路 瑤

（潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 長(zhǎng)治 046100）

引言

礦井生產(chǎn)安全一直是人們比較關(guān)心的話題，為此關(guān)于礦井安全的法律法規(guī)不在少數(shù)，井下作業(yè)不同于地面，除了地理環(huán)境的差異外最明顯的就是空氣質(zhì)量[1]。眾所周知，井下的空氣成分復(fù)雜異常，其中最具危害的就是瓦斯，也稱之為甲烷（CH4）。甲烷濃度過高遇明火極易發(fā)生瓦斯爆炸，這也是最為常見的礦井事故。因此，井下空氣中的甲烷濃度的檢測(cè)至關(guān)重要。溫度濕度作為空氣質(zhì)量的重要參數(shù)一定程度上反映了空氣是否適宜繼續(xù)作業(yè)。因此井下空氣的溫度與濕度檢測(cè)也非常重要。

目前，為防止井下空氣質(zhì)量較差一般會(huì)采用大功率的礦用風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)通風(fēng)換氣，但是礦用風(fēng)機(jī)功率較大，一般在幾千瓦到幾十千瓦，有時(shí)是多臺(tái)風(fēng)機(jī)同時(shí)工作，如果這些設(shè)備一直工作，會(huì)出現(xiàn)能源的浪費(fèi)。為此本文設(shè)計(jì)一種以51單片機(jī)為MCU的井下空氣質(zhì)量控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)將對(duì)空氣中重要的指標(biāo)甲烷等有害氣體濃度及空氣溫度、濕度作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，采用煙霧傳感器MQ-2、溫濕度傳感器DHT11作為檢測(cè)器件?？梢酝ㄟ^設(shè)置檢測(cè)值的方式控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行，也可以用過PWM實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)調(diào)速，最大程度上節(jié)省風(fēng)機(jī)能耗，起到降低能耗、高效運(yùn)行的目的[1]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

要求以51單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)井下空氣質(zhì)量控制系統(tǒng)，系統(tǒng)首先包含煙霧濃度檢測(cè)、溫濕度檢測(cè)，還有報(bào)警功能以及液晶顯示功能。最重要的一點(diǎn)需要一個(gè)可以通過PWM控制的礦用通風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)井下空氣流動(dòng)更新的功能。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

MQ-2煙霧傳感器（見圖2）是市面上為數(shù)不多的可以檢測(cè)煙霧濃度的傳感器，其他類型的傳感器相對(duì)價(jià)格較高，且較為偏頗，不常用到。MQ-2可作為家用以及工業(yè)中檢測(cè)泄漏的煙霧傳感器，對(duì)空氣中的有害氣體例如丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氫氣等的檢測(cè)有很好的識(shí)別效果。不僅如此，還對(duì)家用的液化氣、煤氣有很好的檢測(cè)作用。而溫度傳感器則有許多選擇，例如數(shù)字式的DS18B20、模擬式的PT100等。這些雖然常用但是僅能檢測(cè)溫度，局限性較大，而DHT11則是溫濕度傳感器（見圖3），可以直接讀出空氣中的溫度與濕度兩個(gè)參數(shù)指標(biāo)。濕度（RH）的量程范圍在20%～90%以內(nèi)，誤差范圍在5%，溫度范圍是0～50℃，誤差在1℃以內(nèi)，應(yīng)用十分廣泛[2]。

圖2 煙霧傳感器MQ-2

圖3 溫濕度傳感器DHT11

顯示器件上也有許多選擇，例如液晶顯示LCD12864、彩色液晶顯示板、8段式數(shù)碼管等，綜合實(shí)用性、控制難易程度等，選擇LCD1602（見下頁圖4）作為本系統(tǒng)的人機(jī)顯示器件[3]。

MCU選擇性價(jià)比較高的51單片機(jī)，處理這類檢測(cè)控制相對(duì)單一的系統(tǒng)完全滿足性能要求。如果系統(tǒng)要增加聯(lián)機(jī)通信或者無線傳輸功能則需要選擇處理速度更快的DSP。

圖4 液晶顯示LCD1602

2 傳感器檢測(cè)及控制電路設(shè)計(jì)

