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基于AT89S51单片机的瓦斯报警器的设计

  摘要:本文设计了一种基于单片机AT89S51和气敏传感器MQ-4的煤矿瓦斯浓度监测报警器,设计了硬件组成及软件,实现了对瓦斯浓度的监测,当其浓度超过预警值时可进行声光报警并打开排气扇排风来降低瓦斯的浓度。
  关键词:瓦斯监测;传感器;单片机; A/D转换电路
  
  一、引言
  多年的实践证明,瓦斯浓度的监测对于煤矿安全形势,起着重要的作用,以防止潜在的安全隐患,对实现提高我国煤矿安全形势有着很大的提高。近年来,国有重点煤矿瓦斯爆炸的原因之一就是大多数煤矿的天然气和煤与瓦斯等矿井没有安装瓦斯浓度监控系统。因此,瓦斯浓度监测监控器所要实现的功能包括检测当前的瓦斯浓度,当超过安全浓度时打开排气扇换气并报警。
  二、总体方案
  本次设计是基于AT89S51单片机的。监测外部瓦斯的浓度使用的是气敏传感器MQ-4。由四位数码管显示当前的浓度。如果实际浓度超过安全浓度,就开始声光报警。
  三、报警器硬件设计
  1.硬件总体设计
  此次设计的煤矿瓦斯监测报警器主要由单片机AT89S51、气体传感器MQ-4、A/D转换器ICL7109、LED数码管显示、声光报警装置组成。
  2.检测电路的设计
  根据煤矿安全规程规定,瓦斯浓度超过1%时,检测仪表应进行报警;超过1.5%时,井下设备应断电;超过2%时应立即撤离所有人员。本次设计的矿瓦斯监测报警器范围为0%~2%,完全满足煤矿安全规程的要求。其中报警器能否准确的显示瓦斯浓度,取决于传感器的质量以及它的检测电路。检测电路是这个报警系统中最重要的部分,本次设计的瓦斯浓度检测MQ-4检测电路如图1所示。
  
  图1 MQ-4检测电路
  3.A/D转换电路
  A/D转换部分电路其主要作用是将气体传感器MQ-4所得到的模拟电压信号转换成数字信号,便于输入到单片机中进行数据处理。本次设计选用了ICL7109模数转换器,它是一种高精度、低漂移、低价格的双积分式A/D转换器。
  4.数据显示电路
  在显示器材的选择中我们选用了LED数码管显示来数据。数码管显示方法有两种,分别是静态显示方式和动态显示方式。由于本次显示电路是为了显示瓦斯浓度值,而其浓度值是变化的,所以我们采用动态扫描显示。
  由于采用动态显示,所以除了要给显示器提供显示段码之外,还要对显示数据进行位的控制,即通常所说的“段控”和“位控”。而对于采用动态显示的电路来说,单片机需要提供两种输出口,另一种用于输出位控信号一种用于输出显示段码。其中位控信号的数目与显示器的位数相同。
  四、报警仪的软件设计
  1.主程序
  系统软件设计中要实现的功能有:传感器定时地对瓦斯浓度进行检测,将瓦斯浓度值进行A/D转换输入到单片机由单片机判断是否超过安全值,将采集到的瓦斯浓度值显示出来,超过安全值的话进行声光报警。
  2.数据处理/采集程序
  由A/D转换器输出的8位二进制数反映的是ICL7109的输入电压的对应关系,如果要显示瓦斯浓度,并且进行报警,就需要输出单片机可以接收的信号。当瓦斯浓度变化量在1%时,测试电路输出的电压为16mV。而MQ-4传感器对瓦斯气体检测的最大浓度为2%,所以需要调节放大电路的放大倍数,使瓦斯浓度为2%时经过放大电路放大后输出的电压为+5V的直流电压。
  3.中断子程序
  为了准确的检测瓦斯的浓度,我们需要对瓦斯浓度进行数据采集,这里不是指传感器的数据采集而是指单片机的数据采集。其硬件电路包括单片机AT89S51及MQ-4气敏传感器、A/D7109A/D转换器。瓦斯浓度数据经过传感器变换为模拟电压再通过A/D转换器转换为单片机可以接收的数字信号,然后送入单片机中,数据转换完毕之后是通过中断的方式送入单片机的。中断是通过外部中断INTI来完成,由于检测瓦斯浓度在时间上较严格,更不允许数据丢失,所以需要将INTI的终端优先级设定为高。
  4.声光报警程序
  当实际瓦斯浓度超过安全浓度时报警系统启动,提醒人们离开,之后需要停止报警系统,停止报警的方法有两种,一种是手动解除,第二种是由系统自动解除,如果20S后还没有进行手动解除报警,就需要系统调用20s的延时程序来自动解除报警。
  五、结束语
  本次设计的报警器是以AT89S51单片机为核心,采用气敏传感器MQ-4测量瓦斯的浓度值,然后使用AD623新型集成运算放大器放大电压,再由AD7109数模转换器将传感器输出的模拟信号转换为单片机可以接收的数字信号。
  该报警器是一种操作方便、电路设计新颖、控制能力强、参数测量准确、成本低、结构简单的瓦斯浓度报警器。它有测量范围宽、精度高的优点,且具有设定报警下限值和声光报警的功能。
  本次设计的是便携式甲烷报警仪,为今后便携式仪器的研制和实用化提供了较好的实现方式,并且为该领域的研究提供了很好的参考依据。
  参考文献:
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