基于51單片機(jī)設(shè)計(jì)的井下瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)
一、項(xiàng)目介紹
井下瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)是煤礦安全生產(chǎn)中非常重要的一部分，防止井下瓦斯爆炸事故的發(fā)生，保障煤礦工人的人身安全。由于地下環(huán)境特殊，需要特殊的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)瓦斯?jié)舛鹊汝P(guān)鍵指標(biāo)，并及時(shí)報(bào)警以便采取措施進(jìn)行處理。
瓦斯氣體，又稱沼氣，是一種輕質(zhì)烴類氣體，主要成分是甲烷（CH4），也包含少量的乙烷、丙烷等。它是在地下煤炭層與泥巖等巖石中通過(guò)微生物作用或者煤炭化學(xué)反應(yīng)形成的。在煤礦等地下工程中，瓦斯常常是一種具有危險(xiǎn)性的氣體，如果采取不當(dāng)?shù)拇胧?，就有可能發(fā)生瓦斯爆炸事故。
基于51單片機(jī)的井下瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)，可以通過(guò)傳感器檢測(cè)瓦斯氣體濃度，將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)通過(guò)AD轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)處理，再通過(guò)LCD顯示器顯示出來(lái)。如果瓦斯?jié)舛瘸^(guò)了預(yù)設(shè)閾值，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)報(bào)警裝置進(jìn)行警示。同時(shí)，這種系統(tǒng)具有適用面廣、成本低、可靠性高等特點(diǎn)。
在目前環(huán)保意識(shí)提高的背景下，煤炭企業(yè)和政府對(duì)于井下瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的需求越來(lái)越大，系統(tǒng)的市場(chǎng)潛力巨大。
二、設(shè)計(jì)原理
2.1 傳感器選型
（1）瓦斯氣體檢測(cè)
MQ2傳感器是一種常用于氣體檢測(cè)的半導(dǎo)體傳感器，主要用于檢測(cè)多種易燃、易爆氣體，如瓦斯、丙烷、液化氣等。它采用了半導(dǎo)體氧化物層敏感元件技術(shù)，當(dāng)檢測(cè)到目標(biāo)氣體時(shí)，其電阻值會(huì)發(fā)生變化，從而可以通過(guò)測(cè)量電阻值的變化來(lái)檢測(cè)目標(biāo)氣體的濃度。MQ2傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、使用方便等特點(diǎn)，因此在氣體檢測(cè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
MQ2傳感器包括熱敏電阻、電化學(xué)傳感器、半導(dǎo)體敏感元件等部分，其中半導(dǎo)體敏感元件是其核心部件，也是影響傳感器性能的關(guān)鍵因素。在使用前需要進(jìn)行預(yù)熱處理，一般預(yù)熱時(shí)間為1-2分鐘，然后將待測(cè)氣體與傳感器接觸，即可讀取傳感器的輸出信號(hào)并進(jìn)行濃度計(jì)算。
（2）ADC采集模塊
PCF8591模塊是一種集成了AD轉(zhuǎn)換器和DA轉(zhuǎn)換器的模塊，通過(guò)I2C總線可以連接到單片機(jī)或其他電子設(shè)備上，用于模擬信號(hào)的輸入和輸出。其主要特點(diǎn)是集成度高、精度高、使用方便、成本低廉等。
模塊由PCF8591芯片和相關(guān)外圍電路組成，其中PCF8591芯片是一個(gè)具有4個(gè)模擬輸入通道和1個(gè)模擬輸出通道的集成電路，內(nèi)部集成了128級(jí)AD轉(zhuǎn)換器和8位DA轉(zhuǎn)換器，并且支持外部基準(zhǔn)電壓輸入。同時(shí)，該模塊還包括4個(gè)可變電阻，可以通過(guò)調(diào)節(jié)來(lái)改變模擬輸入通道的電阻值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的增益和衰減。通過(guò)I2C總線，可以方便地讀取和輸出模擬信號(hào)。
在實(shí)際應(yīng)用中，PCF8591模塊廣泛用于傳感器信號(hào)的采集和處理，例如溫度、光強(qiáng)、聲音等信號(hào)的轉(zhuǎn)換和傳輸。
2.2 設(shè)計(jì)思路
基于51單片機(jī)設(shè)計(jì)的井下瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的原理如下：
（1）傳感器檢測(cè)瓦斯?jié)舛龋菏褂猛咚箓鞲衅鳈z測(cè)井下瓦斯?jié)舛?，并將檢測(cè)結(jié)果轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。
（2）單片機(jī)采集數(shù)據(jù)：使用ADC模塊將傳感器輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并將其存儲(chǔ)到單片機(jī)內(nèi)部的RAM中。
