CN201429890Y - 一种瓦斯报警器 - Google Patents

Abstract

一种瓦斯报警器，其中：包括瓦斯检测电路、检测信号放大电路、A/D转换电路、数据处理器、操控电路、报警电路，其中，瓦斯检测电路、检测信号放大电路、A/D转换电路依次连接，A/D转换电路的信号输出端连接数据处理器的检测信号输入端，数据处理器的参数设定信号输入端连接操控电路的信号输出端，数据处理器的报警信号输出端连接报警电路的信号输入端。可通过操控电路将预设定参数输入数据处理器中，当瓦斯检测电路检测到当前瓦斯浓度高于预设定参数时，瓦斯报警器报警；还可设置显示电路，实时显示当前的瓦斯浓度；还可设置通讯电路，将当前检测到的瓦斯浓度等信息上传至上位机，供上位机存储、分析。

Description

一种瓦斯报警器

技术领域

本实用新型涉及一种矿井生产中的瓦斯报警器。

背景技术

矿井瓦斯是指煤矿井下空气中以甲烷(CH4)为主的有毒有害气体的总称。是在煤矿生产过程中的产生的有害气体，当这种危险气体的浓度过高时一旦遇到明火就会发生爆炸。它严重威胁着矿工生命和国家财产的安全，根据统计，瓦斯已成为造成我国煤矿恶性事故的″第一杀手″。因此，对瓦斯气体进行时实监控在煤矿安全生产中显得非常重要。

瓦斯爆炸的基本条件有三：一是有一定浓度的瓦斯(瓦斯浓度达5％～16％)；二是有一定温度(＞650℃)的引火源，且存在时间大于瓦斯引火感应期；三是氧气浓度大于12％。为了防止瓦斯爆炸事故的发生，人们已经使用了多种监测方法和监测仪器。为了使煤炭开采达到安全和高产高效之目的，我国各主要煤矿安全研究机构均致力于瓦斯治理技术以及瓦斯治理控制参数的研究.其主要发展趋势为：①研究适合于煤炭开采的低成本，高效率和适应能力较强的瓦斯抽放技术和措施；②研究采煤工作面瓦斯抽放和煤层自然发火的相关关系；③研究和开发多功能，高可靠，自适应能力较强的智能化连续式瓦斯抽放监控综合自动化装置。

为了防止瓦斯爆炸事故的发生，瓦斯检测在国内外的研究比较多，人们已经研究了多种监测方法和监测仪器。本文根据我国国情实际出发，针对目前中小煤矿的状况，如果能设计出一种适用于中小型采矿使用的瓦斯检测报警器。可以对煤矿瓦斯的浓度进行监测，当瓦斯的浓度超过一定程度，可以发出声光报警.进行监测的技术人员可以迅速采取其他措施(打开通风设备，切断电源等)，在一定程度上能减少瓦斯爆炸的机率，减少经济损失和人员的伤亡。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种适用于中小型煤矿使用的瓦斯报警器，具有报警限设定、报警的功能，进一步的目的是该瓦斯报警器具有现场浓度显示的功能以及与上位机通信的功能。

一种瓦斯报警器，其中：包括瓦斯检测电路、检测信号放大电路、A/D转换电路、数据处理器、操控电路、报警电路，其中，瓦斯检测电路、检测信号放大电路、A/D转换电路依次连接，A/D转换电路的信号输出端连接数据处理器的检测信号输入端，数据处理器的参数设定信号输入端连接操控电路的信号输出端，数据处理器的报警信号输出端连接报警电路的信号输入端。

所述的瓦斯报警器，其中：所述的瓦斯报警器还包括显示电路，该显示电路的信号输入端连接所述数据处理器的显示信号输出端。

所述的瓦斯报警器，其中：所述的显示电路包括显示驱动芯片、数码管集成芯片，显示驱动芯片的信号输入端连接所述数据处理器的显示信号输出端，显示驱动芯片的信号输出端连接数码管集成芯片的信号输入端。

