第２９卷第６期２０１０年６期
Ｉ
煤炭技术
Ｃｆ）ａ１
Ｖ０１．２９，Ｎｏ．０６
Ｊｕｊｌｆ・．２０１０
Ｔ“・ｈｎ…Ｉｌ昏
ＩＩＩＩ—●———■■—●●————●—■■●■■■—●——■■■■—●●■——■■■●—■—●——■●一
巅八式煤矿瓦斯梅测仪应用研夯
刘丽霞
（武警工程学院通信工程系，西安７１００８６）
摘要：利用ＡＲＭ７内核处理器ＬＰＣ２１２９和瓦斯传感器ＭＱ一５设计了一款嵌入式煤矿瓦斯检测仪。通过ＡＤＣ通道将采集瓦斯传感器的输出电压，经过量化后显示在Ｉ，ＣＤ上，当被检测到的瓦斯浓度超过预设的安全临界值时就会发出声光报警信号，提醒工作人员及时撤离并采取有效的通风措施。
关键词：煤矿安全；ＬＰＣ２１２９；嵌入式；瓦斯监测；声光报警中图分类号：ＴＤ７１２文献标识码：Ａ文章编号：１００８—８７２５（２０１０）Ｏ“００４５－０３
ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＣｏａｌ
《Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ
ｖｏｌｔａｇｅａｕｄｉｂｌｅ
ｏｆＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ
ａｎ
Ｍｉｎｅ
ＧａｓＤｅｔｅｃｔｉｎｇＥｑｕｉｐｍｅｎｔ
７１００８６，Ｃｈｉｎａ｝
ｃａｐｔｕｒｅｓ
ｓｉｇｎａｌ
ｔｈｅｏｆ
ＬＩＵＬｉ—ｘｉａ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
ｍｉｎｅ
ｉｔ
ｇａｓ
ｏｎ
ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｒｍｅｄＰｏｌｉｃｅＦｏｒｃｅ，Ｘｉ＇ａｎ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ
ｏｕｔｐｕｔａｎｄ
ｂｙ
ｅｍｂｅｄｄｅｄｃｏａｌ
ａｎｄ
ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔＬＣＤ
ｂｙ
ＬＰＣ２１２９，ｗｈｉｃｈ
ｇａｓ￥ｅｎｓｏｒ
ｓｈｏｗｓｄｅｔｅｃｔｅｄ
ａｆｔｅｒｑｕａｎｔｉｚｉｎｇ．Ｉｔ
ｅｘｃｅｅｄｓ
ｇｉｖｅ＋ｏｕｔ
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ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ
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ｖａｌｕｅ，
ｒｅｍｉｎｄｉｎｇｗｏｒｋｅｒｓ
ｍｅａｓｕｒｅｉｍｍｅｄｉａｔｅｌｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏａｌｍｉｎｅ；ＬＰＣ２１２９；ｅｍｂｅｄｄｅｄ；ｇａｓｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ａｕｄｉｂｌｅａｎｄｖｉｓｕａｌａｌａｒｍ
ｏｆｌｅａｖｉｎｇａｎｄ
ａｄｏｐｔｉｎｇｅｆｆｅｃｔｉｖｅ
来越需要得到保障。由于在矿井掘进及采煤过程中
０引百
随着采矿技术的不断发展，井下作业的安全越（上接第３５页）
（装孔）上，切勿单方向施加压力，以防轴承倾斜而挤压坏配合表面或安装偏心。
（２）轴承安装时，轴承在轴颈和轴承座孔试装，如果配合过紧或过松，不继续安装，而是选用与轴颈和轴承座孔配合适合的轴承安装，如果轴颈或轴承座孔有偏差，应修复轴颈或轴承座孔后安装。
（３）轴承安装后，开动机器运转，测量轴承部位
