基于单片机的瓦斯检测报警仪的研究和设计

摘要：基于单片机的瓦斯检测报警仪是特殊的数字式的电子类瓦斯测量仪。它可以全程检测并记录矿井中的数据，并通过对所记录的瓦斯信息数据进行分析，精确监控矿井中的各种状况。根据目前瓦斯检测报警仪的研究现状，本文设计并研发了一种全新的基于51单片机的瓦斯检测报警仪。

关键词：瓦斯监测报警仪 单片机 数码管

中图分类号：TD712.55 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）10-0193-01

1 基于单片机的瓦斯检测报警仪的研究现状及意义

1.1 瓦斯监测报警仪的研究背景

近年来，随着经济的发展以及人民生活水平的普遍提高，社会对煤炭产业的依赖越来越大，但是煤矿事故也随之的频繁的发生，这是煤炭产业的一个不可忽视的问题。瓦斯监测报警仪是19世纪60年代之后才率先出现在欧洲并得以广泛应用及推广，通过对瓦斯监测报警仪采取到的种种信息数据进行分析，从而可对煤矿的安全环境给予精准的掌控，从而有助于管理部门监控煤矿的生产环境。如果瓦斯浓度超标则会在瓦斯监测报警仪上记录下相关数据信息，为有关部门针对煤矿事故的处理提供真实、准确的科学依据。同时，这给煤矿企业采用科学的管理方式和给矿工的人生安全提供了相应的保障。瓦斯监测报警仪的使用可以对煤矿中温度，瓦斯浓度等信息的进行预警、给管理人员的管理和决策提供数据参考，保障煤炭产业正常运转和规范化煤矿产业。

瓦斯检测报警仪能增加矿工自身安全，另外检测仪还具有容易配置、携带便利的特点，它的市场广阔。

1.2 瓦斯检测报警仪研究现状

因为安全灯的设计原理简单，性能稳定性强，使用寿命长等特点，在煤矿产业中一直被广泛使用。进入21世纪后新材料的不断发现，单片机技术的不断革新，性能的不断提高。瓦斯检测报警仪逐步向智能化，高精度的方向发展。

目前瓦斯检测仪器向智能化，自动化方面转换。基于单片机的瓦斯检测仪主要依据是单片机为核心进行设计的，传感器设计的智能煤矿瓦斯监测系统速度快，低功耗、多功能、集成化方向的发展，单片机具有受集成限制，片内存储存量较小，可靠性好，扩展简单，控制功能强等特点，因此，基于单片机的智能煤矿瓦斯监测系统的研究和开发生产具有十分广泛的现实市场和潜在的市场[1]。因为工业生产工艺提高，科学技术的更新，单片机的功能更加丰富，成本也逐步降低。随之瓦斯检测报警仪的性能越来越好。

1.3 课题的研究意义

本次设计能够实现瓦斯检测报警仪器能够是现在各种环境下正常运转，实现对煤矿中瓦斯的浓度、温度的准确测量，同时仪器还增加了声光报警功能。当瓦斯浓度超过警报值时，系统会及时的发出报警声音，提示管理人员及时的作出处理，避免一些危险的后果出现。同时，本次设计中加入了数码管显示器，使整个系统能够实时的显示当前的各种数据信息，方便驾驶员进行观察和根据数据做出合适的处理。

2 基于单片机的瓦斯检测报警仪的总体设计

2.1 系统设计要求

系统的设计要求如下：能够实时监控并记录工作中瓦斯浓度的值和温度值；能够显示瓦斯浓度等级功能；能够设置瓦斯浓度和高温报警值；具有超越上限触发报警的性能；具有能够实现手动报警和解除报警的功能。

2.2 系统总体方案设计

2.2.1 仪器的功能要求及技术性能指标

根据国家标准GB 13486--2014《瓦斯检测监控标准》的要求，传感器是各类检测仪器和监测设备的主要部件，其性能的好坏直接影响到仪器的技术指标和监测系统的可靠性[2]，基于单片机的瓦斯监测报警仪的性能应该满足如下几个方面的要求。

（1）电气性能要求：报警仪的供电系统一般为普通的蓄电池，由于瓦斯浓度的的改变，报警仪供电系统的输出电压会出现一定范围的波动；而且随着降压电源使用寿命和工作状态等的不同，其输出电压通常都会有一定幅度的波动，进而影响到整个监测系统的供电电压。对此，依托国家的标准GB 13486--2014规定瓦斯检测报警仪可以在适度范围内失准视为正确的工作状态。

（2）数据安全性：瓦斯监测报警仪应保护数据被不会更改或删除，因此可以在瓦斯监测报警仪硬件和软件系统这两个方面来实现：

硬件上，应该在瓦斯监测报警仪的主机上或着其它合适的地方采用可靠安全防护措施（如铅封）杜绝数据储存器等重要元器件被更换的可能。

软件上，瓦斯监测仪主机内有关采集到的原始数据不能够实现通过外部操作来实现任何数据的改动或删除。

（3）电器环境适应性：报警仪中的瓦斯检测传感器（Q-5）在工作的时候发生化学反应。催化元件大部分采用钯催化剂，它可降低可燃气体和氧气发生氧化还原反应的活化能，但是对环境有一定要求[3]。瓦斯监测报警仪在经受不同的气候环境检测试验后，应该具有无任何电气故障，机壳、接口等方面不应有较为严重物理变形；其记录功能、显示功能等应该继续保持正常共组；在试验中存储的数据不应该出现丢失或变动情形。

（4）机械环境适应性：瓦斯检测报警仪在经受各种机械环境试验后，应该无永久性结构变形，元器件应无物理损坏，仪器应该无电气故障，仪器的固定部分应该牢固，接口、插头等部件之间数据通信良好；瓦斯检测仪器的存储数据功能、信息显示功能等应保持正常运行；试验前存储的重要信息不应具有损坏或清空现象。

2.2.2 主板的功能与设计

主板：包括有中央处理器（STA89S52）、信息采集装置、信息存储装置、ADC0832数模转换芯片、DS18B20温度传感器，数据通信接口及供电装置等。

主板以AT89S52作为主处理器。数据采集模块采用SPI总线的方式与CPU进行数据交换。获取环境中的瓦斯气体信号经过A/D转换、滤波后，传输到数据总线中，单片机利用其外部中断对获得的实时的气态信号进行处理，进而得到空气中瓦斯的浓度和温度等信息。

“看门狗”复位装置具有保护作用，可以防止单片机受到外界干扰导致系统崩溃，系统掉电保护装置具有防止供电系统出现故障造成数据的丢失，整个主机部分的整体设计采用了高性能和安全系数高、实用的设计思想理念。

面板上含有人际互动的特性。其中包括led灯、电源按键、独立按键，数码管和蜂鸣器。

参考文献

[1]楊丽娜，张丽蓉.矿井瓦斯的数据采集与传输系统设计[J].北京：煤矿机械出版社，2009.

[2]王大勇.煤矿瓦斯超标自动报警系统设计[J].辽宁技术工程大学.2012.

[3]李华.MCS一51系列单片机实用接口技术[M].北京航空航天大学出版社.2004.

收稿日期：2016-09-19

作者简介：丁玲玲（1977—），女，汉族，山东潍坊人，中国海洋大学硕士，淄博职业学院，讲师，研究方向：计算机应用技术，计算机网络。