所述的瓦斯报警器，其中：所述的显示驱动芯片采用芯片74LS377，所述的数码管集成芯片采用三数码管集成的显示芯片。

所述的瓦斯报警器，其中：所述的瓦斯报警器还包括通信电路，该通信电路一端连接数据处理器的通信输入/输出端，该通信电路另一端用于连接上位机。

所述的瓦斯报警器，其中：所述的数据处理器采用单片机AT89S52。

所述的瓦斯报警器，其中：所述的瓦斯检测电路包括型号为MC112的瓦斯传感器，所述检测信号放大电路包括型号为AD623的放大器，该瓦斯传感器的信号输出端连接该放大器的信号输入端，该放大器的信号输出端连接所述A/D转换电路的信号输入端。

所述的瓦斯报警器，其中：所述的A/D转换电路包括一A/D转换芯片ADC0804。

所述的瓦斯报警器，其中：所述的通信电路包括一型号为MAX232的通信芯片，该通信芯片的通讯信号输入端连接所述数据处理器的串行接口，该通信芯片的通讯信号输出端用于连接上位机的串行接口。

本实用新型采用上述技术方案将达到如下的技术效果：

本实用新型的瓦斯报警器，可通过操控电路将预设定参数输入数据处理器中，瓦斯报警器上电工作时，当瓦斯检测电路检测到当前瓦斯浓度高于预设定参数时，瓦斯报警器报警；本实用新型的瓦斯报警器，进一步设置了显示电路，可实时显示当前的瓦斯浓度，方便矿工对当前环境瓦斯浓度一目了然；本实用新型的瓦斯报警器还可包括有通讯电路，可将当前检测到的瓦斯浓度、预设定参数等信息上传至上位机，供上位机存储、分析；此外，本实用新型的瓦斯报警器，数据处理器采用单片机AT89S52、A/D转换电路中采用A/D转换芯片ADC0804、通信电路中采用通信芯片MAX232、显示电路中的显示驱动芯片采用芯片74LS377、所述的数码管集成芯片采用三数码管集成的显示芯片，这些芯片均为现有成熟技术、可靠性高且成本低廉，适于中小型采矿环境；此外，瓦斯检测电路中采用瓦斯传感器MC112，检测灵敏度高，检测信号放大电路中采用放大器AD623，精度高，降低传输误差。

附图说明

图1为本实用新型一种瓦斯报警器的结构框图；

图2为本实用新型一种瓦斯报警器的电路原理图。

具体实施方式

一种瓦斯报警器，如图1所示，包括瓦斯检测电路、检测信号放大电路、A/D转换电路、数据处理器、按键操控电路、声光报警电路、LED显示电路、通信电路，其中，瓦斯检测电路、检测信号放大电路、A/D转换电路依次连接，A/D转换电路的信号输出端连接数据处理器的检测信号输入端，数据处理器的参数设定信号输入端连接按键操控电路的信号输出端，数据处理器的报警信号输出端连接声光报警电路的信号输入端，数据处理器的通讯接口通过通信电路与上位机通信连接。

图2为本实用新型一种瓦斯报警器的电路原理图，其中，瓦斯检测电路中的瓦斯传感器采用MC112(由两个敏感元件S、C串联构成)，其两端并联一电位器RP1，还并联有由电阻R16、R17构成的串联电路，电位器RP1的可调端子连接在电阻R16、R17的中间接点，构成分压电路；电阻R16、R17的中间接点、瓦斯传感器MC112中两敏感元件S、C的中间接点分别对应连接检测信号放大电路中放大器AD623的两输入接脚，放大器AD623的输出端连接A/D转换电路中A/D转换芯片U2(采用ADC0804)的输入端6脚，A/D转换芯片U2的1、2、3脚分别连接数据处理器U1的27、17、16脚，A/D转换芯片U2的I/O端口11~18脚分别一一对应连接数据处理器U1的I/O端口32~39脚；数据处理器U1的光报警信号输出端15脚通过第一PNP型开关三极管Q5连接一LED发光二极管L1的负极，LED发光二极管L1的正极连接电源模块的+5V电源输出端；数据处理器U1的声报警信号输出端14脚通过第二PNP型开关三极管Q1连接蜂鸣器B1的一端，蜂鸣器B1的另一端连接电源模块的+5V电源输出端；数据处理器U1的显示信号输出端5、6、7脚分别通过第三、第四、第五PNP型开关三极管Q4、Q3、Q2连接三数码管集成的显示芯片U8(采用LED10)的1、4、5脚，A/D转换芯片U2的I/O端口11~18脚还分别一一对应连接显示驱动芯片U6(采用74LS377)的控制信号输入端1、18、17、14、13、8、7、4、3脚，显示驱动芯片U6的驱动信号输出端19、16、15、12、9、6、5、2脚分别一一对应连接显示芯片U8的10、8、3、12、11、9、6、2脚；数据处理器U1的RS232串行接口10、11脚分别对应连接通信芯片U4(采用MAX232)的输入端14、10脚，通信芯片U4的输出端8、7脚分别对应连接九针插件J1的3、2脚，九针插件J1是上位机的RS232接口插件；另外，数据处理器U1的1、2、3、4脚是操控信号输入端，分别一一对应连接操控按键S1、S2、S3、S4。

