摘  要： 針對(duì)我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)情況，提出了一種以ATmega16L單片機(jī)為核心的瓦斯監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)采用LXK-3傳感器檢測(cè)礦井瓦斯?jié)舛龋肬LN2803驅(qū)動(dòng)處理后進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)使用nRF2401通過(guò)無(wú)線方式實(shí)現(xiàn)上、下位機(jī)間數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸迺r(shí)，及時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警。
關(guān)鍵詞： 瓦斯監(jiān)測(cè)；ATmega16L；超限報(bào)警

    煤炭資源是我國(guó)三大能源之一,在我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)了70%的份額，也是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)、快速發(fā)展的支柱性產(chǎn)業(yè)。目前，我國(guó)95%的煤炭資源由礦井開采獲取。由于地下作業(yè)環(huán)境差等原因，礦難事故時(shí)有發(fā)生，其中瓦斯爆炸已經(jīng)成為煤礦生產(chǎn)中最嚴(yán)重的災(zāi)害之一，不僅造成人員大量傷亡，還摧毀了井下生產(chǎn)和安全設(shè)施。我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)“十二五”規(guī)劃中已明確指出，將綜合治理和防范瓦斯爆炸作為煤礦安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)[1]。
    瓦斯監(jiān)測(cè)作為防范瓦斯爆炸的重要手段，已廣泛應(yīng)用于煤礦的安全生產(chǎn)中。但傳統(tǒng)的瓦斯檢測(cè)設(shè)備體積大、移動(dòng)不便，只能安放在井下固定地點(diǎn)檢測(cè)瓦斯?jié)舛?，如果礦井范圍大、井下的檢測(cè)點(diǎn)多，就需要放置大量的檢測(cè)設(shè)備，既增加了成本，也不便于維護(hù)，而且這些設(shè)備檢測(cè)速度慢、讀數(shù)不直觀、測(cè)量精度受環(huán)境影響較大[2]。因此將工控單片機(jī)技術(shù)引入煤礦安全生產(chǎn)，設(shè)計(jì)出實(shí)時(shí)、靈敏、精準(zhǔn)的瓦斯監(jiān)測(cè)和報(bào)警系統(tǒng)，不僅可以改善傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的不足，更可為瓦斯事故的防范和治理提供有力的手段，具有重要的社會(huì)意義和實(shí)用價(jià)值。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
    瓦斯監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、單片機(jī)處理模塊、信息通信模塊、動(dòng)態(tài)顯示模塊和超限報(bào)警模塊組成。其中，數(shù)據(jù)采集模塊的主要功能是通過(guò)瓦斯（甲烷）傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)作業(yè)環(huán)境中的瓦斯氣體濃度信息，經(jīng)放大處理后，輸入單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的輸入信號(hào)。單片機(jī)處理模塊將輸入信號(hào)與片內(nèi)模擬比較器預(yù)先設(shè)定的安全濃度閾值進(jìn)行比對(duì)，根據(jù)實(shí)際情況做出判定和控制。信息通信模塊利用無(wú)線通信方式完成上、下位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，為井上人員提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，便于進(jìn)行預(yù)判和整體調(diào)控。動(dòng)態(tài)顯示模塊通過(guò)LED實(shí)時(shí)顯示作業(yè)環(huán)境中的瓦斯?jié)舛刃畔?，便于井下人員對(duì)環(huán)境的感知。超限報(bào)警模塊實(shí)現(xiàn)礦井瓦斯在超標(biāo)濃度狀態(tài)下的聲光預(yù)警功能。瓦斯監(jiān)測(cè)和報(bào)警系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 單片機(jī)
    單片機(jī)是整個(gè)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)對(duì)實(shí)時(shí)采集的瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，并將信息上傳給上位機(jī)進(jìn)行記錄和存儲(chǔ)，同時(shí)將狀態(tài)信息傳至動(dòng)態(tài)顯示模塊進(jìn)行顯示，當(dāng)超出安全濃度閾值時(shí)發(fā)出報(bào)警控制信號(hào)。經(jīng)對(duì)系統(tǒng)預(yù)期實(shí)現(xiàn)功能和器件的性價(jià)比分析，本系統(tǒng)采用美國(guó)Atmel公司生產(chǎn)的ATmega16L單片機(jī)作為系統(tǒng)核心控制芯片。它是一款高性能、低功耗的8位AVR微處理器，具有內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器和模擬比較器。其特點(diǎn)如下：16 KB系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash；512 B E2PROM；16 KB SRAM；32個(gè)雙向通用I/O口；32個(gè)通用工作寄存器；8路10位ADC；8位有PWM與異步操作的定時(shí)/計(jì)數(shù)器；內(nèi)部自帶看門狗電路，及串行接口SPI和TWI；振蕩器頻率為0～8 MHz；工作電壓范圍為2.7 V～5.5 V[3]。
2.2 數(shù)據(jù)采集模塊
    數(shù)據(jù)采集模塊由濃度傳感器和信號(hào)放大器兩部分構(gòu)成，主要完成采集作業(yè)環(huán)境瓦斯?jié)舛刃畔⒌絾纹瑱C(jī)輸入信號(hào)的轉(zhuǎn)換。其中，濃度傳感器采用中船重工集團(tuán)七一八研究所的LXK-3催化元件傳感器，該元件可以用于煤礦、石油和化工等領(lǐng)域，穩(wěn)定性高、精度高、重復(fù)性好、響應(yīng)速度快，可與瓦斯?jié)舛瘸示€性輸出。工作電壓為DC 2.8±0.1 V，輸出電壓為-50 mV～+50 mV，量程為0～100%。結(jié)合催化元件電橋式結(jié)構(gòu)原理，信號(hào)放大部分采用經(jīng)典的差分放大電路，不僅可提高信號(hào)處理電路的輸入阻抗，且具有高共模抑制比和高差模增益[4]。數(shù)據(jù)采集模塊電路如圖2所示。

