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摘要：设计了一种以51单片机为MCU的井下空气质量控制系统。该系统以空气中重要的指标甲烷等有害气体浓度及空气温度、湿度、作为监测对象，采用烟雾传感器MQ-2，温湿度传感器DHT11作为检测器件，一旦检测指标异常，可通过矿用风机来实现通风换气的功能，同时系统发出报警提示。不同的浓度及温度可以通过不同的PWM来控制风机转速，可最大程度上节省风机能耗，起到降低能耗，高效运行的目的。
关键词：空气质量;甲烷;传感器;通风换气
引言
矿井生产安全一直是人们比较关心的话题，为此关于矿井安全的法律法规不在少数，井下作业不同于地面，除了地理环境的差异外最明显的就是空气质量[1]。众所周知，井下的空气成分复杂异常，其中最具危害的就是瓦斯，也称之为甲烷（CH4）。甲烷浓度过高遇明火极易发生瓦斯爆炸，这也是最为常见的矿井事故。因此，井下空气中的甲烷浓度的检测至关重要。温度湿度作为空气质量的重要参数一定程度上反映了空气是否适宜继续作业。因此井下空气的温度与湿度检测也非常重要。目前，为防止井下空气质量较差一般会采用大功率的矿用风机实现通风换气，但是矿用风机功率较大，一般在几千瓦到几十千瓦，有时是多台风机同时工作，如果这些设备一直工作，会出现能源的浪费。为此本文设计一种以51单片机为MCU的井下空气质量控制系统，该系统将对空气中重要的指标甲烷等有害气体浓度及空气温度、湿度作为监测对象，采用烟雾传感器MQ-2、温湿度传感器DHT11作为检测器件。可以通过设置检测值的方式控制风机运行，也可以用过PWM实现风机调速，最大程度上节省风机能耗，起到降低能耗、高效运行的目的[1]。
1系统设计
要求以51单片机为核心设计井下空气质量控制系统，系统首先包含烟雾浓度检测、温湿度检测，还有报警功能以及液晶显示功能。最重要的一点需要一个可以通过PWM控制的矿用通风机实现井下空气流动更新的功能。系统的设计框图如图1所示。MQ-2烟雾传感器（见图2）是市面上为数不多的可以检测烟雾浓度的传感器，其他类型的传感器相对价格较高，且较为偏颇，不常用到。MQ-2可作为家用以及工业中检测泄漏的烟雾传感器，对空气中的有害气体例如丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气等的检测有很好的识别效果。不仅如此，还对家用的液化气、煤气有很好的检测作用。而温度传感器则有许多选择，例如数字式的DS18B20、模拟式的PT100等。这些虽然常用但是仅能检测温度，局限性较大，而DHT11则是温湿度传感器（见图3），可以直接读出空气中的温度与湿度两个参数指标。湿度（RH）的量程范围在20%~90%以内，误差范围在5%，温度范围是0~50℃，误差在1℃以内，应用十分广泛。显示器件上也有许多选择，例如液晶显示LCD12864、彩色液晶显示板、8段式数码管等，综合实用性、控制难易程度等，选择LCD1602（见下页图4）作为本系统的人机显示器件[3]。MCU选择性价比较高的51单片机，处理这类检测控制相对单一的系统完全满足性能要求。如果系统要增加联机通信或者无线传输功能则需要选择处理速度更快的DSP。
2传感器检测及控制电路设计
2.1传感器检测电路
传感器作为整个系统的“眼睛”占据着至关重要的地位，对温湿度的检测选用的是DHT11作为检测器件，DHT11被广泛应用到工控、家用电器的相关产品中，应用十分广泛。其主要电路由三个引脚组成：电源、地、以及输出引脚。输出引脚为数字信号，可以通过串行通信读取信息，经过软件处理转化为直观的温湿度信息。这类总线方式的数字传感器电路简单，抗干扰能力强，是未来传感器发展的方向。烟雾传感器采用的是MQ-2，MQ-2传感器输出的是模拟信号，如果单片机需要读取，那么就需要增加一个AD转换芯片，这无疑增加了系统的成本，也使得系统更为复杂。为此将这个模拟信号经过一个比较器进行信号比较，超过阀值则跳转为高电平，反之为低电平。通过这种方式可以转化为单片机可识别的数字量，起到读取信息的目的。途中R16与R20的大小比例关系可以调节阀值的大小[5]。检测电路如图6所示。
2.2显示电路
LCD1602是一种工业字符型的液晶显示器件，能够同时显示多达32个字符的信息，其液晶显示电路如图7所示。LCD1602液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，即可以显示出图形。我们采用的是P0口对应液晶的数据口。RS脚与EN使能脚则由单片机的P2.7与P2.8控制。3脚的作用是调节对比度，常用电位计去调节，但是也可以设置好参数固定的下拉电阻，这样对比度将不在改变。
2.3风机控制电路
风机的控制主要是由一个PWM信号控制，PWM高于20%时，风机开始启动，转速为300r/min，随着占空比提高到80%，风机转速达到1000r/min，也是最大转速。在此范围段内占空比与转速呈线性关系，可实现无级调速。PWM由单片机的引脚不断的改变高低电平产生。周期为100Hz，即10ms为一个周期。为防止PWM信号受到干扰，中间加入了一个RC低通滤波器。电容与电阻的大小可以调节通过的频率。由于风机的供电是高压系统供电，为了避免高压信号耦合到低压系统中，采用了光耦隔离驱动。
3软件设计
基于模块化设计的考虑，本文的软件设计包括上电初始化、温度数据读取、甲烷浓度读取、判定是否超标与超标后的风机控制、风光报警、显示程序等。烟雾浓度传感器需要几分钟的预热，这样读出来的数据才更为准确，因此烟雾浓度检测需要等两分钟后再读取。而读取到的参数一旦超标将触发声光报警和风机转动。具体流程如下页图9所示。其中初始化又可以分为上电后定时器初始化、显示接口初始化、报警接口初始化、串行通信初始化、风机控制初始化等。
4结语
本文设计了一种基于51单片机的矿井空气质量控制系统，分别采用温湿度传感器DHT11与烟雾浓度传感器MQ-2作为检测器件，用LCD1602作为显示器件，显示检测数据信息，同时有一个0~5的PWM信号来控制矿用风机，从而调节空气中的温湿度以及烟雾浓度的大小，同时配置有声光报警系统，从而实现自动智能化的控制效果。
参考文献
[1]杨俊，张长胜，梁仕斌.输电线路微气象监测温湿度传感器研究[J].电力科学与工程，2018，34（10）：24-28.
[2]张俊卿.一种矿用甲烷传感器井下自动标校装置[J].煤炭与化工，2016，39（8）：105-107；111.
[3]张群强，赵巧妮.基于MQ-2型传感器火灾报警系统的设计[J].价值工程，2015，34（13）：96-98.
[4]仝宗好.煤矿井下不同甲烷测定仪器的应用分析[J].山西焦煤科技，2014，38（11）：27-28；52.
[5]李海娜，王翠，罗邵屏.基于单片机的火灾报警系统的设计[J].电子世界，2014（5）：127.
作者:路瑶 单位:潞安集团余吾煤业有限责任公司