此外，电源模块是将220V市电电源先经整流桥BR1整流成直流，再经电容C1C2滤波处理后送入三端稳压器U5(采用MC7805T)的输入端1脚，三端稳压器U5的3脚输出+5V直流电压，再经电容C3、C4滤波处理后加载在光报警电路、声报警电路、显示电路、瓦斯检测电路、检测信号放大电路、A/D转换电路相应元器件的供电端。

上电后，瓦斯传感器MC112实时检测当前环境的瓦斯浓度，并将检测结果通过电信号的形式送入放大器AD623的信号输入端，放大器AD623处理后送入A/D转换芯片U2的输入端6脚，A/D转换芯片U2进行A/D转换处理后一路将输出信号送入数据处理器U1的检测信号输入端32~39脚，同时，A/D转换芯片U2输出的另一路送入显示电路中显示驱动芯片U6的控制信号输入端；数据处理器U1将输入的信号进行处理，实时将处理后的信号通过显示信号输出端送入显示芯片U8的控制端1、4、5脚，同时，显示驱动芯片U6的驱动信号输出端将显示数据送入显示芯片U8的驱动端10、8、3、12、11、9、6、2脚，驱动显示芯片U8实时显示当前的瓦斯浓度；数据处理器U1的将输入的信号进行处理，如果输入信号的值大于通过操控按键S1、S2、S3、S4输入的预设定报警值时，数据处理器U1的14、15脚分别输出信号驱动声、光报警电路发声、发光，实时报警；数据处理器U1将输入的信号进行处理后，将处理结果通过10、11脚送入通信芯片U4的输入端14、10脚，通信芯片U4进行相应处理后，将输出至九针插件J1，上传至上位机。

本实施例的瓦斯检测电路：

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，因此，瓦斯传感器检测范围须在0％～4％才能满足煤矿安全规程的要求，瓦斯传感器是整个系统中最重要的部分，本实施例中，瓦斯传感器采用精度等级高的敏感元件MC112(汉威公司生产)，性价比高，汉威公司生产的MC系列气敏元件根据催化燃烧效应的原理工作，由检测元件C和补偿元件S配对组成电桥的两个臂，遇可燃性气体时检测元件C电阻升高，桥路输出电压变量，该电压变量随气体浓度增大而成正比例增大，补偿元件S起参比及温度补偿作用。特点是桥路输出电压呈线性、响应速度快、具有良好的重复性、选择性，并且元件工作稳定、可靠，抗H₂S中毒，工作电压(V)范围在3.0±0.1，测量范围在-100％LEL，工作电流(mA)范围在80±10，甲烷线性度范围在0-5，恢复时间小于30秒(S)，使用环境温度范围要求在-20～+60℃。

