可燃性氣體時檢測元件電阻升高，橋路輸出電壓變化，該電壓變量隨氣體濃度增大而成正比例增大，補償元件起參比及溫度補償作用。其具有橋路輸出電壓呈線性、響應速度快、有良好的重復性、選擇性、元件工作穩(wěn)定、可靠、抗H2S中毒等優(yōu)點。
    因MJC4／3．0L的輸出電壓太小，無法滿足AT89S52的要求。故需要將MJC4／3．0L的輸出信號進行放大。信號放大是通過調整放大器AD 602的增益控制電壓來實現(xiàn)的。AD602是美國AD公司專門針對程控放大開發(fā)的，其具有兩個通道，每個通道的增益范圍為-10～30 dB，因此兩個通道串連起來可以實現(xiàn)的增益控制范圍為：-20～60 dB。圖2為瓦斯傳感器及信號放大電路。

2．3 A／D轉換電路設計
    系統(tǒng)使用的數(shù)模轉換器LTC1865是凌力爾特推出的16位SAR ADC，采用單5 V電源工作，并能保證在-40℃～+12．5℃的溫度范圍內工作。每個器件最大電流為8．50 uA，最大采樣率達250 kS／s，供電電流隨著采樣速率的降低而變小。MSOP-10封裝的LTC1865提供2路軟件可編程的通道，并且可以根據(jù)需求來調整參考電壓的大小。A／D轉換電路設計如圖3所示。

2．4 報警模塊電路設計
    本設計的報警模塊采用普通的蜂鳴器來完成。蜂鳴器一端接地，一端接用來驅動它工作的PNP晶體管的發(fā)射極，晶體管基極連接AT89S52的P3．3口。
2．5 鍵盤模塊電路設計
    本系統(tǒng)中的按鍵主要用來設定瓦斯?jié)舛鹊膱缶?，采用獨立按鍵式鍵盤，共3個按鍵，它們分別與AT89S52的P2．0～P2．2口連接，平時這三個引腳輸出高電平，當按鍵被按下時引腳變成低電平，因此，只要在軟件中查詢這幾個引腳的電平，就可以確定是否有按鍵按下，從而進人相應的子程序。

3 系統(tǒng)軟件設計
    系統(tǒng)軟件主要包括系統(tǒng)主程序和數(shù)據(jù)采樣處理子程序兩部分，主程序流程如圖4所示，數(shù)據(jù)采樣處理子程序如圖5所示。

    系統(tǒng)開機上電工作后，首先進行初始化，接著進入主循環(huán)掃描是否有按鍵按下，若檢測到有鍵按下，則設定系統(tǒng)的瓦斯?jié)舛葓缶舷拗?，否則直接調用數(shù)據(jù)采集處理子程序進行數(shù)據(jù)采集處理。
    主程序調用數(shù)據(jù)采樣處理子程序后，就進入該子程序運行，首先啟動A／D轉換進行數(shù)據(jù)采樣，得到的數(shù)據(jù)信號輸入到AT89S52進行濾波、零點修正并計算瓦斯氣體濃度值，若濃度超限則啟動揚聲器聲音報警，否則關閉蜂鳴器并返回。

4 實驗結果及分析
    瓦斯的主要成分是甲烷，瓦斯爆炸有一定的濃度范圍，通常把在空氣中瓦斯遇火后能引起爆炸的濃度范圍稱為瓦斯爆炸界限。瓦斯爆炸界限為5％～16％。當空氣中氧氣濃度達到10％時，瓦斯?jié)舛仍?％～16％之間，就會發(fā)生爆炸。
    根據(jù)MJC4／3．0L的技術指標(甲烷濃度為1％時，其靈敏度為20～40 Mv)，因此設定瓦斯的爆炸上限值為0．05，當?shù)V井中的瓦斯?jié)舛瘸^此上限值時，蜂鳴器就發(fā)出聲音報警。
    本設計利用家用沼氣進行模擬實驗，因沼氣的主要成分也是甲烷(50％～80％)，故應該能達到實驗預想。將沼氣爐放置于預先準備好的21寸電視機紙箱中，紙箱底部開有操作口，接通沼氣5 s斷掉，然后將實驗裝置靠向操作口，在紙箱口處蜂鳴器報警，接近沼氣爐的過程中，蜂鳴器一直鳴響，慢慢從操作口挪出實驗裝置，待遠離操作口0．1 m左右處，蜂鳴器響聲停止。往復操作多次，實驗效果明顯，可見該設計已達到實驗預想。

5 結束語
    本文利用單片機智能控制技術，并集成瓦斯傳感器等功能電路模塊完成了便攜式礦用瓦斯報警系統(tǒng)設計，該系統(tǒng)結構小巧靈便，易于攜帶。通過多次實驗都到達了很好的效果，可以作為保證煤礦安全生產瓦斯檢測設備開發(fā)的一個參考。