基于AT89S51单片机的瓦斯报警器的设计-郑少波

150无线互联科技·市场纵横基于AT89S51单片机的瓦斯报警器的设计郑少波张少蓉(西安重装矿山电器设备有限公司，陕西西安710054)摘要：本文设计了一种基于单片机AT89S51和甲烷传感器MQ-4的煤矿瓦斯监测报警器，给出了其硬件组成及软件的设计方案，实现对瓦斯浓度的监测，当其浓度超过预警值时可进行声光报警并排风以降低瓦斯浓度。关键词：瓦斯监测；传感器；单片机；A/D转换电路多年来的实践证明，瓦斯浓度的监测监控器在监测煤矿井下安全状况，防范安全隐患方面起着重要作用，充分发挥其作用，是我国煤矿安全形势实现好转的关键。近年来，国有重点煤矿瓦斯爆炸事故较少的原因之一，就是绝大多数煤矿的高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井安装了瓦斯浓度监测监控器[1]。因此，瓦斯浓度监测监控器所要实现的功能包括根据所选的瓦斯传感器来设定瓦斯浓度预警值，采集瓦斯浓度并进行浓度显示及处理。当实际浓度超限时进行声光报警并同时控制排风扇进行排风以降低浓度含量。1总体方案随着超大规模数字集成电路、单片机技术的发展，利用单片机及其他外围芯片实现对瓦斯的监测成为一种可能，并且成为一种发展趋势。它体积小、操作简单、携带方便、功能较齐全等优点，而且性能价格比也很高，应用前景非常广泛。因此此次设计整体上是基于AT89S51单片机来实现煤矿瓦斯浓度监测报警。在这里我们运用到的气敏传感器是MQ-4，它是用来监测外部瓦斯的浓度，并将监测到得模拟信号转化为电压信号输出出来。然后再将电压信号输入到AD7109进行A/D转换变成数字信号，并在51单片机的控制下将其输入，然后在内部软件编程下进行数值变化处理。在单片机进行完整数据处理后就将其结果输出显示，从而显示出瓦斯气体的浓度，其中显示部分我们采用四位的LED数码管，用于显示瓦斯浓度值。若实际瓦斯浓度超限则在单片机的控制下进行声光报警。系统框图如图1所示。2报警器硬件设计2.1硬件总体设计此次设计的煤矿瓦斯监测报警器主要由气体传感器MQ-4、A/D转换器ICL7109、单片机AT89S51、LED显示电路、键盘控制电路、声光报警装置和附件电路组成。煤矿瓦斯监测报警器的硬件部分设计师以单片机系统为核心，用于整个设计的数据处理、声光报警电路等正常工作。在这里我们选用ATMEL公司生产的8位单片机AT89S51，这种单片机与以往采用的AT89C51相比新增加了很多功能，性能有了较大提升，片内4K的FLASH存储空间也能满足我们设计的要求，价格较之AT89C51基本不变甚至更低[2]。甲烷传感器采用MQ-4气敏传感器，用于探测采集瓦斯的浓度。由于该传感器的输出信号为模拟电压信号，要想将采集到得数据送至单片机系统进行数据处理则需要将模拟信号转换成数字信号，所以在这里我们还要选用ICL7109芯片进行模数转换处理。这里的ICL7109是一种双积分的12位A/D转换器，其性能价格比较高，是一种高精度、低噪声、低漂移A/D转换器。瓦斯浓度显示部分采用四位的LED数码管显示，在这里我们采用动态扫描方法显示各种参数。2.2监测电路根据煤矿安全规程规定，甲烷浓度超过1%时，检测仪表应进行报警；超过1.5%时，井下设备应断电；超过2%时应立即撤离所有人员。本项目所设计的矿瓦斯监测报警器范围为0%~2%，完全满足煤矿安全规程的要求。报警器能否正确显示瓦斯浓度，取决于传感器的好坏以及它的监测电路。监测电路是这个报警器中最重要的部分，我们设计的MQ-4检测电路如图2所示，其中可调节电阻R3是用来调整传感器[3]。该检测电路的特点：（1）桥路输出电压呈线性；（2）响应速度快；（3）具有良好的重复性、选择性；（4）元件工作稳定、可靠。2.3A/D转换电路A/D转换部分电路是由A/D转换器ICL7109构成的，根据转换器的的性能指标，考虑到系统的精度，我们选用了ICL7109转换器，它是一种高精度、低噪声、低漂移和低价格的双积分式A/D转换器，其数据输出为12位二进制数，配有较强的接口电路，能方便地与各种微处理器连接。