2.3 信息通信模塊
    通信模塊主要將下位機(jī)采集數(shù)據(jù)向上位機(jī)傳輸，便于井上技術(shù)人員的分析和調(diào)度。鑒于煤礦井下特殊的生產(chǎn)條件，模塊采用無(wú)線傳輸方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。本文選用Nordic公司生產(chǎn)的nRF401無(wú)線傳輸芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)，該芯片工作頻率為2.4 GHz～2.5 GHz ISM頻段，工作電壓范圍為DC 1.9 V～3.6 V。芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，使用GFSK調(diào)制，抗干擾能力強(qiáng)，其SPI通信端口適合與各種MCU連接[5]。
    通信模塊采用PCB天線，nRF401的數(shù)據(jù)收發(fā)端直接與MCU的串行口相連，其中DIN和DOUT為數(shù)據(jù)的輸入端和輸出端，分別與MCU的PD1和PD0連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取和寫入。TXEN、CS和PWR_UP依次為收發(fā)方式控制端、頻道選擇端和節(jié)電控制端口，分別與PD4、PD5和PD6連接實(shí)現(xiàn)相應(yīng)控制選擇。通信模塊接口示意圖如圖3所示。

2.5 超限報(bào)警模塊
    當(dāng)檢測(cè)到作業(yè)環(huán)境中瓦斯?jié)舛瘸^(guò)設(shè)定的安全閾值時(shí)，自動(dòng)發(fā)出光信號(hào)和聲音報(bào)警，及時(shí)提醒井下人員采取措施或撤離。超限報(bào)警模塊電路如圖5所示。

    報(bào)警電路通過(guò)單片機(jī)的PC0～PC2端口實(shí)現(xiàn)控制。當(dāng)環(huán)境中的氣體濃度正常時(shí)，僅PC0端口輸出高電平，綠色指示燈支路導(dǎo)通，使其處于常亮的狀態(tài)。而當(dāng)氣體濃度超限時(shí)，PC0端輸出低電平，PC1和 PC2端口輸出高電平，使紅燈支路和蜂鳴器支路同時(shí)導(dǎo)通，發(fā)出紅光報(bào)警和聲音報(bào)警。
3 軟件設(shè)計(jì)
    軟件部分的合理設(shè)計(jì)和調(diào)用，可充分發(fā)揮系統(tǒng)內(nèi)部資源，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最佳功效。為提高系統(tǒng)開發(fā)調(diào)試效率，增強(qiáng)程序的可讀性和可移植性，軟件部分全部采用C語(yǔ)言編寫，由下位機(jī)主程序和多個(gè)可調(diào)用的子程序構(gòu)成。
    下位機(jī)主控程序是整個(gè)軟件的核心，也體現(xiàn)了系統(tǒng)的工作流程。系統(tǒng)工作時(shí)，首先對(duì)單片機(jī)和相關(guān)外設(shè)芯片進(jìn)行初始化，而后單片機(jī)進(jìn)入到主程序的執(zhí)行階段。對(duì)礦井瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)采集并處理后，利用單片機(jī)內(nèi)部模擬比較器，實(shí)現(xiàn)與預(yù)設(shè)安全濃度閾值的比較。當(dāng)采集濃度超出安全閾值時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警提示。另外，采集的濃度數(shù)據(jù)可在數(shù)碼管上實(shí)時(shí)顯示，并當(dāng)有通信要求時(shí)，將數(shù)據(jù)上傳并進(jìn)行存儲(chǔ)。下位機(jī)的主控程序流程圖如圖6所示。

    本文將工控單片機(jī)技術(shù)運(yùn)用到煤礦安全生產(chǎn)過(guò)程中，設(shè)計(jì)了一款以ATmega16L單片機(jī)為核心的智能瓦斯監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了硬件電路的工作原理和設(shè)計(jì)過(guò)程，給出了系統(tǒng)軟件主控程序流程圖。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，響應(yīng)速度和精度均較傳統(tǒng)探測(cè)設(shè)備有明顯的改進(jìn)，且便于隨身攜帶，其應(yīng)用和推廣可為有效地預(yù)防瓦斯爆炸礦難事故發(fā)生提供有力的監(jiān)測(cè)手段。
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