摘 要： 針對我國煤礦安全生產情況，提出了一種以ATmega16L單片機為核心的瓦斯監測報警系統設計方案。該系統采用LXK-3傳感器檢測礦井瓦斯濃度，利用ULN2803驅動處理后進行實時顯示，同時使用nRF2401通過無線方式實現上、下位機間數據傳輸。當瓦斯濃度超限時，及時發出聲光報警。
關鍵詞： 瓦斯監測；ATmega16L；超限報警
煤炭資源是我國三大能源之一,在我國的能源結構中占據了70%的份額，也是我國國民經濟持續、快速發展的支柱性產業。目前，我國95%的煤炭資源由礦井開采獲取。由于地下作業環境差等原因，礦難事故時有發生，其中瓦斯爆炸已經成為煤礦生產中最嚴重的災害之一，不僅造成人員大量傷亡，還摧毀了井下生產和安全設施。我國煤礦安全生產“十二五”規劃中已明確指出，將綜合治理和防范瓦斯爆炸作為煤礦安全生產的重要環節[1]。
瓦斯監測作為防范瓦斯爆炸的重要手段，已廣泛應用于煤礦的安全生產中。但傳統的瓦斯檢測設備體積大、移動不便，只能安放在井下固定地點檢測瓦斯濃度，如果礦井范圍大、井下的檢測點多，就需要放置大量的檢測設備，既增加了成本，也不便于維護，而且這些設備檢測速度慢、讀數不直觀、測量精度受環境影響較大[2]。因此將工控單片機技術引入煤礦安全生產，設計出實時、靈敏、精準的瓦斯監測和報警系統，不僅可以改善傳統監測設備的不足，更可為瓦斯事故的防范和治理提供有力的手段，具有重要的社會意義和實用價值。
1 系統總體設計方案
瓦斯監測報警系統由數據采集模塊、單片機處理模塊、信息通信模塊、動態顯示模塊和超限報警模塊組成。其中，數據采集模塊的主要功能是通過瓦斯（甲烷）傳感器實時檢測作業環境中的瓦斯氣體濃度信息，經放大處理后，輸入單片機作為整個系統的輸入信號。單片機處理模塊將輸入信號與片內模擬比較器預先設定的安全濃度閾值進行比對，根據實際情況做出判定和控制。信息通信模塊利用無線通信方式完成上、下位機的數據傳輸，為井上人員提供實時監測數據，便于進行預判和整體調控。動態顯示模塊通過LED實時顯示作業環境中的瓦斯濃度信息，便于井下人員對環境的感知。超限報警模塊實現礦井瓦斯在超標濃度狀態下的聲光預警功能。瓦斯監測和報警系統原理框圖如圖1所示。
2 系統硬件設計
2.1 單片機
單片機是整個監測報警系統的核心，主要負責對實時采集的瓦斯濃度數據信息進行處理，并將信息上傳給上位機進行記錄和存儲，同時將狀態信息傳至動態顯示模塊進行顯示，當超出安全濃度閾值時發出報警控制信號。經對系統預期實現功能和器件的性價比分析，本系統采用美國Atmel公司生產的ATmega16L單片機作為系統核心控制芯片。它是一款高性能、低功耗的8位AVR微處理器，具有內置模數轉換器和模擬比較器。其特點如下：16 KB系統內可編程Flash；512 B E2PROM；16 KB SRAM；32個雙向通用I/O口；32個通用工作寄存器；8路10位ADC；8位有PWM與異步操作的定時/計數器；內部自帶看門狗電路，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 數據采集模塊
數據采集模塊由濃度傳感器和信號放大器兩部分構成，主要完成采集作業環境瓦斯濃度信息到單片機輸入信號的轉換。其中，濃度傳感器采用中船重工集團七一八研究所的LXK-3催化元件傳感器，該元件可以用于煤礦、石油和化工等領域，穩定性高、精度高、重復性好、響應速度快，可與瓦斯濃度呈線性輸出。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%。結合催化元件電橋式結構原理，信號放大部分采用經典的差分放大電路，不僅可提高信號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]。數據采集模塊電路如圖2所示。
2.3 信息通信模塊
通信模塊主要將下位機采集數據向上位機傳輸，便于井上技術人員的分析和調度。鑒于煤礦井下特殊的生產條件，模塊采用無線傳輸方式實現數據通信。本文選用Nordic公司生產的nRF401無線傳輸芯片實現數據的收發，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。芯片內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器等功能模塊，使用GFSK調制，抗干擾能力強，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的數據收發端直接與MCU的串行口相連，其中DIN和DOUT為數據的輸入端和輸出端，分別與MCU的PD1和PD0連接，實現數據的讀取和寫入。TXEN、CS和PWR_UP依次為收發方式控制端、頻道選擇端和節電控制端口，分別與PD4、PD5和PD6連接實現相應控制選擇。通信模塊接口示意圖如圖3所示。
2.5 超限報警模塊
當檢測到作業環境中瓦斯濃度超過設定的安全閾值時，自動發出光信號和聲音報警，及時提醒井下人員采取措施或撤離。超限報警模塊電路如圖5所示。
報警電路通過單片機的PC0～PC2端口實現控制。當環境中的氣體濃度正常時，僅PC0端口輸出高電平，綠色指示燈支路導通，使其處于常亮的狀態。而當氣體濃度超限時，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導通，發出紅光報警和聲音報警。
3 軟件設計
軟件部分的合理設計和調用，可充分發揮系統內部資源，實現系統的最佳功效。為提高系統開發調試效率，增強程序的可讀性和可移植性，軟件部分全部采用C語言編寫，由下位機主程序和多個可調用的子程序構成。
下位機主控程序是整個軟件的核心，也體現了系統的工作流程。系統工作時，首先對單片機和相關外設芯片進行初始化，而后單片機進入到主程序的執行階段。對礦井瓦斯濃度數據采集并處理后，利用單片機內部模擬比較器，實現與預設安全濃度閾值的比較。當采集濃度超出安全閾值時，發出聲光報警提示。另外，采集的濃度數據可在數碼管上實時顯示，并當有通信要求時，將數據上傳并進行存儲。下位機的主控程序流程圖如圖6所示。
本文將工控單片機技術運用到煤礦安全生產過程中，設計了一款以ATmega16L單片機為核心的智能瓦斯監測報警系統。詳細介紹了硬件電路的工作原理和設計過程，給出了系統軟件主控程序流程圖。該系統結構簡單、操作方便，響應速度和精度均較傳統探測設備有明顯的改進，且便于隨身攜帶，其應用和推廣可為有效地預防瓦斯爆炸礦難事故發生提供有力的監測手段。
參考文獻
[1] 中華人民共和國國家安全生產監督管理總局.煤礦安全生產“十二五”規劃文件[S].2011.
[2] 運寶珍，劉洪.瓦斯災害防治技術[M].北京：煤炭工業出版社，2007.
[3] ATMEL Corporation.AVR單片機ATmega16單片機中文說明書[A].2001.
[4] 韓廣興.電子元器件與實用電路基礎[M].北京：電子工業出版社，2005.
[5] 馬銀花，楊昆松.基于nRF401煤礦瓦斯無線監測系統的設計[J].煤礦機械，2009，30(5)：132-133.