瓦斯随时都可能涌出，这种情况对现场采矿的工作人员的生命安全造成潜在的威胁。瓦斯事故一直是
以上所述的滚动轴承每一种失效不是独立出现的，而是多种失效同时存在于轴承的丁作过程。因此轴承使用过程中，采取有效措施预防不同种类的失效是十分必要的。在实际生产中，只要做到轴承受载均匀，严格避免过载或过大的冲击载荷，按要求对轴承进行润滑和密封。以工艺规程要求安装和拆卸轴承，就可以有效延长轴承的使用期，甚至
达到轴承的实际寿命，给用户带来客观的经济效益。
参考文献：
外壳温度和听响声。如果温度过高，说明游隙太小；
如果响声异常，说明游隙过大。停机后针对检查出的问题，进行轴承游隙的调整。
ｆ１１陈立德．机械设计基础Ｍ批京：高等教育出版社．２０００．
［２１罗玉福＇王少岩舰械设计基础ＩＭＪ・大连：大连理工大学出版社，
ＪＪ轴承．２００８．（２）．３１—３２．
来进行清洗、检查，拆卸时应特别注意施压不能通过滚动体传递，以避免损坏轴承保持架，有条件应尽量使用拉拨器将轴承缓缓拉出。如果没有拉拔器，应垫以铜棒或木棒，然后轻轻锤击来拆卸轴承，拆卸时还要注意不损坏轴颈或轴承座孔表面。４
（４’篓承孽坏只要要步粤．，妻的塑承需要卸！【３】；溢．胡栋壤动轴承早期失效分析Ｉ
鬲杨鸿儒．电动机滚动轴承失效故障磊葬析与处理【Ｊ】冲小型电机．２００ｉ．（６）：删２．
（４）：１４４—１４５・
ｆ５Ｊ薛福连滚动轴承过早失效问题的解决方法ｆＪ】．轻工机械．２００５，
［６１孙暨等：延篓滚动轴妻寿命的途径眦煤炭技术，２００５・（７）：１８－１９．
科学校学报，２００７，（２）：７４－．－７５．
结束语
收稿日期：２００９一ｌＯ～３０；修订日期：２０１０－０４－０２基金项目：国防顸研基金资助（５
１４１１０４０６０１ＤＺ０１４）
作者简介：刘丽霞（１９７５一），女，太原人，现为西安电子科技大学微电子学院博士研究生，研究方向：无线通信及嵌入式系统。
万方数据
・４６・
煤炭技术第２９卷
煤矿安全生产的灾害之首，每年由于瓦斯泄露造成的特大事故依然很多，因而非常有必要对煤矿的瓦斯源进行监测及预警。瓦斯燃点很低，在空气中含量达５％一１５％时，遇到明火就会爆炸。如果在瓦斯浓度小于５％之前就及时发现危险存在，并采取有效的避险及通风措施，就能够避免矿难的发生【ｌＪ。１
业控制、医疗系统、访问控制和ＰＯＳ机等１２１。
ＬＰＣ２１２９微处理器作为系统的主控制器，主要实现对瓦斯浓度的采集、处理和显示等工作。较小
的６４脚封装、极低的功耗、多个３２位定时器、４路１０位ＡＤＣ（转换时间低至２．４４ｕｓ）、多达９个外部中
断，可使用ＧＰＩＯ多达４６个，这些特性为煤矿瓦斯
瓦斯检测仪总体设计
在嵌入式煤矿瓦斯检测仪的设计中采用的是
监测仪的小型化和低功耗设计提供了保证。
２．２瓦斯传感器
ＭＱ一５天然气气体传感器由微型ＡＬ２０３陶瓷
管、Ｓｎ０２敏感层，测量电极和加热器构成的敏感元件小体积、低功耗方案，所以选用了集成ＡＤＣ接口的
控制器ＬＰＣ２１２９，不需要像传统的瓦斯监测仪那样另外设计模数转换电路。该检测仪主要有控制单元、瓦斯传感器、显示屏、声光报警电路、启动电路、
ＪＴＡＧ调试下载接口以及供电管理单元组成。
工作流程：瓦斯传感器根据环境中的瓦斯气体
浓度变化，使其本身电阻随之发生改变，浓度越高阻值越低，通过串联电阻后就可以得到相应的电压输出，并将连续变化的模拟信号经过控制器的Ａ／Ｄ转换成数字信号，经过处理分析判断是否需要报警，同时将当前环境中的瓦斯气体浓度含量实时的显示到ＬＣＤ上，如果检测气体浓度超出预设的报警阀值就会发出声光报警信号，提醒工作人员尽快撤离并采取有效的通风等措施，避免矿难的发生。系统结构如图１所示。
渊ＪＴＡＣ舯黼
及启动电路卜＿＿。。’１。…。一
瓦斯传感器ｌ
ｈＪ……
ＭＱ．５广。—１
１：翌！土±！：些
