基于单片机的甲烷浓度监测报警仪本科生毕业论文.docx

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基于单片机的甲烷浓度监测报警仪本科生毕业论文

基于单片机的甲烷浓度监测报警仪

第一章概述

1项目提出的必要性和国内外研究水平与动向

从我国煤炭生产的现状及我国能源结构战略规划均可看出，在本世纪中叶以前，煤炭仍是支持我国国民经济发展的主要能源，煤炭生产，作为我国能源工业的支柱，其地位将是长期的，稳定的，但是煤炭工业的安全生产状况却不容乐观，中小型煤矿的情况尤为严重，已经直接威胁到整个煤炭工业的稳定生产，给国家财产和人民生命造成了很大的损失，作为“万恶之首”的甲烷爆炸事故更是重大事故发生率之首。

在去年，又接连发生了多起甲烷爆炸事故，事故的结果触目惊心，因此通过强化甲烷管理，提高通风、甲烷监测监控水平，已经成为中小型煤矿甲烷监测监控的最迫切的任务之一。

煤矿生产安全监控系统，是目前为止实际通风甲烷管理工作中最重要和最有效的自动化手段，已经装备监控系统的煤矿的甲烷事故发生率大为下降，实践证明，煤矿生产安全监控系统对保障煤矿安全生产，提高煤矿生产率，提高煤矿自动化程度以及促进煤矿管理现代化水平，都有着举足轻重的作用。

煤矿生产安全监控系统虽在国内已有生产和应用，但还没有一种真正适合于中小型煤矿使用的产品，我国从八十年代初期开始引进煤矿生产安全监控系统，历经了直接引进、消化吸收、仿制配套、自主开发的过程，但迄今为止的产品大多都是面对大型矿井设计的，而且自身尚有一些有待解决的问题，如:

·造价高，系统最基本的配置过于庞大，运行费用大

·传感器测量稳定性差，调校频繁，寿命短

·系统安装、维护复杂，操作不便，人机界面较差

·系统设备可靠性差

·必须依赖专业的维护队伍，对人员技术，素质有较高的要求。

国外的监控系统技术理论上讲高于国内发展水平，但应用于国内煤矿尚有一定的局限性，如煤矿管理模式生产方式的不同，价格过高不适于国内煤矿现有条件，除在传感器技术方面可供借鉴外，其它仅具一定的参考价值。

综上所述，开发研制适用于中小型煤矿生产安全监控系统的任务迫在眉睫，而根据我国煤矿生产和管理模式，依照我国的有关技术标准，其技术的先进性、产品的可靠性和实用性则是本项目的关键所在。

沼气（甲烷CH4的俗称）矿井在我国煤矿生产矿井中所占比重很大，随着矿井开采强度和深度的增加，沼气涌出量也在不断增加，沼气积聚可能引起沼气事故，及时掌握煤矿井下沼气动态是一件十分重要的工作。

甲烷浓度检测仪器就是用来监视矿井沼气动态的有效工具。

鉴于沼气在矿井中存在的普遍性及其可能造成灾害的严重性，甲烷浓度检测仪器在煤矿是数量最多，使用最普遍的安全检测仪器，而且也是煤炭系统研制种类最多的仪器，需要说明的是，由于我国煤矿习惯把甲烷叫做瓦斯，因此检测甲烷浓度的仪器，有的叫瓦斯检定器，有的又叫沼气检定器。

在这里，甲烷，沼气和瓦斯是同义词。

2煤矿安全仪器概况

煤矿生产是地下作业，自然条件和生产条件都复杂，在采掘过程中出现的瓦斯涌出、煤尘飞扬、自然发火等都有可能造成严重事故。

为了防止事故发生，保障矿工的健康和安全，促进生产发展，提高煤炭企业的经济效益，应对井下的气象进行检测，对可能造成灾害事故的各种有害气体及矿尘进行及时而准确的检测和严格控制，一旦发生灾变，必须

及时救护遇难人员和处理事故。

所有这些都需要有相应的检测仪器和救

护装备。

最初，人们为了防止井下空气中混有一氧化碳造成中毒事故，曾使

用过金丝雀一类的小动物来进行检测。

1815年英国人在煤矿井下开始使用安全火焰灯检测瓦斯。

1897年瑞典制成第一台容积压力式瓦斯浓度测量仪。

随着矿井开采深度的增大，机械化和综合机械采煤的普遍推广，通风安全方面问题日益突出。

与此同时，随着仪表工业及电子技术的发展，矿井通风安全仪器也得到了不断的发展。

1927年日本制造成光干涉原理甲烷检定器，以后又陆续出现热导、热催化原理、气敏半导体等各种不同原理的甲烷检定器，其测量精度不断提高，检测方式从“间断”、“就地”检测发展到“连续”、“集中自动”遥测。