2.1 傳感器檢測(cè)電路

傳感器作為整個(gè)系統(tǒng)的“眼睛”占據(jù)著至關(guān)重要的地位，對(duì)溫濕度的檢測(cè)選用的是DHT11作為檢測(cè)器件，DHT11被廣泛應(yīng)用到工控、家用電器的相關(guān)產(chǎn)品中，應(yīng)用十分廣泛。其主要電路由三個(gè)引腳組成：電源、地、以及輸出引腳。輸出引腳為數(shù)字信號(hào)，可以通過串行通信讀取信息，經(jīng)過軟件處理轉(zhuǎn)化為直觀的溫濕度信息。這類總線方式的數(shù)字傳感器電路簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，是未來傳感器發(fā)展的方向。檢測(cè)電路如圖5所示[4]。

圖5 溫濕度檢測(cè)電

煙霧傳感器采用的是MQ-2，MQ-2傳感器輸出的是模擬信號(hào)，如果單片機(jī)需要讀取，那么就需要增加一個(gè)AD轉(zhuǎn)換芯片，這無疑增加了系統(tǒng)的成本，也使得系統(tǒng)更為復(fù)雜。為此將這個(gè)模擬信號(hào)經(jīng)過一個(gè)比較器進(jìn)行信號(hào)比較，超過閥值則跳轉(zhuǎn)為高電平，反之為低電平。通過這種方式可以轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可識(shí)別的數(shù)字量，起到讀取信息的目的。途中R16與R20的大小比例關(guān)系可以調(diào)節(jié)閥值的大小[5]。檢測(cè)電路如圖6所示。

2.2 顯示電路

LCD1602是一種工業(yè)字符型的液晶顯示器件，能夠同時(shí)顯示多達(dá)32個(gè)字符的信息，其液晶顯示電路如圖7所示。LCD1602液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對(duì)其顯示區(qū)域進(jìn)行控制，即可以顯示出圖形。我們采用的是P0口對(duì)應(yīng)液晶的數(shù)據(jù)口。RS腳與EN使能腳則由單片機(jī)的P2.7與P2.8控制。3腳的作用是調(diào)節(jié)對(duì)比度，常用電位計(jì)去調(diào)節(jié)，但是也可以設(shè)置好參數(shù)固定的下拉電阻，這樣對(duì)比度將不在改變。

圖7 液晶顯示電路

2.3 風(fēng)機(jī)控制電路

風(fēng)機(jī)的控制主要是由一個(gè)PWM信號(hào)控制，PWM高于20%時(shí)，風(fēng)機(jī)開始啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速為300 r/min，隨著占空比提高到80%，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1000 r/min，也是最大轉(zhuǎn)速。在此范圍段內(nèi)占空比與轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。PWM由單片機(jī)的引腳不斷的改變高低電平產(chǎn)生。周期為100 Hz，即10 ms為一個(gè)周期。為防止PWM信號(hào)受到干擾，中間加入了一個(gè)RC低通濾波器。電容與電阻的大小可以調(diào)節(jié)通過的頻率。由于風(fēng)機(jī)的供電是高壓系統(tǒng)供電，為了避免高壓信號(hào)耦合到低壓系統(tǒng)中，采用了光耦隔離驅(qū)動(dòng)。具體電路如圖8所示。

圖8 風(fēng)機(jī)控制電路

3 軟件設(shè)計(jì)

基于模塊化設(shè)計(jì)的考慮，本文的軟件設(shè)計(jì)包括上電初始化、溫度數(shù)據(jù)讀取、甲烷濃度讀取、判定是否超標(biāo)與超標(biāo)后的風(fēng)機(jī)控制、風(fēng)光報(bào)警、顯示程序等。煙霧濃度傳感器需要幾分鐘的預(yù)熱，這樣讀出來的數(shù)據(jù)才更為準(zhǔn)確，因此煙霧濃度檢測(cè)需要等兩分鐘后再讀取。而讀取到的參數(shù)一旦超標(biāo)將觸發(fā)聲光報(bào)警和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。具體流程如下頁圖9所示。

其中初始化又可以分為上電后定時(shí)器初始化、顯示接口初始化、報(bào)警接口初始化、串行通信初始化、風(fēng)機(jī)控制初始化等。

圖9 系統(tǒng)流程圖設(shè)計(jì)

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種基于51單片機(jī)的礦井空氣質(zhì)量控制系統(tǒng)，分別采用溫濕度傳感器DHT11與煙霧濃度傳感器MQ-2作為檢測(cè)器件，用LCD1602作為顯示器件，顯示檢測(cè)數(shù)據(jù)信息，同時(shí)有一個(gè)0～5的PWM信號(hào)來控制礦用風(fēng)機(jī)，從而調(diào)節(jié)空氣中的溫濕度以及煙霧濃度的大小，同時(shí)配置有聲光報(bào)警系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)智能化的控制效果。