本文所设计的AT89S51和ICL7109连接电路原理图如图3所示。其主要作用是将气体传感器MQ-4所得到的模拟电压信号转换成数字量（该模拟电压信号与瓦斯气体的体积分数相对应），便于输入到单片机中进行数据处理。2.4数据显示电路在显示器件的选择中我们采用了数码管进行显示数据。其中数码管显示器有两种显示方式，即静态显示方式和动态显示方式。由于此次显示电路是为了显示瓦斯浓度值其浓度变化的，所以我们采用动态显示。作者简介：郑少波（1962-），男，陕西西安人，工程师，毕业于西安理工大学，现在西安重装矿山电器设备有限公司工作，研究方向：矿山救护；张少蓉（1965-）女，上海人，工程师，毕业于西安基础大学，现在在西安重装矿山电器设备有限公司工作，研究方向：机械制造工艺。图1瓦斯报警器系统框图图2MQ-4检测电路151无线互联科技市场纵横·图3A/D转换电路由于采用动态显示，因此除了要给显示器提供显示段码之外，还要对显示器进行位的控制，即通常所说的“段控”和“位控”。因此对于采用动态显示的电路来说，单片机都需要提供两种输出口，一种用于输出显示段码，另一种用于输出位控信号[4]。“位控”实际上就是对LED显示器的公共端进行控制，位控信号的数目与显示器的位数相同。显示电路设计为四位LED，由单片机89S51的串行输出口经串行输入转并行输出来控制段选，位选接在P1口的P1.3~P1.6。这种设计是为了采用动态显示方式，如图4所示。2.5电源电路此次设计中我们用到的电源只用±5V，所以我们只需设计图4数据显示电路图5电源电路±5V的电源即可，电源福分电路由220V交流电经整流，滤波，稳压后得到的，如图5所示。3报警仪的软件设计3.1主程序单片机系统上电后，首先要对系统进行初始化，初始化程序包括内存空间的分配、初始变量的设置、设定堆栈指针等。正常初始化后开放定时器中断，外部中断和串行口中断，然后启动定时器定时。每隔一段时间对瓦斯的浓度采集一次，将采集到的模拟量浓度数据存到寄存器中，当系统在取数据进行显示的过程中要产生中断，调用中断处理子程序，在中断处理子程序中进行数据转换及显示浓度。主程序编好后编制各从属的程序和子程序，最后完成整个系统的软件设计。系统软件设计中要实现的功能有：用户机的单片机系统要完成定时地对瓦斯浓度进行检测，将瓦斯浓度值进行A/D转换，动态地显示采集到的瓦斯浓度值，声光报警。3.2数据处理/采集程序由A/D转换器的8位二进制数反映的是AD7109的输入电压的对应关系，而要显示瓦斯浓度，并且进行报警，就要根据它们之间的对应关系转换为反映瓦斯浓度的BCD码。当瓦斯浓度变化1%时，测试电路输出16mV电压，在经过放大电路放大，MQ-4传感器对瓦斯气体检测的最大浓度为2%，因此调节放大电路的放大倍数，使瓦斯浓度为2%时经放大电路放大后输出为+5V的直流电压。MQ-4传感器对于瓦斯的检测呈线性变化，因此，ICL7109输出的数字信号与瓦斯浓度存在线性关系，为了实时地显示瓦斯浓度，采用中断的形式对ICL7109转换的数据进行采集。整个采集由微处理器的若干指令完成。3.3中断子程序为了较准确的检测瓦斯浓度，我们需要对瓦斯浓度进行数据采集，这里是指单片机的数据采集。其硬件电路包括MQ-4、A/D7109及单片机，浓度经过传感器变换为模拟电压再经数模转换为数字信号送入单片机中，数据转换完毕之后是通过中断的方式送入单片机的。通过外部中断INTI来完成，由于检测瓦斯浓度在时间上较严格，更不允许丢失数据，所以INTI的终端优先级设定为高。其流程图6所示。152无线互联科技·市场纵横3调动一切积极因素创造性地开展工作为激发员工们的工作热情，充分调动一切积极因素，形成心往一处想，劲往一处使，立足干好本职、自我加压，互帮互学、互促互进，团结向上的良好氛围。全台上下展开“我为电台发展献计策”主题教育大讨论，以年终评选先进个人为契机，按照工作实绩，逐步拉开奖金考核档次。坚持抓班子、带队伍、树风气、促发展。