摘 要：基于C51单片机的矿井瓦斯智能头盔的电路由瓦斯浓度采集模块，GPS模块，GPRS模块，C51系列单片机，光电和语言模块，RAM/ROM，A/D模块等几部分组成，其中斯传感器能够监测煤矿井下气体环境中的瓦斯浓度，可以连续自动的将井下瓦斯气体浓度转换成标准电信号输送给ECU，GPS模块定位高浓度气体的区域，GPRS模块用来传输数据，数据转换成数字信号，传输给ECU处理后在传给执行器，数据和系统储存在处理器里面。能够在矿井下浓度较高时候报警，确保井下工作人员和地面监测人员能够及时的掌握矿井内的瓦斯浓度并安全撤离，尽可能的保证工作人员的安全，减小煤矿瓦斯爆炸造成的影响。
关键词：51单片机;安全监测;瓦斯爆炸;A/D转换;气体浓度
中图分类号：TD712 文献标识码：A 文章编号：1671-7988（2019）16-83-02
Abstract： The circuit of mine gas intelligent helmet based on C51 single chip consists of gas concentration acquisition module， GPS module， GPRS module， C51 series single chip microcomputer， photoelectric and language module， RAM/ROM， A/D module， etc. The gas concentration in the underground can convert the gas concentration of the downhole gas into a standard electric signal and send it to the ECU continuously and automatically. The GPS module locates the area of the high concentration gas. The GPRS module is used to transmit data， and the data is converted into a digital signal and transmitted to the ECU. After the ECU processes it， it is passed to the actuator， and the data and system are stored in the processor. It can alarm when the concentration is higher in the mine， which ensure the underground workers and ground monitoring personnel can timely grasp the gas concentration in the mine and evacuate safely， and it ensure the safety of the workers and reduce the impact of coal mine gas explosion.
Keywords： 51 single-chip microcomputer; safety monitoring; gas explosion; A/D conversion; gas concentration
CLC NO.： TD712 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2019）16-83-02
前言
煤礦瓦斯爆炸有三个必须条件：一定浓度的瓦斯、高温火源和充足的氧气。在标准状况下瓦斯按体积百分比浓度为5%～16%时遇到高温火源后就会发生瓦斯爆炸，浓度在9.1%～9.5%时爆炸威力最大。瓦斯爆炸界限受温度、压力以及煤层其它可燃气体、惰性气体的混入等因素的影响。如果我们能够监控瓦斯气体的浓度，在达到燃烧爆炸峰值之前，井下人员撤离到井上或者安全区域，那么事故发生的概率会大大降低。基于C51单片机的矿井瓦斯智能监测头盔功耗低，灵活性好，且工作人员在井下活动，能够实时动态监测矿井的瓦斯气体浓度，活动区域广，数据采集范围大与其他动态监测设备可以做互补，极大的增强了监控的效果。
1 系统设计
1.1 系统终端设计原理
智能监测头盔的系统主要由瓦斯浓度采集模块，GPS模块，GPRS模块，C51系列单片机，光电和语言模块，RAM/ROM，A/D模块等几部分组成，系统框图设计如图1所示：
1.2 主要模块的功能
1.2.1 C51系列单片机系统
AT89C51单片机一种可以编程的微处理控制器，单片机通过芯片和丰富的外围电路实现自身强大的功能。具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，可以结合瓦斯监测传感器，实现瓦斯浓度的测量，在瓦斯浓度达到预警值可以及时的传递信息给井下和地面工作人员，以便及时采取紧急避险措施。C51系列单片机内部结构主要包括寄存器，I/O接口，复位电路，震荡电路，内部总线等组成，如图2所示。
1.2.2 A/D转换模块
A/D就是“模数转换器”，将模拟信号转换成数字信号，
传输给CPU，模拟信号是一类电平随着时间进行连续变化的信号。如果把一段模拟信号分成若干份并放到一个新的坐标轴里，就会得到一串离散的幅度值，每一时刻对应一个幅度值，这一串离散的幅度值表示了这段模拟信号，在一定的时间内分割的时间段越大，幅度值表示信号越逼真。模拟信号离散化的目的是将模拟信号转换成二进制数字信号，这样，单片机等数字器件就能识别并处理了。
1.2.3 瓦斯浓度传感器
瓦斯传感器能够监测煤矿井下气体环境中的瓦斯浓度，可以连续自动的将井下瓦斯气体浓度转换成标准电信号输送给ECU，并具有就地显示瓦斯气体浓度值，超限声光报警等功能。本设计采用载体催化及热导原理测量甲烷浓度，由载体催化及热导元件与金属膜电阻、调节电位器等组成传感探头。工作时，被测环境中的甲烷以扩散方式进入传感器探头气室与敏感元件发生反应并产生与甲烷浓度相应的电信号。该信号经放大后进入 A/D转换器进行模数转换，然后送往中央处理单元ST89C51 单片机进行数据处理后发往与之相连的井下监控分站以及地面中心站，实现井下联网监测，监控及就地数字显示和声光报警。
2 总结
本次设计基于C51单片机的矿井瓦斯智能头盔的电路设计，随着经济的发展，各种自然资源的开发工作越来越精细化，安全生产显得尤其重要，对井下瓦斯气体的监测是安全生产的必不可少的一环，科技的进步会促进瓦斯安全监测手段和方式的升级，本次设计的缺陷也会在日后逐步完善。