基于51矿用瓦斯检测报警器软件设计本科毕业设计Word下载.docx
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Thesoundandlightreporttothepolice.
1绪论
1.1前言
随着煤矿业的发展，对于煤矿开采的安全要求也越来越被人们所重视，据统计，新中国成立以来，全国煤矿共发生一次死亡百人以上的矿难19起，其中瓦斯矿难15起，占79%。
为了防止瓦斯爆炸事故，人们使用了多种检测方法和检测仪器，但这些仪器有的被安装在一个固定点，有的配有专职检查员，只能进行定点定时检测，它的检测范围和时间往往受到检测人员的限制，而且一旦出现故障，直接危害井下人员的安全。
在高浓度瓦斯矿井与综合机械化采煤工作面，更迫切需要一种能连续，自动检测瓦斯的仪器。
单片机控制的便携式瓦斯检测报警器体积小，功耗低，可由井下流动工作人员随身携带，使用方便，随时检测并显示瓦斯浓度，当瓦斯浓度超限时，自动发出报警，提醒人员离开。
1.2矿用瓦斯检测系统的国内外研究情况
1.2.1国内研究情况
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
1.2.2国外研究情况
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，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。
1.3本课题的设计目的
设计的主要目的具体地说，就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的
数字信号，然后送入计算机，根据不同的需要由计算机进行相应的计算和处理，得出所需的数据。
与此同时，将计算机的数据进行显示，然后根据设定的瓦斯浓度报警值进行浓度检测，以便实现对瓦斯浓度的监视，如果超过报警值，则声光报警，若没有超过报警值，则继续进行检测。
矿用瓦斯监测报警器系统至少应具备以下设备和功能:
1.传感器
检测要素的采集，转换
转换后电信号的处理，加工
2.传输系统
信号的远距离传送
信号的调制和解调
3.计算机系统
信号的采集
数据的处理
1.4本课题的研究意义
我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，也是世界上少数几个以煤为主要能源的国家之一。
虽然通过煤炭生产、加工和利用等各个环节，提供了相当多的就业机会，但每个环节却同时带来了环境污染、安全等一系列的问题。
其中之一便是有害气体影响，包括CH4，CO，SO2等。
后两种气体含量少，且S02易溶于水，经煤矿开采时的喷水处理后变成酸。
但是CH4气体含量多，且几乎不溶于水，属于易燃易爆气体，发生爆炸事极易造成人身伤害。
因此，认识并研制检测这种气体的新型系统，显得非常重要。
瓦斯（CH4）是在成煤过程中形成并大量贮存于煤层之中的气体，是煤矿井下危害最大的气体。
瓦斯是一种无色、无味的气体，对人体的危害是超限时能引起人窒息死亡。
且有易燃、易爆等特点，因此煤矿对瓦斯的治理应非常重视。
瓦斯的灾害主要表现为四个方面。
第一、瓦斯浓度过高，对工人身体健康的影响表现为缺氧，呼吸困难，窒息等。
第二、瓦斯煤尘爆炸，瓦斯爆炸所产生的巨大冲击波和高温火焰，往往导致群死群伤，而且扬起的煤尘又会参与爆炸，摧毁巷道，毁坏设备，甚至毁灭整个矿井，给国家和人民生命财产造成巨大损失。
第三、煤中瓦斯突出直接影响着工人的人身安全。
第四、大量的瓦斯从通风井排入大气，污染大气环境。
我国煤矿的瓦斯灾害是比较严重的，瓦斯灾害始终是煤矿安全生产的大敌，目前已成为制约煤矿安全生产的主要矛盾。
因此，研制先进适用的煤矿气体检测系统对煤矿工业安全生产，减少事故发生和生命财产损失有重要意义，市场应用前景十分广阔。
2瓦斯检测报警器的方案设计
2.1系统总框图及方案
瓦斯检测报警器采用催化燃烧型传感器来检测空气中CH4气体的浓度。
载体催化燃烧式传感器一般被制成一个便于测量的探头，探头可以单独设置，也可以作为一个独立单元装配在仪器内使用。
探头内部的主要元件是黑元件（催化元件）和白元件（补偿元件），两个元件分别配置在电桥电路中，作为一组桥臂，另一组桥臂是两个固定电阻，作为电桥的比率臂。
与黑白元件相对应，为使电桥在无甲烷状态下处于平衡状态，桥路内装有调零电位器W。
此外，传感器电源应是经过稳压的稳压源。
黑元件是载体催化燃烧式元件，当甲烷气体在元件表面与氧气产生无焰燃烧时，电桥失去平衡，输出一个电压信号。
白元件是补偿元件，基本结构和技术参数与黑元件相同，但表面不涂镀催化剂，所以，它不参加低温燃烧。
但由于它处于与黑元件相同的工作环境中，所以，对非甲烷浓度变化引起的催化元件阻值变化起补偿作用，以提高仪器零点稳定性和抗干扰能力。
使用时一般将黑白元件串联，作为电桥的一臂，用普通电阻构成电桥的另一臂，电桥的两端加上稳定的工作电压U。
当含有甲烷的空气在高温和催化剂的作用下，发生无焰燃烧，而在白元件上则不致使甲烷燃烧，从而使黑元件的温度比白元件的温度高，黑元件中的铂丝既是加热元件，又是感应温度的热敏元件，根据铂丝的正温度系数的特性，温度升高时电阻增大，黑元件上的电压降即增大，电桥失去平衡，输出一个电压信号△U，该电压值的大小反映了甲烷浓度的高低，检测此电压便可测量出甲烷浓度。