鱼拿
供电管理电源（ｓｖ，３３Ｖ，１．Ｂｙ）
图１总体结构图
２系统硬件构成
２．１
ＡＲＭ７微处理器ＬＰＣ２１２９
ＬＰＣ２１２９是基于一个支持实时仿真和跟踪的
１６／３２位ＡＲＭ７
ＴＤＭＩ—Ｓ
ＣＰＵ的微控制器，其结构是
基于精简指令集计算机原理设计的，流水线技术、处理和存储系统的所有部分都可连续工作，可实现
高达６０ＭＨｚ工作频率，工作电压为３．３Ｖ，内核工作电压仅为１．８Ｖ，大大降低了芯片的功耗。带有
２５６
ｋ字节嵌入的高速Ｆｌａｓｈ存储器，１２８位宽度的
存储器接口和独特的加速结构使３２位代码能够在
最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应
用可使用１６位Ｔｈｕｍｂ模式将代码规模降低超过
３０％，而性能的损失却很小，该控制器非常适用于工
万方数据
固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元
件提供了必要的工作条件。传感器电路如图２所示。
图２瓦斯传感器ＭＱ一５
封装好的气敏元件有６只针状管脚，其中４个
用于信号取出，２个用于提供加热电流。特点：对甲
烷、天然气有很高的灵敏度；对乙醇，烟雾的灵敏度
很低；快速的响应恢复特性；长期的使用寿命和可
靠的稳定性；适用于家庭、工业的甲烷、天然气的探测装置１３１。敏感体电阻：４０～４００ＫＱ；空气中响应时间≤１０Ｓ；恢复时间：≤３０ｓ；加热电阻：３１±３１－１；加热电流：≤１８０ｍＡ；加热电压：５±０．２Ｖ；加热功率：
。＜９００
ｍＷ；工作条件：环境温度：一１０℃～６５０Ｃ；湿
度：≤９５％ＲＨ；贮存条件：温度：一２０℃～７００Ｃ；湿度：≤７０％ＲＨ。
２．３
ＬＣＤ显示屏
ＬＣＤ１２８６４液晶显示器是一种具有８位并行接
口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的
点阵图形液晶显示模块，其显示分辨率为１２８
Ｘ
６４，
内置８１９２个１６×１６点汉字和１２８个１６
Ｘ
８点
ＡＳＣＩＩ字符集。利用该模块灵活的接口方式和简单、
方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面，可以显示８×４行１６Ｘ
１６点阵的汉字，也可完成图
形显示。
ＬＣＤ屏主要实时显示瓦斯浓度，便于工作人员了解周围环境中被量化后的瓦斯浓度的具体值。在设计的过程中根据ＬＣＤ与控制器管脚的连接情况编写驱动程序，就可以直接使用输出显示等功能。２．４声光报警电路
当环境里的瓦斯浓度超标时，会通过控制器
ＬＰＣ２１２９的Ｐ０．０Ｅｌ会输出有节奏的脉冲信号，经过
第６期
刘丽霞：嵌入式煤矿瓦斯检测仪应用研究
・４７・
一个三极管８５５０后驱动蜂鸣器工作；４个发光二极管由４个ＧＰＩＯ口控制作为声光报警指示灯，４个４７０１）分别与之串联起到限流作用。
的输出电压进行Ａ／Ｄ转化，经过量化后的值显示到ＬＣＤ屏上，同时在判断是否发生火灾的环节中与系统预设的安全临界值进行比较，如果低于临界值就继续循环检测瓦斯浓度１４１。
考虑到矿井内部的环境复杂，瓦斯传感器输出的信号也具有很大的随机性和不确定性，一旦高于了预设的安全临界值也不急于作出判断，而是继续进入到循环检测中，如果出现连续的５个周期都是高于安全临界值，那么就可以认为此时周围环境的瓦斯浓度超标，声光报警器启动提示工作人员采取必要的通风措施，具体超标多少可以从ＬＣＤ的显示屏上直观获取；报警持续２０Ｓ后，继续进入环境中瓦斯的检测，直至检测到联系５ｓ内声光报警器才停止工作。
３软件开发流程
