*河南省重点科技关系项目（132102210385；142102210042）；河南省教育厅科学技术研究重点项目（13B413968）；郑州市科技攻关项目（121PPTGG418）煤矿机械CoalMineMachineryVol.36No.12Dec.2015第36卷第12期2015年12月基于PIC单片机的智能化瓦斯浓度监测报警仪的研究与设计*段现星，王晓侃，魏新华（河南机电职业学院，河南新郑451191）摘要：为了实时自动监测矿井中瓦斯浓度，保障煤矿安全生产和员工生命安全，设计了一种基于PIC单片机的智能化瓦斯浓度监测报警仪。设备采用LXK-3传感器检测矿井瓦斯浓度，将采集到的数据以电压形式传送给单片机；利用单片机直接驱动方式动态显示瓦斯浓度，瓦斯浓度超限时，及时发出声光报警信号；通过使用nRF2401实现上、下位机间通讯数据的无线传输。关键词：瓦斯浓度；PIC单片机；无线传输；报警中图分类号：TD76文献标志码：A文章编号：1003－0794（2015）12－0231－03ResearchandDesignofIntelligentGasConcentrationMonitoringandAlarmingInstrumentBasedonPICMicrocontrollerDUANXian-xing,WANGXiao-kan,WEIXing-hua（He’nanMechanicalandElectricalVocationalCollege,Xinzheng451191,China)Abstract:Inordertoreal-timeautomaticmonitorthegasconcentrationinthecoalmineandensurecoalminesafetyproductionandsafetyoftheemployees,theintelligentgasconcentrationmonitoringandalarminginstrumentbasedonPICmicrocontrollerwasdesigned.ThegasconcentrationintheminewasdetectedbytheLXK-3sensoroftheequipment,thenthecollecteddatawillbetransmittedtothesinglechipmicrocontrollerintheformofvoltage;thegasconcentrationwasdynamicdisplayedbyusingdirectdriveofthemicrocontroller,whenthegasconcentrationexceedsthelimit,theequipmentwillgivethesoundandlightalarmsignalintime;ThedatabetweeninhostcomputerandthelowermachinewillbewirelesstransmittedbyusingnRF2401.Keywords:gasconcentration;PICMCU;wirelesstransmission;alarmdoi:10.13436/j.mkjx.2015120991系统总体设计方案基于PIC单片机的智能化瓦斯浓度监测报警仪主要由电源模块、数据采集和处理模块、通信模块、显示模块和声光报警模块等单元电路组成。工作过程：采用LXK-3热催化式瓦斯浓度传感器实时监测矿井内的CH4气体浓度，经过精密集成放大电路对采集到的瓦斯浓度信息进行放大、滤波、整形等处理，采集的瓦斯浓度数据直接输入单片机的RA0口作为整个监测控制系统的输入信号；该输入量与单片机内部预先存储的设定值进行比对，根据实际对比结果及时做出判断和控制，并对瓦斯浓度的情况动态监测和显示。如果超出设定阈值，设备能及时准确发出声光报警信号，以便操作人员及时安排疏散和撤离作业人员。该设备井上和井下的数据可以通过使用nRF2401配合上下位机实现无线数据传输，为井上生产管理人员提供动态监测数据。基于PIC单片机的智能化瓦斯监测报警仪原理如图1所示。图1基于PIC单片机控制的智能化瓦斯监测仪原理框图2系统硬件设计（1）单片机的选择单片机是系统控制的核心，决定着整个系统运行的可靠性和稳定性。本设计需要对瓦斯浓度数据进行实时监测和控制，通过无线传输方式进行上传，同时需要动态显示和报警，经过分析系统预期功能、对比各型号器件的性价比，决定采用PIC16F877单片机作为核心器件。该器件具有Flashprogram程序内存功能，可以重复烧录程序、采用精简指令集、开发简单、可靠性高、驱动能力强，同时具有开发环境优越、引脚具有防瞬态能力、自带看门狗定时器、功耗低、保密性强等优点，特别适合应用于可靠性要求高的工控场合。计算机应用数据采集模块通信模块电源模块显示模块报警模块PIC单片机231中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