仪器由电源电路、甲烷气体敏感元件及电桥电路、放大电路、A/D转换电路、显示电路及报警/断电电路组成。
仪器将关联设备送来的电源稳压为5V电压，供给整机电路使用。
甲烷气体敏感元件是采用热催化原理探头，电桥供电电压为3V。
黑白元件的工作原理是：
黑白元件由测量元件和补偿元件构成，测量元件的表面有黑色的催化剂。
工作时黑白元件有工作电流通过而发热，空气中的甲烷在高温的测量元件的催化剂作用下，发生无焰燃烧。
甲烷浓度越高，测量元件的温度越高，而补偿元件的温度不变。
测量电桥输出与甲烷浓度成比例的信号电压。
电桥信号电压经过放大和A/D转换后，变成数字信号，经单片机处理后，由显示电路显示甲烷浓度值，并经信号输出电路输出相应的频率信号。
报警/断电电路由蜂鸣器、发光二极管和驱动电路构成。
当甲烷浓度超过设定的报警点时，仪器会发出声光报警信号。
当甲烷浓度超过设定的断电点时，仪器会有断电指令输出；
甲烷浓度超过断电点以后，只有当甲烷浓度降低到设定的复电点以下时，仪器才会解除断电指令输出。
系统框图如图2.1所示：
图2.1瓦斯监测报警器的工作原理图
2.2技术指标要求
（1）正常工作环境条件
a）温度：
（0～40）℃；
b）相对湿度：
≤98％（+25℃）；
c）大气压力：
（80～116）kPa；
d）风速：
不大于8m/s。
（2）能承受的最恶劣的贮运条件
a）高温：
＋60℃；
b）低温：
－40℃；
c）平均相对湿度：
93%（＋25℃）；
d）振动：
加速度50ｍ/ｓ2；
e）冲击：
峰值加速度500ｍ/ｓ2。
（3）主要技术参数
a）工作电源：
9～24VDC
b）Ui：
18.5VDC Ii：
100mA；
Ci:
0.1μFLi:
1.0mH
c）输出信号制式：
频率型200～1000Hz
d）传感器使用电缆的单芯面积为1.5mm2，传输距离≤2km，电缆分布参数：
L0：
e）C0:
0.1μF电阻R≤12.8Ω/km
f）测量范围：
0～4%CH4
（4）传感器以百分体积浓度表示测量值，采用数字指示测量数值，其分辨率为0.01％CH4，并能表示显示值的正或负。
（5）在甲烷浓度超过测量范围上限时，传感器具有保护载体催化元件的功能，并使传感器的指示值和输出信号值均维持在超限状态。
（6）传感器具有遥控器调校、遥控报警及断电功能。
（7）传感器的显示值稳定性
在0.00～4.00%CH4范围内，当甲烷浓度保持恒定时，传感器的显示值或输出信号值（换算为甲烷浓度值）的变化量应不超过0.04%CH4。
传感器的基本误差应符合表2.1的规定。
表2.1
测量范围，%CH4
基本误差，%CH4
0.00～1.00
±
0.10
1.00～3.00
真值的±
10%
3.00～4.00
0.30
（8）响应时间（T90）传感器的响应时间不大于20s。
（9）警报功能
a）传感器能在测量范围内任意设置警报点，警报值与设定值的差值不大于±
0.05％CH4。
b）警报声级强度在距其1m远处的声响信号的声压级不小于80dB（A）；
光信号在20m处清晰可见。
2.3软件设计方法
系统采用过程化编程方法，分模块结构化编程。
由此实现系统采集、键盘显示、报警等功能。
软件设计框图如图2.2所示：
图2.2系统软件设计框图
在软件设计中，主程序分为采集、键盘、显示、报警等几个模块来设计的。
采集模块的设计中包括A/D原理的介绍，A/D硬件的设计，以及多路开关、定时中断等的设计；
键盘模块中有键盘电路、键盘程序的设计等；
显示模块有LED的选用和程序的设计等；
报警模块有硬件的设计以及初始化的设计等。
2.4软件实现功能:
（1）CH4气体浓度指示功能
实时显示该环境下的气体浓度值。
（2）CH4气体浓度报警功能
传感器能在测量范围内任意设置警报点，警报值与设定值的差值不大于±
当CH4气体浓度报达到警浓度时，输出声光报警。
警报声级强度在距其1m远处的声响信号的声压级不小于80dB（A）；
（3）自动断电功能
当CH4气体浓度报达到警浓度时，输出声光报警同时输出断电控制信号。
（4）技术报警功能
当传感器、电源异常时，输出声光报警，在液晶屏上显示报警信息。
（5）数据存储及调用功能
各种历史数据、当前数据、报警信息均可自动存入系统扩展的大容量存储器中，可调出并显示。
3系统软件编程过程
3.1矿用瓦斯检测系统模块程序设计
本次系统设计是基于51开发，将软件系统看成三大程序构成，构造程序、管理程序、维护更新程序。
构造程序主要完成各个硬件的初始化、知识库变量的初始化和过程关系的初始化；
管理程序主要功能是，当确定某一任务后，将输入输出连接起来；
维护更新程序使系统具有自适应性。
根据上述软件思想，把本系统的软件的结构图构建成如图3.1所示：
图3.1系统软件结构图
3.1.1矿用瓦斯检测系统CPU的选择
单片机是该系统设计实现中的核心，而采用低功耗且价格合适的单片机是单片机的选择因素之一。
系统要达到分辨率为0.01%CH4、测量范围为0～4.00%CH4、响应时间小于等于20S、工作方式为扩散式等技术指标。
我采用ATMEL公司的AT89C52单片机。
AT89C52是
美国ATMEL公司生产得低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbyte的可反复擦写得只读程序存储器（EPROM）和256byte随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，具有掉电保护功能、程序存储器保密功能等。