设软件程序开发环境为ＡＤＳｌ．２是ＡＲＭ公司的集成开发环境软件，功能非常强大，包括四个模块，分别是ＳＩＭＵＬＡＴＯＲ、Ｃ编译器、实时调试器和应用函数库。ＡＤＳｌ．２提供完整的ＷＩＮＤＯＷＳ界面开发环境，Ｃ编译器效率极高，支持ｃ以及Ｃ＋＋，提供软件模拟仿真和实时调试跟踪功能。
ｈ赢］
传感器输出电压ＭＤ转化
匝口
——］■一『断是否高于临界值？＝＞运麓鎏岁
实时刷新ＬＣＤ显示Ｉ
４监测仪校准
由于每个系统和传感器都存在差异性，为了保证瓦斯监测仪测量的精确度，在使用前需要对每台仪器进行校准，在实际的测量中，可以按照其等效
、、～．－—一一—一
圭！，一
．
Ｉ声音撤警信号ｌ
磊素器丽
电路来计算相应的校正数值，其中Ｒｏ表示的是测
量气体在腔体内的等效电阻。Ｒ。是外接负载电阻，用来调整输出的模拟量电压范围。
对于传感器的调整参数计算，可按照甲烷气体传感器校验表ｌ进行调整。校准环境：温度：２０。Ｃ；
图３软件流程图
设备启动后首先进行初始化，包括控制器管脚功能的选取、中断向量设置、ＬＣＤ液晶屏初始化，然后利用控制器内部的定时器每隔１ｓ对瓦斯传感器
表１甲烷气体校验表
相对湿度：６５％；氧气浓度：２ｌ％。
其中：凰为传感器在不同浓度下的电阻值，
Ｒ￡＝２０ｋｆｔ；Ｒｏ＝１４．４３
便的嵌入到矿灯内部，携带方便。还可以扩展其他
传感器，如矿井内的温度和湿度进行监测的传感
器，只需要进行相应软件升级即可。经实验表明，该瓦斯检测设备精度高、反应速度快、误报率低，能为煤矿的安全生产提供可靠保障。参考文献：
１１】李继林．煤矿安全监控系统的现状与发展趋势ｆＪ】．煤炭技术２００８，
ｆｌｉ）：４－５．
ｋｆｌ；Ｃ＝８６；ＲＬ为负载电阻；Ｒｏ
为敏感体电阻；Ｃ为常数，调整显示范围。在灵敏度调整过程中，由于ＭＱ一５型气敏元件对不同种类，
不同浓度的气体有不同的电阻值。因此，在使用此
类型气敏元件时，灵敏度的调整是很重要的。在校准的时候尽量与校准表的环境相一致，并且在校准之前需要对传感器进行预热处理，最好预热时间在
３～５ｒａｉｎｌ５ｌｏ
【２】２
柳智鑫，吕’芳．基于ＬＰＣ２２１０的汽车防撞装置的设计【Ｊ】．微计算机信息，２００８，（２４）：８９—９０．
【３ｌ宋剐，周孟然．ｓｏＰｃ技术在瓦斯监测中的应用姗．煤炭ｔ程．２００７，
（１１）Ｉｌｌｌ－１１２．
５
结束语
该煤矿瓦斯监测仪采用ＡＲＭ７内核控制器设
【４１陈新军，刘明光．基于单片机的煤矿瓦斯自动检测系统【ＪＪ采矿技
术，２００７．（！）：７５－７６．
ｆ５】陈时雨，乇慧军．杨小平．基于ＡＲＭ处理器的嵌入式活化炉温
计，使系统具有更低的功耗和更高的实时性，集成的ＡＤＣ为监测仪的小型化提供了保证，可以很方
度控制系统设讯Ｊ】．煤炭技术，２００８，（３）：１３５—１３６．
（责任编辑王秀丽）
万方数据
嵌入式煤矿瓦斯检测仪应用研究
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
刘丽霞， LIU Li-xia
武警工程学院,通信工程系,西安,710086煤炭技术
COAL TECHNOLOGY2010,29(6)
参考文献(5条)
1.陈时雨;王慧军;杨小平 基于ARM处理器的嵌入式活化炉温度控制系统设计[期刊论文]-煤炭技术 2008(03)2.陈新军;刘明光 基于单片机的煤矿瓦斯自动检测系统[期刊论文]-采矿技术 2007(01)3.宋刚;周孟然 SOPC;技术在瓦斯监测中的应用[期刊论文]-煤炭工程 2007(11)4.柳智鑫;吕芳 基于LPC2210的汽车防撞装置的设计[期刊论文]-微计算机信息 2008(24)5.李继林 煤矿安全监控系统的现状与发展趋势[期刊论文]-煤炭技术 2008(11)
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_mtjs201006019.aspx
第２９卷第６期２０１０年６期