检测信号放大电路：

由于瓦斯检测电路输出的电信号微弱(1％的浓度变化引起电压的变化是16mv)，数据处理器U1无法检测出来，因此要对瓦斯检测电路输出电信号的电压进行放大，放大器选用美国AD公司生产的AD623，它是在传统的三运放结构基础上改进的一种新型仪表放大器，放大器AD623主要用于低功耗医用仪表放大器、传感器接口，热电偶放大器，工业过程控制、低功耗数采系统及差动放大器。主要特点是：(1)放大器AD623使用一只外接电阻R13设置增益(G)，高达1000，从而给用户带来极大方便。(2)放大器AD623具有优良的直流特性：增益精度0.1％(G＝1)，增益漂移25ppm(G＝1)，输入失调电压最大100μV(AD623B)，输入失调电压漂移1μV/℃(AD623B)，输入偏置电流最大25nA。(3)放大器AD623具有优良的CMRR(它随增益增加而增加)，使误差最小，电源线噪声及其谐波都受到抑制，因为CMRR抑制频率高达200Hz。(4)放大器AD623带宽800kHz(G＝1)，达0.01％建立时间20μs(G＝10)。(5)放大器AD623的输入共模范围很宽，可以放大比地电位低150mV的共模电压。虽然AD623单电源供电能达到最佳性能，但双电源供电(±2.5~±6.0V)也能提供优良的性能。(6)放大器AD623低功耗(电源电流最大575μA)、宽电源范围和电源限输出特性非常适合电池供电应用场合。电源限输出特性使低电源供电条件下，电源限输出级使其动态范围达到最大。(7)放大器AD623可以取代分立器件搭成的仪表放大器，具有优良的线性度、温度稳定性和小体积可靠性。操控电路：

操控电路用4个键(开始/结束键S1、设置键S2、增减键S3、保存键S4)即可满足设计的要求。考虑保护措施，当有双键或多键按下时，读入出现了多个0，作为无效处理.由于按键为机械开关结构，机械触点的弹性及电压突跳等原因，往往在触点闭合或断开瞬间会出现电压抖动，为保证键识别的准确，在电压信号抖动的情况下不能进行状态的输入，为此进行去抖处理(消抖)。采用软件延迟消抖，采用时间延迟以避开抖动，待信号稳定后，再进行键扫描.去抖延迟消抖的时间约为10~20ns。

显示电路：

用3个数码管集成的显示芯片U8(LED10)和显示驱动芯片U6(74Ls377)来组成显示电路，显示驱动芯片74Ls377可实现动态。

通信电路：

利用数据处理器AT89S52串行口与PC上位机的串行口COM1或COM2进行串行通信，将数据处理器AT89S52采集的数据传送到PC上位机中，由PC上位机的高级语言或数据库语言对数据进行整理及统计等复杂处理.数据处理器AT89S52串行口给出的信号是一个RS232信号.它是一个基于3～7V正电压、3～7V负电压的脉冲链.这一信号必须转化为一个0～5V的脉冲链，以便处理器读取，中间转换电路采用MAX232芯片来实现。

系统软件设计：

根据系统的各项功能要求考虑了下面的主要设计原则：

(1)软件设计与硬件电路设计综合考虑，在软件设计时尽量发挥单片机高性能的可编程能力，硬件功能软件化，以减少控制系统硬件电路元器件的数量，降低测控系统的造价和提高系统的可靠性。

(2)各项功能程序设计实现模块化，这样便于程序的调试，移植和修改。同时程序设计应尽量考虑模块的通用性，这样可提高模块的利用率。

(3)对程序存储区和数据存储区进行合理规划，为功能的扩展预留空间，这样系统以后的功能完善和软件升级都比较方便。

(4)软件设计要充分发挥高级语言与汇编语言的特点。本系统单片机程序采用VB语言和汇编语言完成。

由于系统对可靠性要求非常高，故在软件设计时要遵循软件工程的原则和方法，使其更加规范合理。软件主要包括了微控制程序，数据采集/处理子程序，显示子程序，键盘扫描子程序，及通信子程序等几大部分。

系统单片机的主程序流程，上电后，系统上电后，开始初始化过程。对单片机内部寄存器的初始化、中断初始化、定时器的初始化、串口的初始化。完成初始化后，单片机进入主程序执行阶段。首先启动ADC0804，然后调用显示子程序，键盘扫描子程序，通信子程序。如有中断，则转去执行中断子程序。

数据处理程序，由A/D转换器转换的八位二进制数，它反应的是ADC0804的输入的电压的对应关系，而要显示瓦斯的浓度，就要根据它们之间的对应关系，转化为反映瓦斯浓度的BCD码。

显示子程序，LED数码管显示分为：静态显示和动态显示静态显示就是同一时刻只显示一种字符，或者说被显示的字符在同一时刻是稳定不变的。其显示方法比较简单，只要将显示码送至段码口，并把控制位送至位控制口即可。动态显示是利用人眼的视觉的残留效应，采用动态扫描显示的方法，逐个地循环点亮各位数码管，每位显示1ms左右，使人看起来就好象在同时显示同一字符一样。我们使用的数码管是集成的3位数码管，它只能采用动态显示，这样可以简化电路，节省费用。

