摘 要：针对我国煤矿安全生产情况，提出了一种以ATmega16L单片机为核心的瓦斯监测报警系统设计方案。该系统采用LXK-3传感器检测矿井瓦斯浓度，利用ULN2803驱动处理后进行实时显示，同时使用nRF2401通过无线方式实现上、下位机间数据传输。当瓦斯浓度超限时，及时发出声光报警。
关键词：瓦斯监测；ATmega16L；超限报警

煤炭资源是我国三大能源之一,在我国的能源结构中占据了70%的份额，也是我国国民经济持续、快速发展的支柱性产业。目前，我国95%的煤炭资源由矿井开采获取。由于地下作业环境差等原因，矿难事故时有发生，其中瓦斯爆炸已经成为煤矿生产中最严重的灾害之一，不仅造成人员大量伤亡，还摧毁了井下生产和安全设施。我国煤矿安全生产“十二五”规划中已明确指出，将综合治理和防范瓦斯爆炸作为煤矿安全生产的重要环节[1]。
瓦斯监测作为防范瓦斯爆炸的重要手段，已广泛应用于煤矿的安全生产中。但传统的瓦斯检测设备体积大、移动不便，只能安放在井下固定地点检测瓦斯浓度，如果矿井范围大、井下的检测点多，就需要放置大量的检测设备，既增加了成本，也不便于维护，而且这些设备检测速度慢、读数不直观、测量精度受环境影响较大[2]。因此将工控单片机技术引入煤矿安全生产，设计出实时、灵敏、精准的瓦斯监测和报警系统，不仅可以改善传统监测设备的不足，更可为瓦斯事故的防范和治理提供有力的手段，具有重要的社会意义和实用价值。
1 系统总体设计方案
瓦斯监测报警系统由数据采集模块、单片机处理模块、信息通信模块、动态显示模块和超限报警模块组成。其中，数据采集模块的主要功能是通过瓦斯（甲烷）传感器实时检测作业环境中的瓦斯气体浓度信息，经放大处理后，输入单片机作为整个系统的输入信号。单片机处理模块将输入信号与片内模拟比较器预先设定的安全浓度阈值进行比对，根据实际情况做出判定和控制。信息通信模块利用无线通信方式完成上、下位机的数据传输，为井上人员提供实时监测数据，便于进行预判和整体调控。动态显示模块通过LED实时显示作业环境中的瓦斯浓度信息，便于井下人员对环境的感知。超限报警模块实现矿井瓦斯在超标浓度状态下的声光预警功能。瓦斯监测和报警系统原理框图如图1所示。

2 系统硬件设计
2.1 单片机
单片机是整个监测报警系统的核心，主要负责对实时采集的瓦斯浓度数据信息进行处理，并将信息上传给上位机进行记录和存储，同时将状态信息传至动态显示模块进行显示，当超出安全浓度阈值时发出报警控制信号。经对系统预期实现功能和器件的性价比分析，本系统采用美国Atmel公司生产的ATmega16L单片机作为系统核心控制芯片。它是一款高性能、低功耗的8位AVR微处理器，具有内置模数转换器和模拟比较器。其特点如下：16 KB系统内可编程Flash；512 B E2PROM；16 KB SRAM；32个双向通用I/O口；32个通用工作寄存器；8路10位ADC；8位有PWM与异步操作的定时/计数器；内部自带看门狗电路，及串行接口SPI和TWI；振荡器频率为0～8 MHz；工作电压范围为2.7 V～5.5 V[3]。
2.2 数据采集模块
数据采集模块由浓度传感器和信号放大器两部分构成，主要完成采集作业环境瓦斯浓度信息到单片机输入信号的转换。其中，浓度传感器采用中船重工集团七一八研究所的LXK-3催化元件传感器，该元件可以用于煤矿、石油和化工等领域，稳定性高、精度高、重复性好、响应速度快，可与瓦斯浓度呈线性输出。工作电压为DC 2.8±0.1 V，输出电压为-50 mV～+50 mV，量程为0～100%。结合催化元件电桥式结构原理，信号放大部分采用经典的差分放大电路，不仅可提高信号处理电路的输入阻抗，且具有高共模抑制比和高差模增益[4]。数据采集模块电路如图2所示。

2.3 信息通信模块
通信模块主要将下位机采集数据向上位机传输，便于井上技术人员的分析和调度。鉴于煤矿井下特殊的生产条件，模块采用无线传输方式实现数据通信。本文选用Nordic公司生产的nRF401无线传输芯片实现数据的收发，该芯片工作频率为2.4 GHz～2.5 GHz ISM频段，工作电压范围为DC 1.9 V～3.6 V。芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，使用GFSK调制，抗干扰能力强，其SPI通信端口适合与各种MCU连接[5]。
通信模块采用PCB天线，nRF401的数据收发端直接与MCU的串行口相连，其中DIN和DOUT为数据的输入端和输出端，分别与MCU的PD1和PD0连接，实现数据的读取和写入。TXEN、CS和PWR_UP依次为收发方式控制端、频道选择端和节电控制端口，分别与PD4、PD5和PD6连接实现相应控制选择。通信模块接口示意图如图3所示。

2.5 超限报警模块
当检测到作业环境中瓦斯浓度超过设定的安全阈值时，自动发出光信号和声音报警，及时提醒井下人员采取措施或撤离。超限报警模块电路如图5所示。

报警电路通过单片机的PC0～PC2端口实现控制。当环境中的气体浓度正常时，仅PC0端口输出高电平，绿色指示灯支路导通，使其处于常亮的状态。而当气体浓度超限时，PC0端输出低电平，PC1和 PC2端口输出高电平，使红灯支路和蜂鸣器支路同时导通，发出红光报警和声音报警。
3 软件设计
软件部分的合理设计和调用，可充分发挥系统内部资源，实现系统的最佳功效。为提高系统开发调试效率，增强程序的可读性和可移植性，软件部分全部采用C语言编写，由下位机主程序和多个可调用的子程序构成。
下位机主控程序是整个软件的核心，也体现了系统的工作流程。系统工作时，首先对单片机和相关外设芯片进行初始化，而后单片机进入到主程序的执行阶段。对矿井瓦斯浓度数据采集并处理后，利用单片机内部模拟比较器，实现与预设安全浓度阈值的比较。当采集浓度超出安全阈值时，发出声光报警提示。另外，采集的浓度数据可在数码管上实时显示，并当有通信要求时，将数据上传并进行存储。下位机的主控程序流程图如图6所示。

本文将工控单片机技术运用到煤矿安全生产过程中，设计了一款以ATmega16L单片机为核心的智能瓦斯监测报警系统。详细介绍了硬件电路的工作原理和设计过程，给出了系统软件主控程序流程图。该系统结构简单、操作方便，响应速度和精度均较传统探测设备有明显的改进，且便于随身携带，其应用和推广可为有效地预防瓦斯爆炸矿难事故发生提供有力的监测手段。
参考文献
[1] 中华人民共和国国家安全生产监督管理总局.煤矿安全生产“十二五”规划文件[S].2011.
[2] 运宝珍，刘洪.瓦斯灾害防治技术[M].北京：煤炭工业出版社，2007.
[3] ATMEL Corporation.AVR单片机ATmega16单片机中文说明书[A].2001.
[4] 韩广兴.电子元器件与实用电路基础[M].北京：电子工业出版社，2005.
[5] 马银花，杨昆松.基于nRF401煤矿瓦斯无线监测系统的设计[J].煤矿机械，2009，30(5)：132-133.