Ｉ
煤炭技术
Ｃｆ）ａ１
Ｖ０１．２９，Ｎｏ．０６
Ｊｕｊｌｆ・．２０１０
Ｔ“・ｈｎ…Ｉｌ昏
ＩＩＩＩ—●———■■—●●————●—■■●■■■—●——■■■■—●●■——■■■●—■—●——■●一
巅八式煤矿瓦斯梅测仪应用研夯
刘丽霞
（武警工程学院通信工程系，西安７１００８６）
摘要：利用ＡＲＭ７内核处理器ＬＰＣ２１２９和瓦斯传感器ＭＱ一５设计了一款嵌入式煤矿瓦斯检测仪。通过ＡＤＣ通道将采集瓦斯传感器的输出电压，经过量化后显示在Ｉ，ＣＤ上，当被检测到的瓦斯浓度超过预设的安全临界值时就会发出声光报警信号，提醒工作人员及时撤离并采取有效的通风措施。
关键词：煤矿安全；ＬＰＣ２１２９；嵌入式；瓦斯监测；声光报警中图分类号：ＴＤ７１２文献标识码：Ａ文章编号：１００８—８７２５（２０１０）Ｏ“００４５－０３
ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＣｏａｌ
《Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ
ｖｏｌｔａｇｅａｕｄｉｂｌｅ
ｏｆＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ
ａｎ
Ｍｉｎｅ
ＧａｓＤｅｔｅｃｔｉｎｇＥｑｕｉｐｍｅｎｔ
７１００８６，Ｃｈｉｎａ｝
ｃａｐｔｕｒｅｓ
ｓｉｇｎａｌ
ｔｈｅｏｆ
ＬＩＵＬｉ—ｘｉａ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
ｍｉｎｅ
ｉｔ
ｇａｓ
ｏｎ
ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｒｍｅｄＰｏｌｉｃｅＦｏｒｃｅ，Ｘｉ＇ａｎ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ
ｏｕｔｐｕｔａｎｄ
ｂｙ
ｅｍｂｅｄｄｅｄｃｏａｌ
ａｎｄ
ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔＬＣＤ
ｂｙ
ＬＰＣ２１２９，ｗｈｉｃｈ
ｇａｓ￥ｅｎｓｏｒ
ｓｈｏｗｓｄｅｔｅｃｔｅｄ
ａｆｔｅｒｑｕａｎｔｉｚｉｎｇ．Ｉｔ
ｅｘｃｅｅｄｓ
ｇｉｖｅ＋ｏｕｔ
ｖｉｓｕａｌａｌａｒｍｗｈｅｎ
ｇａｓ
ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ
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ｒｅｍｉｎｄｉｎｇｗｏｒｋｅｒｓ
ｍｅａｓｕｒｅｉｍｍｅｄｉａｔｅｌｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏａｌｍｉｎｅ；ＬＰＣ２１２９；ｅｍｂｅｄｄｅｄ；ｇａｓｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ａｕｄｉｂｌｅａｎｄｖｉｓｕａｌａｌａｒｍ
ｏｆｌｅａｖｉｎｇａｎｄ
ａｄｏｐｔｉｎｇｅｆｆｅｃｔｉｖｅ
来越需要得到保障。由于在矿井掘进及采煤过程中
０引百
随着采矿技术的不断发展，井下作业的安全越（上接第３５页）
（装孔）上，切勿单方向施加压力，以防轴承倾斜而挤压坏配合表面或安装偏心。
（２）轴承安装时，轴承在轴颈和轴承座孔试装，如果配合过紧或过松，不继续安装，而是选用与轴颈和轴承座孔配合适合的轴承安装，如果轴颈或轴承座孔有偏差，应修复轴颈或轴承座孔后安装。
（３）轴承安装后，开动机器运转，测量轴承部位
瓦斯随时都可能涌出，这种情况对现场采矿的工作人员的生命安全造成潜在的威胁。瓦斯事故一直是
