基于单片机的瓦斯浓度智能传感器的设计毕业设计Word文档格式.docx

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这篇文章就是针对导致矿难频发的瓦斯浓度进行监控而设计的。

在文章里，我针对瓦斯的特点，设计出同时监测高低浓度的瓦斯系统，全天候不间断的对井下瓦斯浓度进行监测。

同时采用声光报警系统，一旦瓦斯超标，系统立即提醒正在井下作业的工人紧急撤离，避免人员伤亡，并且还运用红外遥控系统来进行远程监控。

设计这种智能传感器采用闭环控制来确保采样的平稳。

该传感器以AT87C551单片机为核心，实现对瓦斯的检测、报警和控制，安全可靠，经久耐用，适合各类煤矿瓦斯的监控，可以大大降低煤矿事故的发生，降低企业成本，提高煤炭开采率，为我国煤炭事业做出贡献。

关键词：

瓦斯，AT87C551，PID控制器

BASEDONTHEUNDERGROUNDGASDENSITYSINGLE-CHIPMICROCOMPUTERINTELLIGENTSENSEORQANDESIGN

ABSTRACT

WiththerapiddevelopmentofChina'

seconomy,variousindustriesonthesharpincreaseinthedemandforcoal.buteachkindofminingaccident'

soccurrence,causesthecoalsafetyinproductionfacedwiththesternchallenge.Thispieceofarticleaimsatthegastocarryonthemonitoringtodesign.

Inthearticle,Iinviewofthegascharacteristic,designsimultaneouslymonitortheheightdensitythegassystem,all-weatheruninterruptedcarriesonthemonitortothemineshaftgasdensity.Simultaneouslyusestheacousto-opticsalarmsystem,oncegasexceedingtheallowedfigure,thesystemremindsthedownholeoperationworkertoevacuateurgentlyimmediately,avoidsthepersonnelcasualty.Alsoputtouseinfraredremote-controlsystemcarrythroughlong-distencesupurrisorycontrol.Designthisintelligentsensoradoptclose-cyclecontrolinsuresamplingplacidity.

Thissystemtakeat87C551monolithicintegratedcircuitasacore,realizestothegasexamination,thewarningandthecontrol,safereliable,durable,suitseachkindofcoalminegasthemonitoring,mayreducecoalminingaccident'

soccurrencegreatly,reducestheprivatecosts,raisesthecoalrecoveryratio,makesthecontributionforourcountrycoalenterprise.

KEYWARDS:

gas,AT87C551,PIDcontroller

1绪论

1.1引言

随着我国国民经济的不断发展，对煤炭需求量也越来越大，这就使得煤矿的安全生产面临着一个十分严峻的问题。

煤矿矿难事故屡屡发生，造成的原因有很多，其中不少是因为瓦斯爆炸引起的。

为了防止瓦斯爆炸事故的发生，除了加强井下作业人员的管理，改善井下的作业环境外，还必须建立一个性能可靠的瓦斯监控系统。

煤矿瓦斯是指矿井中主要由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体的总称。

有时也单独指甲烷。

瓦斯在空气的体积分数达到一定的程度（5%～12%）时，在一定条件下可与空气中的氧气发生剧烈的化学反应而形成瓦斯爆炸，对煤矿安全构成严重威胁。

矿井瓦斯监测监控技术是伴随着煤炭工业发展而逐步发展起来的。

1815年，英国发明的世界上第一种瓦斯监测仪器——瓦斯检定灯。

利用火焰的高度来检测瓦斯浓度；

20世纪30年代，日本发明了光干涉瓦斯检定器，一直沿用至今；

20世纪40年代，美国研制了检测瓦斯浓度的敏感元件—铂丝催化元件；

1954年，英国采矿安全所研制了最早的载体催化元件。

电子技术的进展推动了瓦斯检测控制装置的进一步发展，如20世纪70年代后期法国研制的CTT63/40U矿井监控系统、英国的MINOS系统、美国的SCA—DA系统等。

我国矿井瓦斯监控技术经历了从简单到复杂、从低水平到高水平的发展过程。

从新中国成立初期到20世纪70年代，煤矿下井人员主要使用光学瓦斯检定仪、风表等携带式仪器检测井下环境参数。

20世纪60年代初期，我国开始研制载体催化元件，随着敏感元件制造水平的提高和电子技术的发展，特别是大规模集成电路、微型计算机的广泛应用，使监控技术进入了新的发展时期。

20世纪70年代瓦斯断电仪问世，装备在采掘工作面、回风港道等井下固定地点，实现了对瓦斯的自动连续检测及超限自动切断被控制设备的电源。

随后，陆续研制了便携式瓦斯监控检测报警仪、瓦斯报警矿灯。

1983年至1985年，从欧美国家先后引进了数十套监控系统及配套的传感器和便携式仪器装备煤矿矿井，并相应地引进了部分监控系统、传感器和敏感元件制造技，由此推动了我国矿井安全监测监控技术的发展。

1983年以后，国内有多种型号矿井监控系统通过了技术鉴定，逐步实现了对煤矿矿井安全、生产多种参数的连续监测、监控、数据存储和数据处理。

近几年，随着计算机的发明和应用，特别是网络和信息化建设的不断发展，给瓦斯治理提供了机遇条件，煤矿瓦斯监控网络系统应运而生。

这些装备和系统的推广与应用，丰富了我国煤矿安全监控产品的市场，改善了煤矿安全技术装备的面貌，缩小了我国与国外先进技术水平的差距。

传统的煤矿瓦斯监控系统大体可以分为两大部分：

井下部分和井上部分。

井下部分主要通过各种检测设备（各种传感器，如风量传感器、负压（压力）传感器、一氧化碳传感器和矿用设备开停传感器等）来采集井下各种气体的浓度与含量、井下空气状况、设备的运转情况等数据，然后通过现场总线将数据传输到井上。

