基于单片机的瓦斯浓度检测报警装置的设计与仿真

摘要: 针对煤矿安全生产实际，文章首先介绍了采用单片机的煤矿瓦斯浓度检测报警装置的整体构架，然后对煤矿瓦斯浓度检测报警装置的各个部分硬件进行了详细的设计，给出了煤矿瓦斯浓度检测报警装置的硬件设计电路和软件设计框图，最后使用 Proteus 软件验证设计内容的正确性和可行性，证明了基于单片机的便携式煤矿瓦斯浓度检测报警装置在煤矿安全生产中具有一定的实际应用价值。

关键词: 瓦斯检测报警装置; 催化燃烧式 ; 单片机系统 ; 计算机仿真

瓦斯积聚可能引起瓦斯事故，及时掌握煤矿井下瓦斯动态是一件十分重要的工作。因此通过强化瓦斯管理，提高瓦斯检测监控水平，已成为煤矿安全生产监控的最迫切的任务之一。瓦斯浓度检测报警装置就是用来监测矿井瓦斯动态的有效工具。因为瓦斯和沼气的主要成分都是甲烷，因此，在我国的煤矿生产中，甲烷、沼气和瓦斯是同义词。因而，瓦斯浓度检测报警装置可称为甲烷浓度检测报警仪，也可称为沼气检定报警器。

1 系统设计

基于单片机的煤矿瓦斯浓度检测报警装置的系统框图如图 1 所示。煤矿瓦斯浓度检测报警装置以 MCS － 51 系列单片机为核心，包含电源电路、瓦斯浓度检测报警装置、信号放大电路、 A/D 转换电路、 LED 显示电路、发光报警电路、发声报警电路等部分。

瓦斯浓度检测报警装置将监测到的瓦斯浓度信息传输到单片机，经单片机处理后在 LED 显示器显示瓦斯浓度信息; 同时，如果瓦斯浓度超过规定值，煤矿瓦斯浓度检报警装置将立即发出声光报警，提醒煤矿生产人员及时采取相应的安全措施。

2 瓦斯浓度检测电路设计

检测瓦斯浓度的方法有多种，最常采用热催化式( 催化燃烧式) 检测方法，该方法是利用甲烷在催化元件上的氧化反应生成热量而引起其电阻变化来测定瓦斯浓度。热催化式瓦斯浓度检测报警装置的基本元件是黑元件，其基本结构如图 2 所示。黑元件由铂丝螺旋圈和催化元件外壳构成。铂丝螺旋圈是用 0. 02 ～ 0. 05mm 的高性能铂丝绕制的螺旋圈，它主要完成加热功能。催化元件外壳由三氧化二铝和催化剂组成，三氧化二铝载体有定型、传热和载附催化剂等功能; 载体催化元件最外层为催化剂，催化剂由氯化钯外加稳定剂钍配制而成，有降低起燃温度、加强选择性、提高稳定性等功能。当黑元件遇到甲烷与空气的混合气体时，在催化剂的作用下，瓦斯气体在黑元件表面发生无焰燃烧，产生的热量使铂丝的温度升高。

基于催化燃烧式气敏元件的瓦斯浓度检测电路如图 3 所示。瓦斯浓度检测电路的主要元件是黑元件( 催化元件) 和白元件( 补偿元件) ，两个元件分别配置在电桥电路中，作为一组桥臂，另一组桥臂是两个固定电阻。黑元件载体是催化燃烧式元件，当瓦斯气体在黑元件表面与氧气产生无焰燃烧时，电桥失去平衡，输出一个电压信号。该电压值的大小反映了甲烷浓度的高低，检测此电压便可测量出瓦斯浓度。白元件是补偿元件，基本结构和技术参数与黑元件相同，但表面不涂镀催化剂，所以它不参加低温燃烧。但由于它处于与黑元件相同的工作环境中，所以，对非瓦斯气体浓度变化引起的催化元件阻值变化起补偿作用，以提高仪器零点稳定性和抗干扰能力。

3 信号处理电路设计

3. 1 模拟信号放大电路设计

该设计选择集成芯片仪用放大器 INA122 作为信号放大电路的主要器件。 INA122 是精密低噪声信号采集仪表放大器，内部含有 2 个运算放大器，具有非常低的静态电流的优越性能，可用于便携式仪表和数据采集系统。模拟信号放大电路如图 4 所示。根据瓦斯浓度检测报警装置的灵敏度特性曲线可知，在测量 0% ～ 5% 浓度 CH 4 时，瓦斯浓度检测电路的输出电压信号范围为 0 ～ 112. 5mV 。应将瓦斯浓度检测报警装置输出电压信号的范围放大至 0 ～ 5V ，则应在电路设计中取 INA122 的增益( 放大倍数) 为:

3. 2 模数转换电路设计

该设计选择 A/D 转换器芯片 ADC0809 作为模数转换电路的主要器件。 ADC0809 是 8 路 8 位逐次逼近行 A/D 转换器件，能对 8 路模拟信号进行分时采集和 A/D 转换，输出数字信号通过三态缓器可直接与单片机的数据总线相连接。

4 单片机系统设计

4. 1 硬件设计

4. 1. 1 单片机

该设计选用 AT89C52 型号的单片机。 AT89C52 是一个低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 8k bytes 的可反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 256 bytes 的随机存取数据存储器( ＲAM ) ，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS － 51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元，功能强大的AT89C52 单片机可用于许多较复杂控制系统的应用场合。

4. 1. 2 键盘电路设计

因为煤矿瓦斯浓度检测报警装置所需要的按键功能较少，可以不必使用扩展芯片，直接利用单片机空闲端口来设计实现键盘。设计的键盘电路如图 5 所示。单片机 P1. 4～ P1. 7 端口分别检测 4 个按键的输入， 4 个按键的功能分别为: “检测报警运行 ” 按键用于启动煤矿瓦斯浓度检测报警装置的运行;“检测报警停止”按键用于停止煤矿瓦斯浓度检测报警装置的运行; “发光报警检测 ” 按键用于检测煤矿瓦斯浓度检测报警装置的发光报警是否能够正常运行; “发声报警检测 ” 按键用于检测煤矿瓦斯浓度检测报警装置的发声报警是否能够正常运行。

4. 1. 3 显示电路设计

在该设计中，瓦斯浓度检测报警装置测量瓦斯浓度的范围是 0% ～ 5% ，为此设计 4 位 LED 显示器显示所测量瓦斯的浓度。显示格式为 “ X. XXX ” ，表示所测量瓦斯的浓度为 “ X. XXX% ”。

4. 1. 4 报警电路设计

当瓦斯传感器测量瓦斯的浓度超过报警范围时，报警电路应动作，发出声光报警信息。设计的报警电路如图 6所示。当瓦斯传感器测量瓦斯的浓度超过 1% 时，瓦斯浓度超标发光报警灯光点亮，同时瓦斯浓度超标发光报警扬声器发出声音，提醒煤矿生产人员及时采取相应的安全措施。

4. 2 软件设计

基于单片机的煤矿瓦斯浓度检测报警装置的软件主要功能包括: ① 初始化单片机系统，定义各个外围功能芯片的工作参数; ② 瓦斯浓度检测报警装置检测瓦斯浓度，并放大传输给 A/D 转换器; ③ 启动 A/D 转换器，将 A/D 转换结果传输给单片机 CPU ; ④ 单片机 CPU 对 A/D 转换结果进行处理，一是送给 LED 显示器进行显示; 二是判断瓦斯浓度是否超标，若瓦斯浓度超标，则报警电路动作，发出声光报警信息。

5 煤矿瓦斯浓度检测报警装置的仿真

为验证设计内容的正确性和可行性，可以采取制作实物的方式或者计算机仿真的方式对设计内容进行验证。此处，采用计算机仿真的方式对设计内容进行验证。计算机仿真是应用电子计算机对所设计系统的结构、参数、功能等进行模仿。针对基于单片机的煤矿瓦斯浓度检测报警装置，可以利用 Proteus 软件对其进行仿真模拟。

使用 Proteus 软件设计基于单片机的煤矿瓦斯浓度检测报警装置的仿真模型。 Proteus 软件中没有瓦斯传感器的模型，在仿真中利用电位器的输出电压信号模拟瓦斯传感器的输出电压信号。分别调整电位器，电位器的输出电压信号模拟瓦斯传感器的输出电压信号，ADC0808 将模拟电压信号 A/D 转换后送给单片机，单片机再对此转换后的数字信号进行处理。当瓦斯浓度低于 1% 时，正常工作指示灯( 绿色) 点亮，表示当前的瓦斯浓度没有超标。当瓦斯浓度高于 1% ，但低于 1. 5% 时，一般超标报警指示灯( 黄色) 点亮，表示当前的瓦斯浓度超过最低限值。当瓦斯浓度高于1. 5% 时，严重超标报警指示灯( 红色) 点亮，表示当前的瓦斯浓度超过最高限值。

6 结语

本文首先给出了采用单片机的煤矿瓦斯浓度检测报警装置的整体构架，对煤矿瓦斯浓度检测报警装置各部分的硬件进行了详细的设计，给出了煤矿瓦斯浓度检测报警装置的硬件设计电路和软件设计框图，最后使用 Proteus 软件验证设计内容的正确性和可行性，证明了基于单片机的便携式煤矿瓦斯浓度检测报警装置具有一定的实际应用价值。