键盘扫描子程序，由于是采用1*4的键盘，在扫描键盘时可以按行依次扫描，因此在程序中有避免多键按下的措施，所以当扫描到”0”，就能判断哪个键按下，然后执行相应的程序。由于篇幅所限，主要介绍通信程序设计。

串行通信子程序

通信方式的选择，串行通信传输方式有三种：单工，半双工，以及全双工。考虑全双工要求的接线较多，我们采用半双工配置。通信方式上，也采用异步方式。微处理器对PC机的通信采用串口中断方式。单片机89S52采用MCS-51系列的汇编语言编程。它有一个标准的串行口，有4种工作方式，其中方式1是标准的10位异步通信方式，10位数据和PC的标准串口相对应，由串口控制寄存器SCON设置状态，其字节地址为98H如下表所示：

SCON的控制字

SM0

SM1

SM2

REN

TB8

RB8

TI

RI

(2)89S52通信波特率设置及通信的设置

在串行通信中，一个重要的指标是波特率，它反映了串行通信的速率，也反映了对传输通道的要求。波特率越高，要求传输通道的频带越宽。由于异步通信双方各自用自己的时钟源，要保证捕捉到的信号正确，最好采用较高的时钟。一般选择时钟频率比波特率高16倍或64倍。如果时钟频率等于波特率，则频率稍有偏差便会产生接收错误。这里选用11059MHZ晶振。89S51的串行通信的波特率由定时器T1的溢出率获得，当串口工作于方式1或方式3时，波特率为：

波特率＝(2SMOD/32)×f/12×(1/(2k-1))

其中f为晶振频率，定时器模式2时K为8。

因此我们选择通信的波特率为1200b/s，令SMOD＝0，可算得初值为F3F3H，那么，TH1的初值为0F3H，TL1的初值为0F3H。系统晶体振荡频率选用12MHz就是为了使初值为整数，从而产生精确的波特率。由于T1模式2是定时自动重装载的操作模式，当定时器T1工作于模式2时，可直接用作串行口的波特率发生器。

波特率：1200b/S；

信息格式：8位数据，1位停止位，无奇偶校验；

传送方式：PC机采用查询方式接收数据，89S52查询方式发送；校验方式：累加和校验；

(3)计算机的通信程序

主要采用VB的MSComm来实现计算机与单片机之间的通信。VB语言中有一个MSComm控件专管串行通信。MSComm控件有很多属性，其中最基本的有以下几个：

Commport属性设置并返回通信端口号，用于指定使用pc机的哪一个串行端口。Settings属性以字符串的形式设置并返回波特率、奇偶校验、数据位和停止位。

Portopen属性设置并返回通信端口的状态，用于打开或关闭端口。

Input属性从接收缓冲区返回和删除字符，用于接收数据。

Output属性向缓冲区写一个字符，用于发送数据，可以是文本数据或二进制数据。

本系统VB程序初始化上位机通信程序如下：

MSComm1CommPort＝2；选串行端口2

MSComm1Settings＝“9600，n，8，1”；设置9600波特率，无奇偶校验，8个数据位，1个停止位

MSComm1OutBufferSize＝512；设置缓冲区大小为512个字节

MSComm1PortOpen＝True；打开串行端口

MSComm1OutBufferCount＝0；清除输出缓冲区

上面，MSComm1是给MSComm控件起的名字(Name)。初始化通信端口后就可以发送数据了，用指令MSComm1Output＝Outputstrs  进行，此处Outputstrs是字符型变量，MSComm控件能自动把它转换为二进制数据形式发送出去。数据送完，用MSComm1PortOpen＝Fasle将打开的串行端口关闭。

