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摘要：設計了一種以51單片機為MCU的井下空氣質量控制系統。該系統以空氣中重要的指標甲烷等有害氣體濃度及空氣溫度、濕度、作為監測對象，采用煙霧傳感器MQ-2，溫濕度傳感器DHT11作為檢測器件，一旦檢測指標異常，可通過礦用風機來實現通風換氣的功能，同時系統發出報警提示。不同的濃度及溫度可以通過不同的PWM來控制風機轉速，可最大程度上節省風機能耗，起到降低能耗，高效運行的目的。
關鍵詞：空氣質量;甲烷;傳感器;通風換氣
引言
礦井生產安全一直是人們比較關心的話題，為此關于礦井安全的法律法規不在少數，井下作業不同于地面，除了地理環境的差異外最明顯的就是空氣質量[1]。眾所周知，井下的空氣成分復雜異常，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至關重要。溫度濕度作為空氣質量的重要參數一定程度上反映了空氣是否適宜繼續作業。因此井下空氣的溫度與濕度檢測也非常重要。目前，為防止井下空氣質量較差一般會采用大功率的礦用風機實現通風換氣，但是礦用風機功率較大，一般在幾千瓦到幾十千瓦，有時是多臺風機同時工作，如果這些設備一直工作，會出現能源的浪費。為此本文設計一種以51單片機為MCU的井下空氣質量控制系統，該系統將對空氣中重要的指標甲烷等有害氣體濃度及空氣溫度、濕度作為監測對象，采用煙霧傳感器MQ-2、溫濕度傳感器DHT11作為檢測器件?？梢酝ㄟ^設置檢測值的方式控制風機運行，也可以用過PWM實現風機調速，最大程度上節省風機能耗，起到降低能耗、高效運行的目的[1]。
1系統設計
要求以51單片機為核心設計井下空氣質量控制系統，系統首先包含煙霧濃度檢測、溫濕度檢測，還有報警功能以及液晶顯示功能。最重要的一點需要一個可以通過PWM控制的礦用通風機實現井下空氣流動更新的功能。系統的設計框圖如圖1所示。MQ-2煙霧傳感器（見圖2）是市面上為數不多的可以檢測煙霧濃度的傳感器，其他類型的傳感器相對價格較高，且較為偏頗，不常用到。MQ-2可作為家用以及工業中檢測泄漏的煙霧傳感器，對空氣中的有害氣體例如丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氫氣等的檢測有很好的識別效果。不僅如此，還對家用的液化氣、煤氣有很好的檢測作用。而溫度傳感器則有許多選擇，例如數字式的DS18B20、模擬式的PT100等。這些雖然常用但是僅能檢測溫度，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參數指標。濕度（RH）的量程范圍在20%~90%以內，誤差范圍在5%，溫度范圍是0~50℃，誤差在1℃以內，應用十分廣泛。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段式數碼管等，綜合實用性、控制難易程度等，選擇LCD1602（見下頁圖4）作為本系統的人機顯示器件[3]。MCU選擇性價比較高的51單片機，處理這類檢測控制相對單一的系統完全滿足性能要求。如果系統要增加聯機通信或者無線傳輸功能則需要選擇處理速度更快的DSP。
2傳感器檢測及控制電路設計
2.1傳感器檢測電路
傳感器作為整個系統的“眼睛”占據著至關重要的地位，對溫濕度的檢測選用的是DHT11作為檢測器件，DHT11被廣泛應用到工控、家用電器的相關產品中，應用十分廣泛。其主要電路由三個引腳組成：電源、地、以及輸出引腳。輸出引腳為數字信號，可以通過串行通信讀取信息，經過軟件處理轉化為直觀的溫濕度信息。這類總線方式的數字傳感器電路簡單，抗干擾能力強，是未來傳感器發展的方向。煙霧傳感器采用的是MQ-2，MQ-2傳感器輸出的是模擬信號，如果單片機需要讀取，那么就需要增加一個AD轉換芯片，這無疑增加了系統的成本，也使得系統更為復雜。為此將這個模擬信號經過一個比較器進行信號比較，超過閥值則跳轉為高電平，反之為低電平。通過這種方式可以轉化為單片機可識別的數字量，起到讀取信息的目的。途中R16與R20的大小比例關系可以調節閥值的大小[5]。檢測電路如圖6所示。
2.2顯示電路
LCD1602是一種工業字符型的液晶顯示器件，能夠同時顯示多達32個字符的信息，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，通過電壓對其顯示區域進行控制，即可以顯示出圖形。我們采用的是P0口對應液晶的數據口。RS腳與EN使能腳則由單片機的P2.7與P2.8控制。3腳的作用是調節對比度，常用電位計去調節，但是也可以設置好參數固定的下拉電阻，這樣對比度將不在改變。
2.3風機控制電路
風機的控制主要是由一個PWM信號控制，PWM高于20%時，風機開始啟動，轉速為300r/min，隨著占空比提高到80%，風機轉速達到1000r/min，也是最大轉速。在此范圍段內占空比與轉速呈線性關系，可實現無級調速。PWM由單片機的引腳不斷的改變高低電平產生。周期為100Hz，即10ms為一個周期。為防止PWM信號受到干擾，中間加入了一個RC低通濾波器。電容與電阻的大小可以調節通過的頻率。由于風機的供電是高壓系統供電，為了避免高壓信號耦合到低壓系統中，采用了光耦隔離驅動。
3軟件設計
基于模塊化設計的考慮，本文的軟件設計包括上電初始化、溫度數據讀取、甲烷濃度讀取、判定是否超標與超標后的風機控制、風光報警、顯示程序等。煙霧濃度傳感器需要幾分鐘的預熱，這樣讀出來的數據才更為準確，因此煙霧濃度檢測需要等兩分鐘后再讀取。而讀取到的參數一旦超標將觸發聲光報警和風機轉動。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器初始化、顯示接口初始化、報警接口初始化、串行通信初始化、風機控制初始化等。
4結語
本文設計了一種基于51單片機的礦井空氣質量控制系統，分別采用溫濕度傳感器DHT11與煙霧濃度傳感器MQ-2作為檢測器件，用LCD1602作為顯示器件，顯示檢測數據信息，同時有一個0~5的PWM信號來控制礦用風機，從而調節空氣中的溫濕度以及煙霧濃度的大小，同時配置有聲光報警系統，從而實現自動智能化的控制效果。
參考文獻
[1]楊俊，張長勝，梁仕斌.輸電線路微氣象監測溫濕度傳感器研究[J].電力科學與工程，2018，34（10）：24-28.
[2]張俊卿.一種礦用甲烷傳感器井下自動標校裝置[J].煤炭與化工，2016，39（8）：105-107；111.
[3]張群強，趙巧妮.基于MQ-2型傳感器火災報警系統的設計[J].價值工程，2015，34（13）：96-98.
[4]仝宗好.煤礦井下不同甲烷測定儀器的應用分析[J].山西焦煤科技，2014，38（11）：27-28；52.
[5]李海娜，王翠，羅邵屏.基于單片機的火災報警系統的設計[J].電子世界，2014（5）：127.
作者:路瑤 單位:潞安集團余吾煤業有限責任公司