功能强大AT89C52弹片机适合于许多较为复杂控制应用场合。
3.1.2AT89C52的主要功能说明
AT89C52的引脚图如图3.1所示：
图3.1AT89C52的引脚图
89C52单片机与51系列兼容，它主要由九个部件组成，这九个部件是：
（1）1个8位的中央处理器CPU；
（2）片内8Kbyte的电可擦除编程程序存储器EPROM；
（3）片内256byte的数据存储器RAM；
（4）32条I/O口线（4个8位口PO，P1，P2，P3）；
（5）3个16位定时器/计数器；
（6）1个具有6个中断源、2个中断优先级的中断嵌套结构；
（7）1个用于多处理机通讯、I/O口扩展或全双工UART（通用异步收发器）的串行口；
（8）特殊功能寄存器（SFR）；
以及一个片内振荡器和时钟电路。
这九个部件都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式。
另外，该系列单片机还具有以下功能特征:
（1）单一+5V电源供电，方便应用系统设计；
（2）低功耗CBMOS制作工艺，允许电源波动范围较大，为5V士20%，并有三种功耗控制方式；
（3）外部程序存储器和数据存储器可扩展，通常可分别扩展至64Kbyte；
（4）内置布尔处理器，有完善的位处理指令，方便了开关决策、逻辑电路仿真和实时测控等方面的应用；
（5）扩展性强:
片内具有计算机正常运行所必须的部件，片外有许多供扩展用三总线及并行、串行物入/输出管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。
在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。
P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。
作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。
与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX），参见表3.1：
表3.1
P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@RI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。
P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表3.2所示：
表3.2
其中，PO口与LED显示器的段控制端相连，P2口与LED显示器的位控制端相连。
3.2软件设计主程序框图
瓦斯检测报警器系统的任务，具体地说，就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机，根据不同的需要由计算机进行相应的计算和处理，得出所需的数据。
3.2.1主程序流程图
主程序包括：
初始化程序、系统自检程序、A/D转换程序、数据处理与显示程序组成；
按键有按键子程序,还有声光报警系统等,这些共同组成了一个完整的瓦斯检测报警系统。
其工作流程如图3.2所示:
图3.2主程序流程图
3.2.2主程序代码
#pragmasmall
#pragmaot
（2）
#include<
reg52.h>
absacc.h>
stdio.h>
11011111
#include"
myad.h"
myda.h"
X5045.h"
mykey.h"
mydisp.h"
myview.h"
voidinit_app（void）;
externvoidGOTO_START（void）;
main（）
{
unsignedcharctrl;
unsignedintdatax;
EA=0;
init_app（）;
clear_dog（）;
caculate_ch4kb（）;
读
EA=1;
set_dog（）;
ad_mainy（）;
传感器自检查
while
（1）
datax=ad_main_ch4（）;
采集程ch4
caculate_ch4（datax）;
计算CH4
if（ad_err_state!
=0）
{
X5045WriteStatus（0x30）;
GOTO_START（）;
}
main_duandian（）;
save_time2（）;
送输出数据
disp_ch4（）;
disp_data（）;
main_baojin（）;
报警处理
main_fudian（）;
main_laba（）;
喇叭处理
key_main（）;
if（ch4_iii<
4000）
system_time.ii=0;
else
while（system_time.cc[1]>
10）
bw_power_off（）;
while（system_time.cc[0]<
6）33.55*2
ctrl=key_mode;
ctrl=ctrl&
0x80;
if（ctrl==0x80）有键按下
init_key_mode（）;
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