LXK-31234VCCR1RpR2RES245312U2A2R5R9R812R4R312U1AR6R7U3ARA054322543（2）电源模块电源主要为系统各单元、单片机和各集成电路部分提供不同等级的电压，本系统设计的电压等级有12V、5V、3.3V三种。工频220V交流电经过降压、整流、滤波得到12V电压；由三端集成稳压器LM7805得到5V电压；再利用电压线性稳压芯片TPS7333得到稳定输出电压3.3V，可以很好地满足系统的电源需求，保证整个系统的稳定性，工作效率较高。（3）数据采集和处理模块数据信号采集模块包括传感器的选择和信号处理两部分，该模块实现在作业环境下瓦斯浓度的检测，通过放大电路线性处理为控制系统提供需要的数据。①瓦斯浓度传感器的选择LXK-3热催化式气敏传感器适用于天然气、液化石油气和城市煤气等多种可燃气体的检测和报警。该传感器是利用瓦斯在催化元件上的氧化生热引起其电阻的变化来测定瓦斯浓度的，其优点是成本低，输出信号大，对于1%的气样，电桥输出可达15mV以上；与瓦斯浓度呈线性输出，处理和显示比较方便，快速响应特性好，精度高，重复性好；同时受背景气体和温度变化的影响小，容易实现自动检测。工作电压为DC2.8±0.1V，输出电压为-50～+50mV，量程为0～100%；②数据信号处理LXK-3热催化式气敏传感器检测转换得到的电信号非常微弱，本设计利用集成精密放大电路对检测信号进行处理，可以得到0~5V的直流电信号，然后利用A/D转换器转换为数字信号，再由单片机进行处理。本设计结合热催化式元件桥式电路的原理，对微弱信号采用集成精密差分放大电路，利用电路参数的对称性和负反馈作用，以提高输入信号处理电路的阻抗，有效地稳定静态工作点，以放大差模信号抑制共模信号，具有很强的抑制零点漂移及抑制噪声与干扰的能力。数据采集和处理模块电路如图2所示。图2数据采集和处理模块（4）通信模块考虑到煤矿井下生产作业环境复杂，本设计采用无线传输方式实现井上和井下的数据通信。通过下位机把采集到的气体浓度数据传给上位机，以便于地面生产管理人员进行实时的分析和调度。根据需要，本设计选用nRF2401无线传输芯片实现数据的收发，该芯片工作频率为2.4～2.5GHzISM频段，工作电压范围为DC1.9～3.6V，功能模块齐全，使用GFSK调制，抗干扰能力强，方便实现单片机与其SPI通信端口的连接。单片机可以通过SPI接口与通讯芯片nRF2401进行通讯，此时要求单片机的RC3、RC4、RC5分别与nRF2401的CLK1、DATA连接，且RC4、RC5与DATA之间的连接必须装接电阻。单片机的RB5要与通讯芯片的关机模式PWR_UP连接；单片机的RB6需要与通讯芯片的收发信号CE连接。通讯芯片的DR1端是数据接收状态端，其与单片机的中断引脚RB0和引脚RB3连接，若DR1为高电平时，表明正在接收数据；若DR1为低电平时，表明单片机数据接收完毕。为了防止引脚信号之间互相干扰，在RB3和RB0、RB4和RB5之间分别设置了10kΩ的电阻；同时为了保证nRF2401通讯的稳定性，在其外围使用了环形天线，并在ANT2和ANTI之间使用了高Q高精度的贴片绕线高频电感和高稳定性贴片电容，在XC2和XC1之间使用了高稳定晶体和贴片电容。通信模块接口如图3所示。图3通信模块（5）显示模块根据煤矿安全规程的要求，回风流中瓦斯浓度不得超过1.0％；进行巷道维修工作时，瓦斯浓度必须低于1.5%；甚至有的场合瓦斯浓度不得超过0.5%。本设计的瓦斯浓度监测仪满足1.0%的要求，当超标时系统会自动进行声光报警并显示当前浓度值。系统瓦斯浓度动态显示采用了3段8位LED数码管。