台领导关心职工思想、工作和生活，千方百计帮助职工排忧解难，先后为机房配备了降温空调、添置了微波炉、电饭煲等值班生活必需品，为台里所有职工家庭安装了宽带网，此外，还组织职工积极参加无偿献血、庆“七一”党的知识竞赛、职工文体比赛等活动，极大地调动了员工们的工作热情。为确保播出安全，全台干部职工胸怀大志、情系事业，发扬主人翁精神，弘扬艰苦奋斗、勤俭办台的优良作风。去年夏季，顶着高温酷暑、抗着疲劳、不畏个人高空安全主动请战，对日久失修、锈蚀日益加剧的发射台自己组织防腐油漆、校正铁塔，紧固拉绳，不但保证了施工质量和安全，而且为电台节省了支出。为创建花园式单位，营造栓心留人的环境，我台自己动手在发射台院内种植了月季、龙柏、兰花、小叶黄杨球、葡萄等各类花木果树，不仅美化了环境，让大家真切的感受到工作尽心，生活开心，政治意识、责任意识、主人翁意识得到进一步提高，团队精神明显增强。4相互协调加强沟通构建文明和谐环境我们通常所说加强管理、强化管理、严格管理是指管理力度而言，而管理内容则涵盖着人、财、物的管理，其中认识首要因素，特别是人员的政治素质、业务素质至关重要。相互协调、加强沟通，努力构建文明和谐的工作环境，对于完成优质安全播出的的意义重大。广播电视是当和政府的喉舌，是党和政府重要的舆论工具，是连接党和人民群众的桥梁和纽带。大功率中短波台是一个非常重要的播出机构，是社会精神文明的直接参与者，是高尚情操、高尚道德的传播者，因此，工作人员的思想行为、精神境界、品德修养应具典范性，值机员要正确处理好内部与外部的关系，领导与同志间的关系，班与班的衔接关系，做好协调工作，有利于各个工作环节的良好运行，有利于形成工作合力。值机员应明确自己在整个工作运行中所处的地位，了解和适度把握与上下左右的关系，遵章守纪、掌握原则，做到诚恳谦虚，多请示、多汇报、多交流、多沟通，服从领导、听从指挥，积极参与机房的民主管理和机房组织的各种活动。作为管理者，工作要有前瞻性，要千方百计化解各类矛盾的发生，热爱事业，团结协作，同心同德，创新创业，顾家气、添朝气、鼓士气、扬锐气，用全身心来履行自己的职责，沟通和协调工作要讲求艺术，要尊重别人，与人为善，诚挚相待，换位思考，设身处地地做好职工的思想工作。现实工作中出现矛盾和分歧是在所难免的，这些矛盾和分歧若不及时调节和解决，就会造成相互误解和不满、产生隔阂和消极情绪。因此，管理者必须重视环境影响的作用，极力去创造一个团结文明和谐的环境。尽管，大功率中短波台的日常工作管理涉及面之广，面临的困难和矛盾之多，工作标准要求之高，但我们坚信，只要有一直坚定的政治素质和良好的业务技能团队，中波台的各项工作一定会井然有序、生机蓬勃，党和人民赋予我们的安全播出工作一定会不折不扣、高质量的完成。（上接第149页）3.4声光报警程序当声光报警开启后，当达到提醒人们离开的目的后，需要接触声光报警，接触报警有两种途径，一种是手动解除，一种是系统自动解除，若没有手动解除报警，则系统可通过调用20s的延时时间来自动解除报警。声光报警流程图如图7所示。4结束语图6中断子程序流程图图7声光报警流程图该报警器以AT89S51单片机为核心，采用高精度敏感元件MQ-4测量瓦斯浓度值，采用AD623新型集成运算放大器、AD7109数模转换器，是一种电路设计新颖、参数测量准确、结构简单、成本低、控制能力强、操作方便的瓦斯浓度报警器。它具有以下特点：测量范围宽、精度高、可检测的瓦斯浓度为0.00%~2.00%；具有设定报警下限值和声、光报警功能；仪器输出为低功耗，工作电压为直流+5V。本课题设计的便携式甲烷报警仪，为今后便携式仪器的研制和实用化提供了较好的实现方式，并且为该领域的研究提供了很好的参考依据。[参考文献][1]王元庆.新型传感器原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2002:67-69.[2]贾好来.MCS-51单片机原理及应用[M].北京：机械工业出版社,2007:32-34.[3]李永生,杨莉玲.半导体气敏元件的选