井下瓦斯报警监测系统设计

【摘要】基于单片机井下瓦斯报警监测系统设计，采用AT89C52单片机作为核心控制模块，并带有MQ-5传感器实现实时瓦斯浓度的监测，实现自动报警功能，同时利用无线传感器nRF905发送、接收数据，有效防止和避免瓦斯燃燒或爆炸的恶性事故发生，完成了井下瓦斯浓度的无线监测。

【关键词】AT89C52;MQ-5传感器;无线传感器nRF905

引言

在我国煤矿安全事故中， 瓦斯爆炸造成的伤亡人数占所有重大事故，伤亡人数的70 % 以上， 成为实现安全生产的最大障碍。及时准确地检测瓦斯含量，在安全生产中具有重要意义。因此，进一步提高煤矿的安全保障能力。尤其是瓦斯事故，是重中之重。建设完善的煤矿瓦斯监控系统，有效检测井下环境安全系数，进行实时监控和远程监控，从而根据实际情况采取有效措施防止瓦斯事故发生，保障煤矿企业和工作人员的人身、财产安全，已成为煤矿安全监控的最迫切的任务之一。该选题将有效防止井下瓦斯爆炸事故的发生。

1.系统总体的设计

系统总体框图如图1所示。

图1 系统总体方框图

系统由MQ-5传感器检测瓦斯浓度后，再由A/D转换器进行数值转换。单片机对传感器检测到的浓度数据进行处理，进行判断和显示。

2.硬件电路设计

2.1 甲烷浓度检测电路

MQ-5将采集到的一氧化碳浓度信号转换为电信号，一氧化碳浓度的变化转化为MQ-5传感器内阻的变化，进而转换为电压的变化，即将一氧化碳的浓度信号转换为模拟电信号，该模拟电信号经过A/D转换器TLC549转换为数字信号后被送入单片机内部。TLC549的CLOCK端、DATA OUT端和端分别由单片机来控制。当片选端选中时，单片机通过TLC549的时钟时序来从DATA OUT引脚读出一氧化碳浓度信号经过A/D转换后得到的数字量。

2.2 无线传输模块

nRF905有两种工作模式和两种节能模式。两种工作模式分别是接收模式和发送模式，两种节能模式分别是关机模式和空闲模式。nRF905的工作模式由TRX-CE、TX-EN和PWR-UP三个引脚决定。硬件连接上由T0、T1、P0.7连接到nRF905模块的连接器相应的TX-EN、PWR-UP和TRX-CE引脚上，令PWR-UP和TRX-CE都置“1”，TX-EN置“0”为射频接收模式;TX-EN置“1”为射频发射模式。电路图如图2所示：

2.3 报警电路

瓦斯浓度达到爆炸极限时，单片机系统应能发出报警信号。本系统报警电路采用5V的自鸣式蜂鸣器，用一个晶体三极管作驱动，P1.1接晶体管基极输入端，当P1.1输出高电平“1”时，晶体管导通，蜂鸣器两端获得约+5V电压而鸣叫;当P1.1输出低电平“0”时，三极管截止，蜂鸣器不工作即停止发声。

3.系统的软件设计

系统程序设计主要分为以下模块：

①键盘按键处理程序：实现键盘的输入按键的识别及进入相应的程序;

②信号处理程序：对传感器检测到的浓度数据进行处理，进行判断和显示;

③数码管显示程序：向数码的显示送数，控制系统的显示部分;

④无线传输的发送、接收程序：将气体浓度通过单片机打包送给nRF905，再通过nRF905发送出去。

主程序主要完成控制系统各部件的初始化、实现各功能子程序的调用以及实际测量中各个模块功能的协调。初始化，然后通过按键设置上下限值，接着通过按键分别测量两点的气体浓度值。当完成浓度采集后，则程序进入判断程序。即按一下K4进入浓度控制点1的程序，通过显示器显示其数值，判断当前浓度值，若在其上下限值范围内，则蜂鸣报警。再按一下K4进入浓度控制点2的程序，以下程序和1点过程一样。若当前浓度高于其浓度上限或低于其浓度下限，程序回到显示当前程序，并开始循环。

3.1 单片机接收数据显示框图

由MQ-5传感器检测瓦斯浓度后，再由A/D转换器进行数值转换。对传感器检测到的浓度数据进行处理，进行判断和显示。单片机接收浓度显示程序框图如图3所示。

图3 单片机接收浓度显示流程图

3.2 无线传输模块发送、接收流程图

无线传输模块分为数据发送部分和数据在区域进行监测，当探测到有瓦斯气体溢出时，AT89C52会把监测节点的节点编号和瓦斯浓度数据打包通过nRF905发送出去。无线数据发送流程图，如图4所示;无线数据接收流程图，如图5所示。

图4 无线数据发送流程图       图5 无线数据接收流程图

4.结论

本方案是基于AT89C52单片机的井下瓦斯报警系统，本系统由控制模块、检测模块、显示电路、报警电路、按键电路、电源模块、无线传输模块组成。控制模块以AT89C52单片机为主控单元。由现场传感器检测井下瓦斯浓度，并由信号调理电路进行调理后送给TLC549模数转换器，把模拟信号转换给数字信号送给单片机。检测到的气体浓度通过显示模块显示到Nokia5110上，当检测到的气体浓度在设定值范围内时，系统便会通过报警电路进行声光报警。射频部分采用挪威Nordic公司的射频芯片nRF905。各个节点把检测到的气体浓度通过单片机打包送给nRF905，再通过nRF905发送出去，发送成功后并通过RS-232串口将数据上传至上位机，以实现对整个系统的控制和数据的存储。

参考文献

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作者简介：李佳怡（1986—），女，吉林吉林人，硕士，助教，研究方向：控制工程，控制论与控制系统仿真。