(4)通信的初始化程序

      ORG   0000h

      Ljmp  main

      Org   0023h

      Ljmp  srt；串行中断入口

      Org   0030h

Main：Mov sp，#60h

      Mov TMOD，#20h；设T1为方式2，作波特率发生器

      Mov PSON，#80H；位SMOD＝1

      Mov TH0，#0FDH；波特率＝19。2K

      Mov  R0，#30h；串行接收、发送缓冲区首址

      SETB TR1

      CLR ET1；禁止T1中断

MOV  SCON，#50H；串行方式1，REN＝1

SETB ES；允许串行中断

………………………

软件抗干扰措施

单片机系统的可靠性必须从软件，硬件以及结构设计等方面全面考虑。本系统的可靠性设计采用了一下的主要方法：

开机自检，软件陷阱，进行程序”跑飞”检测，设置程序运行状态标记，输出端口刷新，输入多次采样，看门狗等。通过软件系统的可靠性设计，达到最大限度地降低干扰对系统的影响，确保单片机及时发现因干扰导致程序出现的错误，并使系统恢复到正常的工作状态。软件抗干扰设计灵活多变，并无定规，而且常常是多种方法同时使用，这就需要在实践中不断摸索和积累经验。

系统设计过程中考虑到以下几点：①尽可能使用通用的有替代产品的元件，器件和设备。②能使用软件实现的功能，一般不使用硬件来实现，以减小体积，将成本降至最低。③设计从整体出发，分步、分层实施，突出系统的整体性能，力求系统整体性能最优化。

本瓦斯报警器以AT89S52单片CPU为核心，采用高精度敏感元件MC112测量瓦斯浓度值，采用AD623新型集成运算放大器，ADC0804模数转换器，以及远距离、高可靠性串行通信芯片MAX232，是一种电路设计新颖，参数测量准确，操作方便的瓦斯浓度报警监测仪。

作为一个完整的安全监测系统，它具有以下特点：

1、测量范围宽，精度高，可检测的瓦斯浓度为0.00-4.00％，

2、测量结果以数字形式输出显示。

3、具有通讯功能，监测仪与地面计算机之间采用数字串行通讯，准确可靠，克服了模拟传送中小信号易失真的缺点。

4、具有设定报警下限值和声、光报警功能。

5、仪器输出为低功耗，工作电压为5V。

Claims (9)

1、一种瓦斯报警器，其特征在于：包括瓦斯检测电路、检测信号放大电路、A/D转换电路、数据处理器、操控电路、报警电路，其中，瓦斯检测电路、检测信号放大电路、A/D转换电路依次连接，A/D转换电路的信号输出端连接数据处理器的检测信号输入端，数据处理器的参数设定信号输入端连接操控电路的信号输出端，数据处理器的报警信号输出端连接报警电路的信号输入端。

2、如权利要求1所述的瓦斯报警器，其特征在于：所述的瓦斯报警器还包括显示电路，该显示电路的信号输入端连接所述数据处理器的显示信号输出端。

3、如权利要求2所述的瓦斯报警器，其特征在于：所述的显示电路包括显示驱动芯片、数码管集成芯片，显示驱动芯片的信号输入端连接所述数据处理器的显示信号输出端，显示驱动芯片的信号输出端连接数码管集成芯片的信号输入端。

4、如权利要求3所述的瓦斯报警器，其特征在于：所述的显示驱动芯片采用芯片74LS377，所述的数码管集成芯片采用三数码管集成的显示芯片。

5、如权利要求1至4任一项所述的瓦斯报警器，其特征在于：所述的瓦斯报警器还包括通信电路，该通信电路一端连接数据处理器的通信输入/输出端，该通信电路另一端用于连接上位机。

6、如权利要求5所述的瓦斯报警器，其特征在于：所述的数据处理器采用单片机AT89S52。

7、如权利要求5所述的瓦斯报警器，其特征在于：所述的瓦斯检测电路包括型号为MC112的瓦斯传感器，所述检测信号放大电路包括型号为AD623的放大器，该瓦斯传感器的信号输出端连接该放大器的信号输入端，该放大器的信号输出端连接所述A/D转换电路的信号输入端。

8、如权利要求5所述的瓦斯报警器，其特征在于：所述的A/D转换电路包括一A/D转换芯片ADC0804。

9、如权利要求5所述的瓦斯报警器，其特征在于：所述的通信电路包括一型号为MAX232的通信芯片，该通信芯片的通讯信号输入端连接所述数据处理器的串行接口，该通信芯片的通讯信号输出端用于连接上位机的串行接口。

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