以上所述的滚动轴承每一种失效不是独立出现的，而是多种失效同时存在于轴承的丁作过程。因此轴承使用过程中，采取有效措施预防不同种类的失效是十分必要的。在实际生产中，只要做到轴承受载均匀，严格避免过载或过大的冲击载荷，按要求对轴承进行润滑和密封。以工艺规程要求安装和拆卸轴承，就可以有效延长轴承的使用期，甚至
达到轴承的实际寿命，给用户带来客观的经济效益。
参考文献：
外壳温度和听响声。如果温度过高，说明游隙太小；
如果响声异常，说明游隙过大。停机后针对检查出的问题，进行轴承游隙的调整。
ｆ１１陈立德．机械设计基础Ｍ批京：高等教育出版社．２０００．
［２１罗玉福＇王少岩舰械设计基础ＩＭＪ・大连：大连理工大学出版社，
ＪＪ轴承．２００８．（２）．３１—３２．
来进行清洗、检查，拆卸时应特别注意施压不能通过滚动体传递，以避免损坏轴承保持架，有条件应尽量使用拉拨器将轴承缓缓拉出。如果没有拉拔器，应垫以铜棒或木棒，然后轻轻锤击来拆卸轴承，拆卸时还要注意不损坏轴颈或轴承座孔表面。４
（４’篓承孽坏只要要步粤．，妻的塑承需要卸！【３】；溢．胡栋壤动轴承早期失效分析Ｉ
鬲杨鸿儒．电动机滚动轴承失效故障磊葬析与处理【Ｊ】冲小型电机．２００ｉ．（６）：删２．
（４）：１４４—１４５・
ｆ５Ｊ薛福连滚动轴承过早失效问题的解决方法ｆＪ】．轻工机械．２００５，
［６１孙暨等：延篓滚动轴妻寿命的途径眦煤炭技术，２００５・（７）：１８－１９．
科学校学报，２００７，（２）：７４－．－７５．
结束语
收稿日期：２００９一ｌＯ～３０；修订日期：２０１０－０４－０２基金项目：国防顸研基金资助（５
１４１１０４０６０１ＤＺ０１４）
作者简介：刘丽霞（１９７５一），女，太原人，现为西安电子科技大学微电子学院博士研究生，研究方向：无线通信及嵌入式系统。
万方数据
・４６・
煤炭技术第２９卷
煤矿安全生产的灾害之首，每年由于瓦斯泄露造成的特大事故依然很多，因而非常有必要对煤矿的瓦斯源进行监测及预警。瓦斯燃点很低，在空气中含量达５％一１５％时，遇到明火就会爆炸。如果在瓦斯浓度小于５％之前就及时发现危险存在，并采取有效的避险及通风措施，就能够避免矿难的发生【ｌＪ。１
业控制、医疗系统、访问控制和ＰＯＳ机等１２１。
ＬＰＣ２１２９微处理器作为系统的主控制器，主要实现对瓦斯浓度的采集、处理和显示等工作。较小
的６４脚封装、极低的功耗、多个３２位定时器、４路１０位ＡＤＣ（转换时间低至２．４４ｕｓ）、多达９个外部中
断，可使用ＧＰＩＯ多达４６个，这些特性为煤矿瓦斯
瓦斯检测仪总体设计
在嵌入式煤矿瓦斯检测仪的设计中采用的是
监测仪的小型化和低功耗设计提供了保证。
２．２瓦斯传感器
ＭＱ一５天然气气体传感器由微型ＡＬ２０３陶瓷
管、Ｓｎ０２敏感层，测量电极和加热器构成的敏感元件小体积、低功耗方案，所以选用了集成ＡＤＣ接口的
控制器ＬＰＣ２１２９，不需要像传统的瓦斯监测仪那样另外设计模数转换电路。该检测仪主要有控制单元、瓦斯传感器、显示屏、声光报警电路、启动电路、
ＪＴＡＧ调试下载接口以及供电管理单元组成。
工作流程：瓦斯传感器根据环境中的瓦斯气体
浓度变化，使其本身电阻随之发生改变，浓度越高阻值越低，通过串联电阻后就可以得到相应的电压输出，并将连续变化的模拟信号经过控制器的Ａ／Ｄ转换成数字信号，经过处理分析判断是否需要报警，同时将当前环境中的瓦斯气体浓度含量实时的显示到ＬＣＤ上，如果检测气体浓度超出预设的报警阀值就会发出声光报警信号，提醒工作人员尽快撤离并采取有效的通风等措施，避免矿难的发生。系统结构如图１所示。
渊ＪＴＡＣ舯黼
及启动电路卜＿＿。。’１。…。一
瓦斯传感器ｌ
ｈＪ……
ＭＱ．５广。—１
１：翌！土±！：些
鱼拿
供电管理电源（ｓｖ，３３Ｖ，１．Ｂｙ）
图１总体结构图
２系统硬件构成
２．１
