基于51单片机设计的井下瓦斯监控系统
一、项目介绍
井下瓦斯监控系统是煤矿安全生产中非常重要的一部分，防止井下瓦斯爆炸事故的发生，保障煤矿工人的人身安全。由于地下环境特殊，需要特殊的监测系统来实时监测瓦斯浓度等关键指标，并及时报警以便采取措施进行处理。
瓦斯气体，又称沼气，是一种轻质烃类气体，主要成分是甲烷（CH4），也包含少量的乙烷、丙烷等。它是在地下煤炭层与泥岩等岩石中通过微生物作用或者煤炭化学反应形成的。在煤矿等地下工程中，瓦斯常常是一种具有危险性的气体，如果采取不当的措施，就有可能发生瓦斯爆炸事故。
基于51单片机的井下瓦斯监控系统，可以通过传感器检测瓦斯气体浓度，将检测到的数据通过AD转换后送入单片机处理，再通过LCD显示器显示出来。如果瓦斯浓度超过了预设阈值，系统会自动启动报警装置进行警示。同时，这种系统具有适用面广、成本低、可靠性高等特点。
在目前环保意识提高的背景下，煤炭企业和政府对于井下瓦斯监控系统的需求越来越大，系统的市场潜力巨大。
二、设计原理
2.1 传感器选型
（1）瓦斯气体检测
MQ2传感器是一种常用于气体检测的半导体传感器，主要用于检测多种易燃、易爆气体，如瓦斯、丙烷、液化气等。它采用了半导体氧化物层敏感元件技术，当检测到目标气体时，其电阻值会发生变化，从而可以通过测量电阻值的变化来检测目标气体的浓度。MQ2传感器具有灵敏度高、响应速度快、使用方便等特点，因此在气体检测领域广泛应用。
MQ2传感器包括热敏电阻、电化学传感器、半导体敏感元件等部分，其中半导体敏感元件是其核心部件，也是影响传感器性能的关键因素。在使用前需要进行预热处理，一般预热时间为1-2分钟，然后将待测气体与传感器接触，即可读取传感器的输出信号并进行浓度计算。
（2）ADC采集模块
PCF8591模块是一种集成了AD转换器和DA转换器的模块，通过I2C总线可以连接到单片机或其他电子设备上，用于模拟信号的输入和输出。其主要特点是集成度高、精度高、使用方便、成本低廉等。
模块由PCF8591芯片和相关外围电路组成，其中PCF8591芯片是一个具有4个模拟输入通道和1个模拟输出通道的集成电路，内部集成了128级AD转换器和8位DA转换器，并且支持外部基准电压输入。同时，该模块还包括4个可变电阻，可以通过调节来改变模拟输入通道的电阻值，从而实现对信号的增益和衰减。通过I2C总线，可以方便地读取和输出模拟信号。
在实际应用中，PCF8591模块广泛用于传感器信号的采集和处理，例如温度、光强、声音等信号的转换和传输。
2.2 设计思路
基于51单片机设计的井下瓦斯监控系统的原理如下：
（1）传感器检测瓦斯浓度：使用瓦斯传感器检测井下瓦斯浓度，并将检测结果转换为电信号输出。
（2）单片机采集数据：使用ADC模块将传感器输出的电信号转换为数字信号，并将其存储到单片机内部的RAM中。
（3）数据处理：单片机通过对采集到的数据进行处理，可以实现瓦斯浓度的实时监测，并根据预设阈值进行报警处理。
（4）报警处理：当瓦斯浓度超过预设阈值时，单片机会触发报警器进行报警。同时，可以通过OLED显示屏实时显示瓦斯浓度，并通过蜂鸣器发出警报声音。
（5）数据存储：单片机还可以将采集到的数据存储到外部存储器中，以便后续的数据分析和处理。
基于51单片机设计的井下瓦斯监控系统通过传感器检测瓦斯浓度，单片机采集数据并进行处理，实现了对瓦斯浓度的实时监测和报警处理，同时还可以将数据存储到外部存储器中，方便后续的数据分析和处理。
三、代码实现
3.1 采集MQ2浓度打印到串口
以下是基于STC89C52通过PCF8591采集MQ2烟雾传感器的值，并转为浓度打印到串口的详细代码。
#include < reg52.h >
#include < intrins.h >
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
sbit SCL=P1^0; // I2C时钟线
sbit SDA=P1^1; // I2C数据线
sbit MQ2=P3^2; // MQ2烟雾传感器
// 函数声明
void delay(uint n);
void I2C_Start();
void I2C_Stop();
void I2C_SendACK(bit ack);
bit I2C_RecvACK();
void I2C_SendByte(uchar dat);
uchar I2C_RecvByte();
void PCF8591_Write(uchar addr, uchar dat);
uchar PCF8591_Read(uchar addr);
void InitPCF8591();
uint ReadMQ2();
// 主函数
void main()
{
InitPCF8591(); // 初始化PCF8591
while(1)
{
uint mq2val = ReadMQ2(); // 读取MQ2传感器的值
float mq2con = (mq2val / 255.0) * 100.0; // 将传感器的值转换为浓度
printf("MQ2烟雾浓度：%f%%\\n", mq2con); // 打印浓度到串口
delay(1000); // 延时1秒
}
}
// 延时函数
void delay(uint n)
{
uint i, j;
for(i = 0; i < n; i++)
for(j = 0; j < 125; j++);
}
// I2C总线函数
// I2C起始信号
void I2C_Start()
{
SDA = 1;
SCL = 1;
_nop_();
_nop_();
_nop_();
SDA = 0;
_nop_();
_nop_();
_nop_();
SCL = 0;
}
// I2C停止信号
void I2C_Stop()
{
SDA = 0;
SCL = 1;
_nop_();
_nop_();
_nop_();
SDA = 1;
_nop_();
_nop_();
_nop_();
}
// I2C发送应答信号
void I2C_SendACK(bit ack)
{
SDA = ack;
SCL = 1;
_nop_();
_nop_();
_nop_();
SCL = 0;
}
// I2C接收应答信号
bit I2C_RecvACK()
{
SCL = 1;
_nop_();
_nop_();
_nop_();
bit ack = SDA;
SCL = 0;
return ack;
}
// I2C发送一个字节
void I2C_SendByte