基于51單片機(jī)的瓦斯報(bào)警器設(shè)計(jì)

引言
　　
當(dāng)前，隨著采礦技術(shù)的不斷發(fā)展，井下作業(yè)的安全越來越有保障，但是仍然有許多采礦企業(yè)的機(jī)械化程度低，對現(xiàn)場采礦的工作人員的生命安全造成潛在的威脅，特別是針對瓦斯氣體的檢測和報(bào)警仍舊存在隱患，每年由于瓦斯泄露造成的特大事故依然很多。瓦斯是在成煤過程中形成并大量儲存與煤層之中的氣體，是煤礦井下危害最大的氣體。瓦斯是一種無色無味的氣體，主要成份是甲烷（CH4），密度為0.716kg/ m3，對人體的危害是超時(shí)限能引起人窒息死亡。在地下采礦時(shí)候，井內(nèi)常常會泄露一定量的CH4、CO和SO2等氣體，后一種含量少，切易溶于水。經(jīng)煤礦開采時(shí)的噴水處理后變成酸。但前兩種氣體含量多，且?guī)缀醪蝗萦谒瑢儆谝兹家妆瑲怏w。
　　
由于瓦斯氣體本身的危險(xiǎn)性和對人民生產(chǎn)生活造成的巨大危害，因此對瓦斯氣體的檢測和報(bào)警是一項(xiàng)必要的工作。瓦斯報(bào)警是指利用氣體傳感器技術(shù)，將檢測到的瓦斯氣體濃度和標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，當(dāng)高過一定濃度值時(shí)候進(jìn)行相應(yīng)的聲光報(bào)警，提醒正在作業(yè)的人員進(jìn)行相應(yīng)的處理，組織人員撤離或?qū)ΦV井通風(fēng)排氣，避免不安全事故的發(fā)生，對現(xiàn)在采礦業(yè)的安全起著非常重要的作用。筆者所設(shè)計(jì)一種低成本的可燃性氣體報(bào)警器設(shè)計(jì)，能夠監(jiān)控礦井的瓦斯氣體的濃度，顯示測量結(jié)果，并對當(dāng)前的環(huán)境狀態(tài)做出判斷，發(fā)出報(bào)警信息。

系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)
　　
本設(shè)計(jì)的瓦斯氣體報(bào)警器由六個(gè)部分組成：傳感器、LCD顯示器、聲光報(bào)警器、控制電路、A/D轉(zhuǎn)換和電源模塊，傳感器部分采用的氣體傳感器能感知環(huán)境中某種氣體并將與氣體種類和濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號。這種電信號是連續(xù)變化的模擬信號需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)化離散的數(shù)字信號。控制電路以單片機(jī)為核心，能夠?qū)Σ杉臄?shù)字信號進(jìn)行處理和判斷，運(yùn)用一定的算法計(jì)算出待檢測氣體成分及濃度并送到LCD顯示器顯示出來。當(dāng)檢測氣體濃度超出設(shè)定報(bào)警閥值時(shí)給出聲光報(bào)警。本系統(tǒng)可以對檢測的數(shù)據(jù)和設(shè)定的閥值參數(shù)進(jìn)行存儲并自備電源。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

根據(jù)使用環(huán)境對產(chǎn)品設(shè)計(jì)的便攜型要求，控制電路的核心元件采用了AT89LV51低電壓單片機(jī)，傳感器采用MQ5氣體傳感器，為減少單片機(jī)端口的占用和進(jìn)一步擴(kuò)展其它功能A/D轉(zhuǎn)換部分采用TI公司的TLC1543，LCD顯示采用的是dm12232f，A/D轉(zhuǎn)換和LCD都是通過串行方式與單片機(jī)相連接，聲光報(bào)警器電路使用的是蜂鳴器和發(fā)光二極管進(jìn)行報(bào)警，這種設(shè)計(jì)可以滿足不同場合的應(yīng)用，測試結(jié)果穩(wěn)定可靠，10位TLC1543的A/D轉(zhuǎn)換芯片能夠滿足系統(tǒng)測量的精度要求。系統(tǒng)電路如圖2所示。

系統(tǒng)采用AT89LV51單片機(jī)作為控制部分的核心，AT89LV51是ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4K bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和128bytes的隨機(jī)存儲器（RAM），兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS－51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，AT89LV51可在2.7～6.0V電源電壓下工作。A/D轉(zhuǎn)換部分的核心器件TLC1543有三個(gè)控制輸入端CS、I/O CLOCK、ADDRESS和一個(gè)數(shù)據(jù)輸出端DATA OUT遵循串行外設(shè)接口SPI協(xié)議。51系列單片機(jī)未內(nèi)置SPI接口，但通過軟件模擬SPI協(xié)議即可。硬件方面將TLC1543的CS、I/O CLOCK、ADDRESS、DATA OUT、EOC五個(gè)端口與AT89LV51的5個(gè)I/O口相連接。報(bào)警模塊單獨(dú)采用了蜂鳴器作為聲音報(bào)警裝置，提醒使用人員當(dāng)前的氣體濃度已經(jīng)超過了警戒線，應(yīng)該立即停止工作，進(jìn)行相應(yīng)的處理，避免危險(xiǎn)發(fā)生。它和液晶顯示器的配合使用，可以有效地提醒工作人員身邊的工作環(huán)境，幫助工作人員提高安全警惕。在報(bào)警模塊的電路中當(dāng)P0.7口的電平是低電平時(shí)候，三極管截止；當(dāng)P0.7口電平為高時(shí)候，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器產(chǎn)生報(bào)警聲音。