（3）數(shù)據(jù)處理：?jiǎn)纹瑱C(jī)通過(guò)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以實(shí)現(xiàn)瓦斯?jié)舛鹊膶?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行報(bào)警處理。
（4）報(bào)警處理：當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸^(guò)預(yù)設(shè)閾值時(shí)，單片機(jī)會(huì)觸發(fā)報(bào)警器進(jìn)行報(bào)警。同時(shí)，可以通過(guò)OLED顯示屏實(shí)時(shí)顯示瓦斯?jié)舛?，并通過(guò)蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲音。
（5）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：?jiǎn)纹瑱C(jī)還可以將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到外部存儲(chǔ)器中，以便后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和處理。
基于51單片機(jī)設(shè)計(jì)的井下瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)傳感器檢測(cè)瓦斯?jié)舛龋瑔纹瑱C(jī)采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)瓦斯?jié)舛鹊膶?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和報(bào)警處理，同時(shí)還可以將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到外部存儲(chǔ)器中，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和處理。
三、代碼實(shí)現(xiàn)
3.1 采集MQ2濃度打印到串口
以下是基于STC89C52通過(guò)PCF8591采集MQ2煙霧傳感器的值，并轉(zhuǎn)為濃度打印到串口的詳細(xì)代碼。
#include < reg52.h >
#include < intrins.h >
?
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
?
sbit SCL=P1^0; // I2C時(shí)鐘線
sbit SDA=P1^1; // I2C數(shù)據(jù)線
?
sbit MQ2=P3^2; // MQ2煙霧傳感器
?
// 函數(shù)聲明
void delay(uint n);
void I2C_Start();
void I2C_Stop();
void I2C_SendACK(bit ack);
bit I2C_RecvACK();
void I2C_SendByte(uchar dat);
uchar I2C_RecvByte();
void PCF8591_Write(uchar addr, uchar dat);
uchar PCF8591_Read(uchar addr);
void InitPCF8591();
uint ReadMQ2();
?
// 主函數(shù)
void main()
{
InitPCF8591(); // 初始化PCF8591
while(1)
{
uint mq2val = ReadMQ2(); // 讀取MQ2傳感器的值
float mq2con = (mq2val / 255.0) * 100.0; // 將傳感器的值轉(zhuǎn)換為濃度
printf("MQ2煙霧濃度：%f%%\\n", mq2con); // 打印濃度到串口
delay(1000); // 延時(shí)1秒
}
}
?
// 延時(shí)函數(shù)
void delay(uint n)
{
uint i, j;
for(i = 0; i < n; i++)
for(j = 0; j < 125; j++);
}
?
// I2C總線函數(shù)
?
// I2C起始信號(hào)
void I2C_Start()
{
SDA = 1;
SCL = 1;
_nop_();
_nop_();
_nop_();
SDA = 0;
_nop_();
_nop_();
_nop_();
SCL = 0;
}
?
// I2C停止信號(hào)
void I2C_Stop()
{
SDA = 0;
SCL = 1;
_nop_();
_nop_();
_nop_();
SDA = 1;
_nop_();
_nop_();
_nop_();
}
?
// I2C發(fā)送應(yīng)答信號(hào)
void I2C_SendACK(bit ack)
{
SDA = ack;
SCL = 1;
_nop_();
_nop_();
_nop_();
SCL = 0;
}
?
// I2C接收應(yīng)答信號(hào)
bit I2C_RecvACK()
{
SCL = 1;
_nop_();
_nop_();
_nop_();
bit ack = SDA;
SCL = 0;
return ack;
}
?
// I2C發(fā)送一個(gè)字節(jié)
void I2C_SendByte