瓦斯浓度检测系统设计.docx

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瓦斯浓度检测系统设计

福建电力职业技术学院

课程设计

课程名称：

传感器与检测技术课设课设

题目：

瓦斯浓度检测系统设计

专业班次：

检测1班

姓名：

学号：

指导教师：

学期：

2011-2011学年第一学期

日期：

2012.2.13-2012.2.20

摘要

由于瓦斯气体本身的危险性和对人民生产生活造成的巨大危害，因此对瓦斯气体的检测和报警是一项必要的工作。

瓦斯报警是指利用气体传感器技术，将检测到的瓦斯气体浓度和标准值进行比较，当高过一定浓度值时候进行相应的声光报警，提醒正在作业的人员进行相应的处理，组织人员撤离或对矿井通风排气，避免不安全事故的发生，对现在采矿业的安全起着非常重要的作用。

笔者所设计一种低成本的可燃性气体报警器设计，能够监控矿井的瓦斯气体的浓度，显示测量结果，并对当前的环境状态做出判断，发出报警信息。

当前，随着采矿技术的不断发展，井下作业的安全越来越有保障，但是仍然有许多采矿企业的机械化程度低，对现场采矿的工作人员的生命安全造成潜在的威胁，特别是针对瓦斯气体的检测和报警仍旧存在隐患，每年由于瓦斯泄露造成的特大事故依然很多。

第一章瓦斯浓度检测概述

1.1瓦斯的性质

瓦斯是在成煤过程中形成并大量储存与煤层之中的气体，是煤矿井下危害最大的气体。

瓦斯是无色、无味、无臭的气体，主要成份是甲烷（CH4），但有时可以闻到类似苹果的香味，这是由于芳香族的碳氢气体同瓦斯同时涌出的缘故。

瓦斯对空气的相对密度是0.554，在标准状态下瓦斯的密度为0.716kg，所以，它常积聚在煤矿巷道的上部及高顶处。

瓦斯的渗透能力是空气的1.6倍，难溶于水，不助燃也不能维持呼吸，达到一定浓度时，能使人因缺氧而窒息，并能发生燃烧或爆炸，对人体的危害是超时限能引起人窒息死亡。

在地下采矿时候，井内常常会泄露一定量的CH4、CO和SO2等气体，后一种含量少，切易溶于水。

经煤矿开采时的喷水处理后变成酸。

但前两种气体含量多，且几乎不容于水，属于易燃易爆气体。

1.2瓦斯燃烧、爆炸的条件

（1）瓦斯达到一定浓度:

一般情况下瓦斯爆炸浓度为5%~16%,瓦斯浓度低于5%燃烧、大于16%既不燃烧也不爆炸;

（2）充足的氧气:

氧气浓度大于12%;

（3）高温火源:

温度高于650~750℃。

为了维持井下正常生产,我国《煤矿安全规程》规定氧气浓度不低于20%。

因此,如何准确监测瓦斯浓度,并提前采取预防措施成为防止瓦斯爆炸的关键问题,同时,瓦斯检测传感器的研究也成了热门课题。

矿井瓦斯是多种可燃、可爆气体的总称,其主要成分是甲烷。

当它体积占空气的5%~15%时,遇明火就会发生爆炸,给矿井带来隐患。

瓦斯传感器主要是监测矿井瓦斯情况,其布置必须严格遵照《煤矿安全规程》的有关规定。

甲烷传感器在煤矿安全检测系统中用于煤矿井巷、采掘工作面、采空区、回风巷道、机电峒室、抽放瓦斯的管道与现场与瓦斯排放点等处连续监测甲烷浓度,当甲烷浓度超限时,能自动发出声、光报警,可供煤矿井下作业人员,甲烷检测人员,井下管理人员等随身携带使用,也可供上述场所固定使用。

1.3瓦斯的检测方法及瓦斯传感器工作原理

（1）方法：

接触燃烧气敏法、半导体气敏法、光干涉法、红外光谱法、气相色谱法、光纤法、电化学检测法、微生物传感器等。

瓦斯传感器工作原理为:

瓦斯传感器产生的低电压信号,需通过放大器放大,再经信号调理电路、A/D转换器、由单片机进行运算、处理,驱动发光数码管显示甲烷的浓度。

同时经D/A转换,所检测的甲烷浓度值也被转换成相应的电流量和频率量信号,由电缆传输给关联设备。

第二章系统整体机构及工作原理

2．1系统整体结构

瓦斯检测系统以主控制器单片机为主要核心，配置瓦斯传感器电路、A／D转换电路、报警电路与按键电路等四大功能模块。

系统整体结构如图1所示：

图1

2．2系统工作原理

瓦斯传感器将瓦斯气体浓度转换成相应大小的模拟信号，信号经过信号放大电路和A／D转换电路进行放大、转换，然后送入主控制器单片机中进行数据处理。

一旦瓦斯气体浓度超过相应的设定值时，则主控制器立即启动蜂鸣器报警。

第三章系统硬件电路设计

3．1主控电路设计

主控电路主要用来整合系统各功能电路，完成数据的采集和处理，并发出报警指令。

本设计所处理的信息量和复杂程度不是太大，采用8位单片机AT89S52足以满足本设计的要求。

它是一款低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8kB系统可编程Flash存储器，256字节RAM，6个中断源，3个16位的可编程定时器／计数器，32个IO口，看门狗定时器等资源。

