由于瓦斯氣體本身的危險性和對人民生產(chǎn)生活造成的巨大危害，因此對瓦斯氣體的檢測和報警是一項必要的工作,。瓦斯報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準值進行比較，當高過一定濃度值時候進行相應(yīng)的聲光報警,，提醒正在作業(yè)的人員進行相應(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)計一種低成本的可燃性氣體報警器設(shè)計，能夠監(jiān)控礦井的瓦斯氣體的濃度,，顯示測量結(jié)果,，并對當前的環(huán)境狀態(tài)做出判斷，發(fā)出報警信息,。

　　當前,，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限能引起人窒息死亡,。在地下采礦時候,，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,。

　　系統(tǒng)功能設(shè)計

　　系統(tǒng)設(shè)計

　　本設(shè)計的瓦斯氣體報警器由六個部分組成：傳感器,、LCD顯示器、聲光報警器,、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,。控制電路以單片機為核心,，能夠?qū)Σ杉臄?shù)字信號進行處理和判斷,，運用一定的算法計算出待檢測氣體成分及濃度并送到LCD顯示器顯示出來。當檢測氣體濃度超出設(shè)定報警閥值時給出聲光報警,。本系統(tǒng)可以對檢測的數(shù)據(jù)和設(shè)定的閥值參數(shù)進行存儲并自備電源,。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1總體功能框圖

　　根據(jù)使用環(huán)境對產(chǎn)品設(shè)計的便攜型要求,，控制電路的核心元件采用了AT89LV51低電壓單片機,，傳感器采用MQ5氣體傳感器，為減少單片機端口的占用和進一步擴展其它功能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相連接，聲光報警器電路使用的是蜂鳴器和發(fā)光二極管進行報警,，這種設(shè)計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,。

圖2系統(tǒng)電路圖

　　系統(tǒng)采用AT89LV51單片機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,，片內(nèi)含4Kbytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和128bytes的隨機存儲器（RAM）,，兼容標準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有三個控制輸入端CS、I/OCLOCK,、ADDRESS和一個數(shù)據(jù)輸出端DATAOUT遵循串行外設(shè)接口SPI協(xié)議,。51系列單片機未內(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/OCLOCK、ADDRESS,、DATAOUT,、EOC五個端口與AT89LV51的5個I/O口相連接。報警模塊單獨采用了蜂鳴器作為聲音報警裝置,，提醒使用人員當前的氣體濃度已經(jīng)超過了警戒線,，應(yīng)該立即停止工作，進行相應(yīng)的處理,，避免危險發(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。在報警模塊的電路中當P0.7口的電平是低電平時候,，三極管截止,；當P0.7口電平為高時候，三極管導(dǎo)通,，蜂鳴器產(chǎn)生報警聲音,。

　　本設(shè)計中，由于瓦斯氣體的主要成分是甲烷,，所以氣體傳感器采用的是MQ-5,，它適用于家庭或工業(yè)上對液化氣，甲烷（天然氣）,，煤氣的監(jiān)測裝置,。它具有優(yōu)良的抗乙醇,，煙霧干擾能力，具有對液化氣,，天然氣,，城市煤氣有較好的靈敏度；對乙醇,，煙霧幾乎不響應(yīng),；快速的響應(yīng)恢復(fù)特性；長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性,；簡單的測試電路等優(yōu)點,。其結(jié)構(gòu)和外形如圖3所示。

圖3 MQ-5的結(jié)構(gòu)和外形

　　MQ-5氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形如圖3所示(結(jié)構(gòu)A或B),由微型AL2O3陶瓷管,、SnO2敏感層,測量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi),，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。封裝好的氣敏元件有6只針狀管腳,，其中4個用于信號取出,，2個用于提供加熱電流。

　　設(shè)計中MQ-5的接線如圖4所示,，在實際的測量中,，可以按照其等效電路來計算相應(yīng)的校正數(shù)值，其中Ro表示的是測量氣體在腔體內(nèi)的等效電阻,，RL是外接負載電阻,，用來調(diào)整輸出的模擬量電壓范圍，具體數(shù)值應(yīng)根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器的輸入范圍來確定,，在TLC1543的輸入范圍是0～5V,，這樣RL可調(diào)整至該范圍，保證測量的量程足夠用,。

圖4 MQ-5的等效電路

　　氣體測試結(jié)果計算

　　對于傳感器的調(diào)整參數(shù)計算,，可按照表1步驟并結(jié)合該傳感器的特性表進行調(diào)整。

表1甲烷測試計算

　　其中：RL＝20KΩ,；Ro=14.43KΩ,；C=86；RL—負載電阻,；Ro—敏感體電阻,；C—常數(shù)，調(diào)整顯示范圍,。

　　在靈敏度調(diào)整過程中,，由于MQ-5型氣敏元件對不同種類，不同濃度的氣體有不同的電阻值,。因此,，在使用此類型氣敏元件時,，靈敏度的調(diào)整是很重要的，建議用1000ppm異丁烷或氫氣校準傳感器,。

　　本設(shè)計考慮攜帶方便,，而且實用的報警器，成品可以很方便的嵌入在礦燈內(nèi)部,，設(shè)計成本廉價,。基于單片機礦燈用的智能瓦斯報警器設(shè)計在硬件的選擇上留有空間,，在增加相關(guān)硬件同時,，軟件部分只需改動很少的部分就可實現(xiàn)其它功能，使系統(tǒng)功能更加完善,。A/D轉(zhuǎn)換器是11通道的,，可以擴展其他傳感器，如礦井內(nèi)的溫度和濕度進行監(jiān)測的傳感器,。并且系統(tǒng)可以擴展無線發(fā)射模塊,，將檢測的信息及時地發(fā)到安全控制中心，在配合其它礦井內(nèi)的安全監(jiān)控設(shè)備更好的確保井下作業(yè)的安全,。