基于单片机的节能型瓦斯排放装置研究

欧栋杰+闫鹏程+王海滨

摘 要 为解决我国煤矿中存在的瓦斯安全隐患并能有效节约电能，提出一种节能型瓦斯排放装置。该装置以AT89S51单片机核心，结合瓦斯传感器以及其他软硬件以达到自动节能排放瓦斯。该装置节约电能，有效地扼制瓦斯排放事故的发生，具有良好的应用前景。

关键词 单片机；节能；传感器；瓦斯排放装置

中图分类号：TD724 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）02-0016-01

目前，随着我国经济不断发展，能源问题日益严重，而煤炭作为我国的重要能源，其开采是解决能源问题的重要手段。随着煤炭的大量开采，瓦斯防护系统被大量采用在各个煤矿中。在瓦斯防护系统中，一般采用抽放的形式，这导致需要大量的电机进行抽风排放。现在矿上主通风电机一般采用变频技术能够有效节约电能，但局部通风电机若采用变频器，则成本太高，不具现实意义。因此，为了适应现代社会煤矿安全的要求，同时响应国家节约能源的号召，一种廉价的能节约电能的小型局部瓦斯排放装置的研制势在必行。

1 概述

由于传统的局部瓦斯抽风机不使用任何节能措施，导致抽风机在瓦斯含量已经达到规定的瓦斯含量标准以下还不停的转动，这造成电能的大量浪费。本文就是基于该情况下，设计一种新型排放装置，其具有节能自动排放瓦斯功能。该装置能够根据井下的瓦斯含量智能地开关局部抽风电机，并可在瓦斯含量超标时进行报警。本装置使用了一种完全新型的排风方式，利用电机的运行和停止时间的相对长短来决定排风量，可现场控制和远程控制。

2 装置架构介绍

该装置主要由瓦斯传感器群、控制器、防爆交流电机、防爆真空接触器等组成，其中控制器是以单片机为核心，加以滤波电路、模数转换电路、放大电路和电机控制电路组成。

装置正常运行时，通过瓦斯传感器测得瓦斯含量，并把测得量传送到控制器，控制器根据预先设定的瓦斯含量阀值，当瓦斯含量超过阀值时，控制器启动电机。考虑阀值的设定时，要根据现场实际情况，保证瓦斯含量能及时的减至安全限以下来设定。当低于阀值则控制器停止电机。

当瓦斯涌出量增大、局部通风机达最大风量（额定），瓦斯亦不能减至安全限以下时，则装置能及时通知上位机，通过上位机可靠地执行风、电、瓦斯闭锁的各项功能。

3 装置原理分析

瓦斯感器把采集到的实时信号经过滤波处理后传送单片机，经由单片机处理后，发出控制信号控制电动机是否打开，对是否排风进行控制。现场开关产生的信号可以切断远程控制并进行现场控制。在进行远程控制时CPU可以把装置的实时情况传给上位机，在发生紧急情况时，上位机可以通过其他措施采取相关操作。看门狗的设置主要是防止装置在发生死机等情况时，进行自动复位。输出显示电路主要用来显示现场的瓦斯含量。

3.1 单片机

单片机采用的是AT89S51单片机，其是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，与已停产的AT89C51相比较而言，其提高工作频率，增加了一个看门狗中断，有两组数据指针寄存器等等。另外AT89S51只需要5 V电压即可刻录与擦除程序存储器，而89C51则需要分别以5 V及12 V电压刻录与擦除程序存储器。

3.2 瓦斯传感器及其检测电路

载体催化元件对瓦斯测量主要是运用热催化原理，是目前测量瓦斯主要技术的一种。本装置所采用为LXK-2载体催化元件，其为中国船舶重工集团公司第七一八研究所生产研制，可用于井下瓦斯浓度的检测。

LXK-2催化元件包括敏感元件和补偿元件。敏感元件上带有的催化剂使瓦斯和氧气发生化学反应，在这过程中释放的热量使敏感元件电阻值发生变化，所以通过测量敏感元件的阻值就可以得到瓦斯的含量值。采用电桥测量敏感元件的阻值。

3.3 信号处理电路

信号处理电路采用的芯片是AD625和MAX260.AD625是一款可非标准增益、价格便宜，可编程的芯片。并且利用三个电阻就可使最高增益达到10000倍。MAX260是美国Maxim公司所产的CMOS有源滤波器，其内含有两个二阶滤波器，不需任何外部元件，就可构成各种滤波配置。处理电路先利用AD625对测量电路的电压信号进行放大处理，然后利用MAX260进行滤波处理得到所需电压信号。

3.4 AD转换电路

本装置采用ADC0804作为模拟-数字转换器。该芯片属于连续渐进式的A/D转换器，具有转换速度快（100 us）、分辨率高（8位），转换误差小（±1LSB）的特点。

3.5 电机控制电路

交流电机的控制是利用单片机的P2.0输出口控制的。由于输出电流不足于驱动固体继电器，所以利用晶体管进行电流放大。二极管D1起保护作用，防止继电器内线圈反向电动势破坏晶体管。用真空接触器控制电机，真空接触器的控制回路由继电器主回路提供。

3.6 其他电路设计

由于篇幅原因其他简单电路不做过多的详细介绍，如用数码管作为数据显示，用4列4行构成的按键陈列作为输入器件等。

3.7 装置程序的编程

程序编程主要是对各个芯片的初始化编程和整个主程序的编程。芯片的初始化主要是MAX260和ADC0804的初始化。主程序采用C语言编写，另外按键输入采用外部中断。

4 总结

我国煤炭工业已得到了迅速发展，但是瓦斯问题长期以来一直没有能得以妥善解决，瓦斯爆炸事件时有发生，从而严重阻碍了采煤效率的进一步提高，并且瓦斯排放过程中不能有效地解决电能浪费现象。本文所设计的瓦斯排放装置正是为了解决此问题而设计的，该装置可以有效地节省设备投资和节约电能，扼制瓦斯排放事故的发生。

参考文献

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作者简介

欧栋杰（1985-），男，安徽巢湖人，安徽理工大学在读硕士研究生，研究方向：智能控制理论及应用。endprint