基于单片机的矿井瓦斯检测报警系统设计研究

基于单片机的矿井瓦斯检测报警系统设计研究摘要:随着经济的迅猛发展,无论对于矿产资源还是人力资源我国的需求量都提升到了一个新的高度,在煤炭的生产量方面也拥有更加严苛的要求,但是由于煤炭企业近年来连发的安全事故,使得社会和国家不得不将更多的精力转移到了安全生产的方面,在引发事故的原因中,瓦斯的爆炸占到了很大的比重。本文主要提出一种基于单片机的矿井瓦斯监测系统,通过对系统的简单介绍,希望能够有效的控制瓦斯事故的发生。

关键词:矿井瓦斯的监测预警单片机的控制

煤炭企业中的矿难事故时有发生,造成矿难发生的原因当然会有很多种,但是这些因素中瓦斯的爆炸占有的比例非常大。因而,本文对矿井之内的瓦斯监测和预警系统进行了一定的研究。

1 在该单片机的矿井瓦斯系统中主要解决的问题

矿井的瓦斯的主要成分就是甲烷,但是还掺有其他几种易燃易爆的气体。对甲烷来说,其爆炸的极限是3.5%～16%,也就是当空气与其的混合比例在3.5%～16%之间的时候,一旦遇到明火就能爆炸。所以,为了避免这种情况的发生,需要对瓦斯的浓度加以监测和限制,适时的进行控制就显得非常重要。在目前瓦斯的检测过程中,存在很多的遗留问题,例如:元件的寿命相对较短,一旦发生过期引起检测结果失效,很容易引发事故;还有传感器由于受到矿井环境的影响,会发生零点飘

移的现象,使得传感器无法稳定的进行工作。因而在这种单片机的系统下,主要对这些问题进行解决。在这个系统中,由于对现代的单片机相关处理技术的有效运用,使得传感器的精度和稳定性得到了很大的提升。另外由于PIC单片机软硬件的相互结合,不仅使得系统的监测性能得到了提升,同时也使得系统的生产成本降低了。

2 该单片机矿井瓦斯监测预警系统工作原理

将催化元件、补偿元件和桥臂电阻构成惠斯顿电桥,加一恒定电压,由于热催化元件的骨架是铂丝材料,电流流过时加热,使温度为500℃左右当遇到瓦斯气体时,瓦斯气体接触催化元件表面时会发生氧化反应(也称作“无焰燃烧”),产生大量的热量,使催化元件温度升高,阻值增大,电桥输出不平衡电压,反映被测瓦斯的浓度。

在这个系统中,采用的是软硬件结合的方式,通过软件的有效操作来控制硬件的相关功能,这种方式所需要的时间比起单独使用硬件要长,但是这种软硬结合的方式可以有效的降低应用成本。而且这种系统可以很好的完成瓦斯的监测工作,这个系统负责传感检测的头部元件是整个非常重要的一环。因而对于其元件有非常严格的要求:首先,传感的元件必须能够适应矿井的恶劣环境,而且工作必须具有非常高的稳定性。其次,这个远件还必须具有防爆的功能;还有,就是为了使得温度和湿度不对催化的元件构成影响,经常在元件里除了有包含催化剂的元件还有不含催化剂的元件,剩下的补偿元件完全一样。这个补偿的元件和传感的元件安装在电桥的桥臂之上。

R1是带有甲烷燃烧催化剂的传感元件,而R2是不带催化剂的补偿元件,这两个元件均是由重金属制成的,通过电源给该重金属加热,在温度较高条件下,经过催化剂的催化作用,甲烷气体在重金属表面出现无焰燃烧,从而使元件升温,使重金属铂丝线圈的电阻增大。但是,由于环境温度的变化也会使铂丝线圈的电阻发生变化。因此,在电桥中引入参数完全相同的温度补偿元件,而且,检测元件和温度补偿元件处于电桥的同一侧,在甲烷浓度为零时,不管环境温度如何变化,两个铂丝的电阻始终相等,电桥处于平衡状态,输出电压为0,而当空气中甲烷的浓度不为零时,检测元件由于甲烷的无焰燃烧而使温度升高,电阻增大,则电桥的输出电压可以计算得出,从而再得出甲烷的在空气中的浓度。

由电桥得到输出电压经过AD转换采集到单片机中,AD转换模块的操作过程需要占用较多的时间,并且,在AD转换的过程中,AD输入端的电压要保持不变。为了防止在AD转换过程中电压改变造成转换失败,该系统采用了采样保持电路的形式,对输入模拟信号的电平进行抽样采集,继而为后续的AD转换模块保持一个平稳的电压样值。

在上面的系统之上,可以用软件来完成相应的监测和预警功能。整体系统可以划分为很多的程序,主要是系统参数的子程序、初始化的子程序、自检程序、AD转换程序、频率信号的输出程序、处理数据的程序等。

3 针对这个系统的子程序防干扰的研究

针对监测和预警瓦斯的安全防护系统,他的稳定性和可靠性是相当重要的,由于这个系统采用的是软件和硬件结合的方式,而且以软件为主,因而软件的操作控制就显得非常的关键而重要,因而在不同的工作环境中,主要通过数据采集过程中过滤的方式来满足系统可靠性的指标。

在数据收集的过程中,外部的因素和系统运行过程中的很多因素都会使得系统的性能受到影响,对于信号的可靠性有一定的波及效果,从而难免对系统的正常工作造成影响。所以系统若想能够准确的进行反应环境监测的结果,就必须进行抗干扰设置。这个数据的滤过就对低频的干扰起到了很好的防治作用,这种设置有效的减少了硬件的成本。

4 结语

这个基于单片机的系统使得矿井的瓦斯能够很好的被监测,使得预警功能得以实现。这个系统的主要的特色就是在硬件方面相对比较简单,而很多硬件的工作都在软件的操作下完成,由于简单的硬件可以使得系统的可靠性以及适用性都增加,因而这个系统相对来说比较稳定。另外就是由于软件和硬件结合的方式使得这个系统的发展空间还很大,除了瓦斯的监测,还可以发展煤矿的通风系统和智能监测系统,可以朝着多点联合的方向发展,使得瓦斯的监测与整体矿井的控制工作形成一个整体的、远程的网络控制系统。

参考文献

[1] 李海学.PIC单片机实践[M].北京:航空航天大学出版社,2004.