该设备采用将3位LED的段选择线并联一起的共阴极动态扫描显示方式，由RD口（RD0~RD7）第36卷第12期Vol.36No.12基于PIC单片机的智能化瓦斯浓度监测报警仪的研究与设计———段现星，等+3.3VVDDC1C230pF30pFY1OSC1OSC2PIC16F877nRF204122pFC322pFC4R161MY110kΩ10kΩR14R13XC2XC1DATA817VDD6DR123PVR_UP1CE5CS7CLK1R11R1210kΩ10kΩRB3RB0/INTRB5RB6RB7RC3/SCKRC5/SDORC4/RDIANT2SNT1VDD_PAVSSVSS_PAIREFDVDD1114131816199C51pFL13.6nHC6E11pFL222nHC7C822pF22pFR15C933nF232中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

第36卷第12期Vol.36No.12基于PIC单片机的智能化瓦斯浓度监测报警仪的研究与设计———段现星，等经过470Ω电阻限流后驱动控制段选输出需要显示的字符。本设计的位选控制是利用PIC单片机直接驱动LED实现，通过RA0~RA2设置为高电平驱动3个三极管，位的选择便通过三极管输出的低电平来实现。通过软件编程，对数码管进行循环扫描，将20H、21H、22H数据存储器中的数（0~9）在3位LED数码管中实现动态显示。（6）报警模块一旦矿井中瓦斯浓度超过预先设定的安全值域时，系统自动启动声光报警电路，在井上和井下发出报警信号，提醒井下作业人员及时疏散和撤离，同时为井上生产管理人员开辟安全通道提供信号。声光报警模块电路如图4所示。报警电路的具体工作过程：通过单片机的RC0～RC2端口实现对正常和危机情况的控制。如果煤矿井下瓦斯浓度处于正常状态时，单片机的RC0端口便输出高电平，使电路中的绿色指示灯点亮，而且保持一直导通；如果井下瓦斯浓度超过设定值时，单片机的RC0端口输出低电平，RC1和RC2端口同时输出高电平，使电路中的红色报警指示灯闪亮，同时高电平驱动三极管使蜂鸣器发出报警信号。图4报警模块电路3系统软件设计本系统软件设计采用C语言进行编程，充分发挥PIC单片机内部资源优势；同时所编写的程序可读性和可移植性较好，提高系统开发和调试效率。程序由主程序和多个可调用的子程序构成。设备一旦开始工作，单片机及相关外围元件开始初始化，然后对各个变量参数设定初始值或者设定值，主程序进入了执行阶段；然后对所监控的矿井环境中的瓦斯浓度开始采集，经过放大电路处理和传输，再把信号传送到单片机内部的模拟比较器，与设定值进行比较。若瓦斯浓度高于设定值，系统则会发出声光报警信号，提醒所有相关人员注意。同时，瓦斯浓度可以在3段8位的LED数码管上动态显示，利用nRF2401实现数据的无线传输，到上位机时进行实时存储。主程序流程如图5所示。图5主程序流程图4结语基于PIC单片机的智能化瓦斯监测报警仪实现了对煤矿井下瓦斯浓度的准确、快速、实时监测和预警，不仅可以实时分析、处理数据，还可以通过无线传输方式实行远程监控。该设备可靠性高、检测精度高、稳定性强，提高了煤矿企业相关监测部门的管理水平和工作效率。参考文献：［1］朱高中.基于单片机的矿井瓦斯浓度监测系统的研究［J］.仪表技术与传感器，2012（11）：95-97.［2］谢子殿，刘明辉，高寒.基于C8051F040单片机的红外瓦斯传感器的设计与研究［J］.工业仪表与自动化装置，2011（3）：43-46.［3］高敏，张烁.基于AVR的煤矿瓦斯监测仪的设计［J］.煤矿机械，2013，34（6）：237-238.［4］李岩岩，李敬兆.无线传感网络在瓦斯智能监控系统的应用［J］.煤矿机械，2013，34（5）：275-276.［5］窦新宇.基于PIC单片机的煤与瓦斯突出检测系统的设计［J］.制造业自动化，2013（7）：48-49+54.［6］陆宝军，王社新，刘振锋.煤矿瓦斯监控报警平台的设计［J］.煤炭技术，2013，32（4）：75-77.［7］刘红霞，陈新.基于单片机的煤矿瓦斯小型智能监控系统设计［J］.煤炭技术，2013，32（3）：95-97.作者简介：段现星（1973-），河南襄城人，副教授，研究方向：单片机及控制技术，电子信箱：wangkanzzuedu@163.com.责任编辑：武伟民收稿日期：2015－11－29VCCR1330R2330R32KΩLS1SPEAKERQ1NPND1LEDD2LEDRC0RC1RC2开始系统初始化设定预计参数数据采集处理正常浓度判断超值报警启动动态显示数据上传233中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net