在井上，井下传上来的数据通过专线与煤矿安全管理办公室服务器和更高一级安全主管部门服务器连接。

服务器上面运行的是监控软件。

上面有井下每一个传感器的标签，所显示的数据通过上传数据的改变而不断刷新。

同时，监控软件还可以对这些数据进行汇总、处理、分析和存档，可以作为相关负责人员决策的重要依据。

并且监控软件具有超标自动报警功能，用来提示工作人员对设备的故障或现场瓦斯浓度情况，以及时采取措施，避免重大事件的发生。

煤矿瓦斯监控系统系统的意义不言而喻。

以山西省为例，近几年，特别是2006年以来，山西省煤炭系统在党和各级政府及安全部门的重视下，全省煤矿信息化工作有了新发展，取得了新成绩。

特别是由瓦斯监测监控系统建设所形成的全省煤矿四级信息网络平台，是计算机网络及信息技术用于瓦斯安全治理的一项创举，极大的促进了山西煤炭信息化工作。

山西省煤炭系统2005年底累计安装使用瓦斯监控系统3868套。

目前，该省国有重点煤矿121座矿井全部安装了瓦斯监测监控系统，并全部联网运行，在线运行率达100%。

地方煤矿现有2806座矿井全部安装了瓦斯监测监控系统，已连网运行2671座。

这些系统的运用，极大的降低了煤矿瓦斯事故。

由此可知，为了最大限度的降低煤矿瓦斯事故的发生，除了对工作人员严格要求外，加紧建设煤矿瓦斯监测监控系统必不可少，它对预防瓦斯事故的发生具有举足轻重的作用。

1.2系统简介

该片设计的是基于单片机的井下瓦斯浓度智能传感器，该系统以单片机AT87C551为核心，包含甲烷浓度采样器、把220V的交流电转换成5V的直流电源、红外遥控系统、存储器的扩展、LCD显示器和报警装置等组成。

该传感器可以有效的监测井下低浓及高浓瓦斯，试用范围非常广泛。

监测到的信息传输到单片机，经单片机处理后发出指令，如果瓦斯超过规定值，该系统可以立即发出声光报警并自动发出执行指令以降低瓦斯浓度。

该系统可有效的降低瓦斯事故发生率，结构灵活，扩展性强，具有较高的性价比，AT87C551的应用实现了电子硬件设计的“软件化”，大大的提高了系统的可靠性和抗干扰能力，非常实用于各种大小煤矿井下瓦斯的监测监控，性能优良，经久耐用，可靠性高。

2系统原理介绍

图2.1原理框图

2.1电路简介

根据上节所述的变流瓦斯检测原理，设计了如图7所示的变流瓦斯检测电路，该电路主要由电桥不平衡信号取样电路、锯齿波发生电路、电压比较器和脉冲稳幅电路四个部分组成。

图7变流检测电路

A部分为电桥不平衡信号取样电路，用此信号去调节C部分电压比较器输出的脉冲电压宽度；

B部分为锯齿波发生电路，由555构成的时基电路工作在自激状态，振荡频率为1kHz，即周期为T=1ms，输出的锯齿波电压送到电压比较器的正端；

C部分电压比较器的负端接受来自A部分的输出电压Uo2，当锯齿波电压超过控制电压Uo2时，比较器输出电压为高电平，锯齿波回扫时，当其电压值低于Uo2时，比较器输出为低电平，这样将形成一个矩形脉冲电压。

在一系列锯齿波作用下，比较器就输出一矩形脉冲电压系列；

D部分由高准确度可控稳压管TL431构成的脉冲稳幅电路，当通过TL431的电流在（1～100）mA范围内时，只要分压电阻的温度系数相同，则输出电压有很高的稳定性，从而保证了在输入脉冲幅值变化时，输出脉冲的幅值恒定。

为保证有足够的电流通过载体催化元件，设置了由三极管组成的脉冲电流放大环节。

下面将详细讨论这四部分电路。

2.1.1恒温控制信号取样电路

图8为恒温控制信号取样电路：

这里没有采用传统的惠斯通电桥来获取瓦斯

图8恒温控制信号取样电路

与催化元件反应时产生的不平衡电压，而是用运放集成块组成运算电路，对电压信号进行处理，这样做的好处是抑制共模信号的能力增强了，同时由于黑元件上催化燃烧产生的电压只有毫伏级，不能直接与锯齿波信号进行比较，在Uo1的后面加入了同相比例运算电路，对前面输出的电压进行放大，以使其能与锯齿波电压进行比较从而输出所需的脉冲电压。

当有瓦斯气体时，在黑元件上发生催化燃烧，黑元件温度上升，其阻值也随之上升，它上面的电压升高，不难推出：

式中、为无瓦斯时的阻值，、为电流流经元件时温度上升产生的阻值，为瓦斯气体在元件上燃烧时温度上升产生的阻值，前面已经提及，所谓的恒温是指温度在一个很小的范围内波动近似看成的，因此、、的值都是非常小的，故ΔU也很