ＡＲＭ７微处理器ＬＰＣ２１２９
ＬＰＣ２１２９是基于一个支持实时仿真和跟踪的
１６／３２位ＡＲＭ７
ＴＤＭＩ—Ｓ
ＣＰＵ的微控制器，其结构是
基于精简指令集计算机原理设计的，流水线技术、处理和存储系统的所有部分都可连续工作，可实现
高达６０ＭＨｚ工作频率，工作电压为３．３Ｖ，内核工作电压仅为１．８Ｖ，大大降低了芯片的功耗。带有
２５６
ｋ字节嵌入的高速Ｆｌａｓｈ存储器，１２８位宽度的
存储器接口和独特的加速结构使３２位代码能够在
最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应
用可使用１６位Ｔｈｕｍｂ模式将代码规模降低超过
３０％，而性能的损失却很小，该控制器非常适用于工
万方数据
固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元
件提供了必要的工作条件。传感器电路如图２所示。
图２瓦斯传感器ＭＱ一５
封装好的气敏元件有６只针状管脚，其中４个
用于信号取出，２个用于提供加热电流。特点：对甲
烷、天然气有很高的灵敏度；对乙醇，烟雾的灵敏度
很低；快速的响应恢复特性；长期的使用寿命和可
靠的稳定性；适用于家庭、工业的甲烷、天然气的探测装置１３１。敏感体电阻：４０～４００ＫＱ；空气中响应时间≤１０Ｓ；恢复时间：≤３０ｓ；加热电阻：３１±３１－１；加热电流：≤１８０ｍＡ；加热电压：５±０．２Ｖ；加热功率：
。＜９００
ｍＷ；工作条件：环境温度：一１０℃～６５０Ｃ；湿
度：≤９５％ＲＨ；贮存条件：温度：一２０℃～７００Ｃ；湿度：≤７０％ＲＨ。
２．３
ＬＣＤ显示屏
ＬＣＤ１２８６４液晶显示器是一种具有８位并行接
口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的
点阵图形液晶显示模块，其显示分辨率为１２８
Ｘ
６４，
内置８１９２个１６×１６点汉字和１２８个１６
Ｘ
８点
ＡＳＣＩＩ字符集。利用该模块灵活的接口方式和简单、
方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面，可以显示８×４行１６Ｘ
１６点阵的汉字，也可完成图
形显示。
ＬＣＤ屏主要实时显示瓦斯浓度，便于工作人员了解周围环境中被量化后的瓦斯浓度的具体值。在设计的过程中根据ＬＣＤ与控制器管脚的连接情况编写驱动程序，就可以直接使用输出显示等功能。２．４声光报警电路
当环境里的瓦斯浓度超标时，会通过控制器
ＬＰＣ２１２９的Ｐ０．０Ｅｌ会输出有节奏的脉冲信号，经过
第６期
刘丽霞：嵌入式煤矿瓦斯检测仪应用研究
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一个三极管８５５０后驱动蜂鸣器工作；４个发光二极管由４个ＧＰＩＯ口控制作为声光报警指示灯，４个４７０１）分别与之串联起到限流作用。
的输出电压进行Ａ／Ｄ转化，经过量化后的值显示到ＬＣＤ屏上，同时在判断是否发生火灾的环节中与系统预设的安全临界值进行比较，如果低于临界值就继续循环检测瓦斯浓度１４１。
考虑到矿井内部的环境复杂，瓦斯传感器输出的信号也具有很大的随机性和不确定性，一旦高于了预设的安全临界值也不急于作出判断，而是继续进入到循环检测中，如果出现连续的５个周期都是高于安全临界值，那么就可以认为此时周围环境的瓦斯浓度超标，声光报警器启动提示工作人员采取必要的通风措施，具体超标多少可以从ＬＣＤ的显示屏上直观获取；报警持续２０Ｓ后，继续进入环境中瓦斯的检测，直至检测到联系５ｓ内声光报警器才停止工作。
３软件开发流程