特别是随着电子计算机技术的应用，一套监测系统，除能检测高低浓度甲烷外，还可测一氧化碳、氧、氢的浓度，气温，风速等等。

同时还能对井下设备的工作状态进行监控。

如英国DYNSLINK-MINOS系统的监测容量为986个模拟量，896个开关量，传输距离为131n。

在地面中心站一般都配有用来进行数据采集和处理的计算机、打印机、显示器、控制台和模拟盘等。

譬如当井下某测点的甲烷浓度超限时，能发出声、光报警信号，切断该测点附近的电源。

作为间断方式检测的携带式仪器，也随着测试技术的飞速发展及多功能集成电路的出现，检测元件的性能不断提高而实现了单机分级报警，数码显示，自动校正，电源监视和故障指示等功能。

而且操作简单，维修量小，体积小。

例如美国MSA公司生产的携带式甲烷检测仪重量只有0.28吨，外形尺寸为146*65*38}

解放前我国煤炭工业技术十分落后，矿井通风安全仪器更是属于空白。

解放后，党和政府对安全工作极为重视，煤矿安全状况及劳动条件得到了很大的改善，通风安全仪器从无到有地发展起来在仪器的研究、生产制造方面，多年来投入了很大的力量，形成了以抚顺、重庆、西安、常州、上海等地为中心的安全仪器生产基地，除生产大量的通风安全仪器和救护设备外，从1980年起，先后从波兰、英国、美国和西德等地引进了多种形式的煤矿安全监测系统和生产监控系统，在引进消化的基础上，我国也研制了一批安全监测系统，如常州煤研所的KJl型，北京长城科学仪器厂的KJ4型，重庆煤矿安全仪器厂的TF-200型和AWJ-80型，西安仪表厂的MJC-100型，抚顺煤矿安全仪器厂的AU1型，总参6904厂的WDJ-1型和镇江煤矿专用设备厂的A-1型等安全监控系统来装备矿井。

其中KJ4型的系统容量为1536个，传输距离为13}n。

所有这些成就，表明我国的安全监测仪器的研制和装备进入了新的水平。

但是目前安全监测传感器的种类和质量与国际水平的差距还较大，这是需要解决的问题。

3.仪器的基本性能

一、测量仪器的概念

煤矿安全仪器是用来检查测量矿井安全状况的物质手段。

什么是测量呢?

测量是人们对自然界的客观事物取得数量观念的一种认识过程。

在这一过程中，借助于专门的技术工具，通过实验方法，求出以所采用的测量单位表示的未知量的数值大小。

测量的目的是为了在限定的时间内尽可能正确地收集被测对象未知信息，以便掌握被测对象的参数及控

制生产过程。

例如，在采煤机上安装采灯机瓦斯断电控制仪。

它不仅可以连续监测采煤机附近风流的甲烷浓度，而且在甲烷浓度超限时还可发出声、光报警信号，并自动切断采煤机的工作电源以防发生瓦斯事故，确保生产安全。

二、测量仪器的基本性能

评价测量仪器品质的指标是多方面的。

仪器的基本性能，主要是衡量仪器测量能力的一些指标，如精确度、稳定性、测量范围、动态范围等。

但工作可靠性、经济性也很重要，这些因素在很大程度上影响仪器的使用。

（一）精确度

与这个性能有关的指标有:

1.精密度精密度是指在测量中所测数值重复一致的程度。

即对某一稳定的被测量在相同的规定工作条件下，由同一测量者用同一仪器在相当短的时间内按同一方法连续重复测量多次，其测量示值的不一致程度。

不一致程度愈小，说明测量愈精密。

例如某温度仪表精密度为0.5K，意即用该仪表测量温度时其不一致程度不会大于0.5K。

但精密不一定准确。

2.准确度准确度是指仪器的示值有规律地偏离真值大小的程度。

3.精确度（简称精度）精度是测量的精密与准确程度的综合反映。

精密度高是精度高的必要条件，但并非充分条件。

要使仪器的精度高，还必须使其准确度高才行。

在工程测试中，为了简单表示仪器测量结果的可靠程度，引入一个仪器精度等级的概念，用A表示。

A以一系列标准百分比数值进行分档。

这个数值通常是仪器在规定条件下，其最大绝对允许误差值相对于仪器测量范围的百分数，即:

式中:

—仪器在全刻度范围内的最大绝对允许误差;

—测量范围的上、下限值:

—仪器的精度等级。

科学研究用的仪器的精度等级值约为10-，一10-io;工业检测用的仪器的精度等级值约为。

（二）稳定性

稳定性是指仪器的性能在工作条件保持恒定的情况下，在规定的时间内保持不变的能力。

它用精密度的数值和观测时间长短一起来表示。

例如，某仪表24小时内示值变化幅度达1.3mV，则该仪表的稳定度为1.3mV/d0

（三）影响系数

仪器由于室温、大气压、振动等外部状态变化及电源电压、工作条件变化对示值的影响统称为环境影响，为仪器在校准时都规定有一个标准工作条件，用影响系数表示。

频率等这是因但在实际使用该仪器时又很难达到这个要求。

影响系数是用示值变化值与影响量变化值之比来表示。

例如某压力表的温度影响系数为2Pa/℃即温度每变化10C，就会引起压力表示值变化2Pa。

（四）仪器输入输出特性

说明仪器输入输出对应关系的主要性能有;

1.灵敏度灵敏度是指仪器在稳态下输出变化对输入变化的比值，用S表示，即S=dy/dx。

它是仪器在稳态下输入输出关系的静特性曲线上各点的斜率。

在线性特性的仪器中灵敏度S是常数。

在非线性特性的仪器中灵敏S在整个量程内不是常数。

对特定的测量装置来说，其灵敏度的定义方法往往是不同的。

例如，在接收机中，灵敏度定义为产生具有指定信噪比的输出信号所需的最小输入信号;而在频率计中，它与频率计的输出示值之间没有直接的关系。

2.分辩率如果输入量从某个任意非零值慢慢地变化，我们将会发现，在输入变化值没有超过某一数值之前，仪器示值是不会变化的，这个使示值变化的最小输入变化值叫做仪器的分辩率，也应该对示值的变化从量上规定一个数值。

一般模拟式仪表的分辩率规定为最小刻度分格值的一半，数字式仪表的分辩率是最后一位数的数值。

3.线性度线性度用来说明输出量与输入量的实际关系曲线偏离直线的程度。

无论是模拟式的仪表，还是数字式的仪表，都希望它们的特性是线性关系。

这样模拟式仪表的刻度就可以做成均匀的刻度，而数字式仪表就可以不必采用线性化环节。

4.滞环滞环是指仪器正向特性和反向特性不一致的程度。

这种现象是由于仪器元件吸收能量所引起的。

例如机械仪表中有内摩擦，电磁仪表中有磁滞损耗。

（五）量程

量程B是指测量上限值与下限值之差，即仪表刻度盘上的上限值减去下限值，其表达式为。

通常仪表的，这时。

但在整个测量范围内仪表提供被测量信息的可靠程度并不相同，

一般在仪表的上、下限值附近的测量误差较大，故不宜在该区使用。

这样，更确切的量程概念应定为:

在工作量程内的相对误差应该不超过某个设定值。

量程用绝对值B来表示时，各类不同仪表之间便无法比较，所以常用量程比D作为量程的指标，即

（六）可靠性

可靠性是指仪器对规定的条件在规定时间内完成所要求功能的能力。

仪器的可靠性可用平均无故障工作时间MTBF来表征。

它是仪器连续运行时发生一次故障的时间间隔的平均值。

假设某仪器在90000小时的运行中发生了12次故障，则该仪器的MTBF为7500小时。

（七）经济性

任何工业产品都要讲究经济性。

对生产者来讲，以重金制造高质量的产品是比较容易的。

但是，如果生产出的仪器价格太高，使用者无力购买，出就谈不上发挥作用。

对使用者来讲总是希望有最少的钱买到一台具有指定性能的仪器。

所以，工程检测仪器的经济性也是其重要的指标之一。

在实际工作中，对给定的测量任务只需达到规定的精度就行了，决不是精度愈高愈好，盲目地提高测量精度的做法，往往会带来相反的效果，浪费人力和财力，降低测量的可靠性。

在工程检测中，应该根据测量的目的，全面考虑测量的可靠性、精度、经济性经及操作的简便性，而在科研工作中往往把测量精度放在首位。

甲烷浓度监测报警仪的发展已经历了三个阶段：

模拟仪器、数字式仪器以及目前的智能仪器。

基于单片机的甲烷浓度监测报警仪即为一种智能仪器，因为就仪器本身来讲，无论数据的采集还是处理都是由单片机来控制的。

利用单片机的算术逻辑处理能力和用软件取代过去电子线路的硬件