设软件程序开发环境为ＡＤＳｌ．２是ＡＲＭ公司的集成开发环境软件，功能非常强大，包括四个模块，分别是ＳＩＭＵＬＡＴＯＲ、Ｃ编译器、实时调试器和应用函数库。ＡＤＳｌ．２提供完整的ＷＩＮＤＯＷＳ界面开发环境，Ｃ编译器效率极高，支持ｃ以及Ｃ＋＋，提供软件模拟仿真和实时调试跟踪功能。
ｈ赢］
传感器输出电压ＭＤ转化
匝口
——］■一『断是否高于临界值？＝＞运麓鎏岁
实时刷新ＬＣＤ显示Ｉ
４监测仪校准
由于每个系统和传感器都存在差异性，为了保证瓦斯监测仪测量的精确度，在使用前需要对每台仪器进行校准，在实际的测量中，可以按照其等效
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Ｉ声音撤警信号ｌ
磊素器丽
电路来计算相应的校正数值，其中Ｒｏ表示的是测
量气体在腔体内的等效电阻。Ｒ。是外接负载电阻，用来调整输出的模拟量电压范围。
对于传感器的调整参数计算，可按照甲烷气体传感器校验表ｌ进行调整。校准环境：温度：２０。Ｃ；
图３软件流程图
设备启动后首先进行初始化，包括控制器管脚功能的选取、中断向量设置、ＬＣＤ液晶屏初始化，然后利用控制器内部的定时器每隔１ｓ对瓦斯传感器
表１甲烷气体校验表
相对湿度：６５％；氧气浓度：２ｌ％。
其中：凰为传感器在不同浓度下的电阻值，
Ｒ￡＝２０ｋｆｔ；Ｒｏ＝１４．４３
便的嵌入到矿灯内部，携带方便。还可以扩展其他
传感器，如矿井内的温度和湿度进行监测的传感
器，只需要进行相应软件升级即可。经实验表明，该瓦斯检测设备精度高、反应速度快、误报率低，能为煤矿的安全生产提供可靠保障。参考文献：
１１】李继林．煤矿安全监控系统的现状与发展趋势ｆＪ】．煤炭技术２００８，
ｆｌｉ）：４－５．
ｋｆｌ；Ｃ＝８６；ＲＬ为负载电阻；Ｒｏ
为敏感体电阻；Ｃ为常数，调整显示范围。在灵敏度调整过程中，由于ＭＱ一５型气敏元件对不同种类，
不同浓度的气体有不同的电阻值。因此，在使用此
类型气敏元件时，灵敏度的调整是很重要的。在校准的时候尽量与校准表的环境相一致，并且在校准之前需要对传感器进行预热处理，最好预热时间在
３～５ｒａｉｎｌ５ｌｏ
【２】２
柳智鑫，吕’芳．基于ＬＰＣ２２１０的汽车防撞装置的设计【Ｊ】．微计算机信息，２００８，（２４）：８９—９０．
【３ｌ宋剐，周孟然．ｓｏＰｃ技术在瓦斯监测中的应用姗．煤炭ｔ程．２００７，
（１１）Ｉｌｌｌ－１１２．
５
结束语
该煤矿瓦斯监测仪采用ＡＲＭ７内核控制器设
【４１陈新军，刘明光．基于单片机的煤矿瓦斯自动检测系统【ＪＪ采矿技
术，２００７．（！）：７５－７６．
ｆ５】陈时雨，乇慧军．杨小平．基于ＡＲＭ处理器的嵌入式活化炉温
计，使系统具有更低的功耗和更高的实时性，集成的ＡＤＣ为监测仪的小型化提供了保证，可以很方
度控制系统设讯Ｊ】．煤炭技术，２００８，（３）：１３５—１３６．
（责任编辑王秀丽）
万方数据
嵌入式煤矿瓦斯检测仪应用研究
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
刘丽霞， LIU Li-xia
武警工程学院,通信工程系,西安,710086煤炭技术
COAL TECHNOLOGY2010,29(6)
参考文献(5条)
1.陈时雨;王慧军;杨小平 基于ARM处理器的嵌入式活化炉温度控制系统设计[期刊论文]-煤炭技术 2008(03)2.陈新军;刘明光 基于单片机的煤矿瓦斯自动检测系统[期刊论文]-采矿技术 2007(01)3.宋刚;周孟然 SOPC;技术在瓦斯监测中的应用[期刊论文]-煤炭工程 2007(11)4.柳智鑫;吕芳 基于LPC2210的汽车防撞装置的设计[期刊论文]-微计算机信息 2008(24)5.李继林 煤矿安全监控系统的现状与发展趋势[期刊论文]-煤炭技术 2008(11)
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