3．2瓦斯传感器及信号放大电路设计

系统选用MJC4／3．0L作为瓦斯传感器。

MJC4／3．0L型催化元件根据催化燃烧效应的原理工作，由检测元件和补偿元件配对组成电桥的臂，遇可燃性气体时检测元件电阻升高，桥路输出电压变化，该电压变量随气体浓度增大而成正比例增大，补偿元件起参比及温度补偿作用。

其具有桥路输出电压呈线性、响应速度快、有良好的重复性、选择性、元件工作稳定、可靠、抗H2S中毒等优点。

因MJC4／3．0L的输出电压太小，无法满足AT89S52的要求。

故需要将MJC4／3．0L的输出信号进行放大。

信号放大是通过调整放大器AD602的增益控制电压来实现的。

AD602是美国AD公司专门针对程控放大开发的，其具有两个通道，每个通道的增益范围为-10～30dB，因此两个通道串连起来可以实现的增益控制范围为：

-20～60dB。

瓦斯传感器及信号放大电路如图3.1所示。

图3.1

3．3A／D转换电路设计

系统使用的数模转换器LTC1865是凌力尔特推出的16位SARADC，采用单5V电源工作，并能保证在-40℃～+12．5℃的温度范围内工作。

每个器件最大电流为8．50uA，最大采样率达250kS／s，供电电流随着采样速率的降低而变小。

MSOP-10封装的LTC1865提供2路软件可编程的通道，并且可以根据需求来调整参考电压的大小。

A／D转换电路设计如图2.2所示。

图2.2

3.4报警模块电路设计

本设计的报警模块采用普通的蜂鸣器来完成。

蜂鸣器一端接地，一端接用来驱动它工作的PNP晶体管的发射极，晶体管基极连接AT89S52的P3．3口。

3.5键盘模块电路设计

本系统中的按键主要用来设定瓦斯浓度的报警值，采用独立按键式键盘，共3个按键，它们分别与AT89S52的P2．0～P2．2口连接，平时这三个引脚输出高电平，当按键被按下时引脚变成低电平，因此，只要在软件中查询这几个引脚的电平，就可以确定是否有按键按下，从而进人相应的子程序。

第四章系统软件设计

系统软件主要包括系统主程序和数据采样处理子程序两部分。

主程序流程如图4.1所示。

图4.1

数据采样处理子程序如图4.2所示

图4.2

系统开机上电工作后，首先进行初始化，接着进入主循环扫描是否有按键按下，若检测到有键按下，则设定系统的瓦斯浓度报警上限值，否则直接调用数据采集处理子程序进行数据采集处理。

主程序调用数据采样处理子程序后，就进入该子程序运行，首先启动A／D转换进行数据采样，得到的数据信号输入到AT89S52进行滤波、零点修正并计算瓦斯气体浓度值，若浓度超限则启动扬声器声音报警，否则关闭蜂鸣器并返回。

第五章实验总结

瓦斯的主要成分是甲烷，瓦斯爆炸有一定的浓度范围，通常把在空气中瓦斯遇火后能引起爆炸的浓度范围称为瓦斯爆炸界限。

瓦斯爆炸界限为5％～16％。

当空气中氧气浓度达到10％时，瓦斯浓度在5％～16％之间，就会发生爆炸。

根据MJC4／3．0L的技术指标（甲烷浓度为1％时，其灵敏度为20～40Mv），因此设定瓦斯的爆炸上限值为0．05，当矿井中的瓦斯浓度超过此上限值时，蜂鸣器就发出声音报警。

本设计考虑携带方便，而且实用的报警器，成品可以很方便的嵌入在矿灯内部，设计成本廉价。

基于单片机矿灯用的智能瓦斯报警器设计在硬件的选择上留有空间，在增加相关硬件同时，软件部分只需改动很少的部分就可实现其它功能，使系统功能更加完善。

A/D转换器是11通道的，可以扩展其他传感器，如矿井内的温度和湿度进行监测的传感器。

并且系统可以扩展无线发射模块，将检测的信息及时地发到安全控制中心，在配合其它矿井内的安全监控设备更好的确保井下作业的安全。

第六章设计心得

这学期的传感器课设终于完成了！

在课设期间，用所学的知识来完成自己的作业，我感到很很踏实，也很充实！

自己所学知识有所用，很欣慰！

在开始的时候，我不知所措，不知从何下手。

但是，只要不放弃，就可以完成！

这门课设可以培养我们动脑能力，使我更加知道自己的知识含量，为以后的。

就业打下基础。

课设的过程是艰辛的，但是收获是巨大的。

首先，我们再一次的加深巩了对己有知识的理解及认识；其次，我们第一次将课本知识用到了实际设计。

使得所学知识在更深的层次上得到了加深。

再次，因为这次课程设计的确在某些方面存在有一定难度，这对我们来讲都是一种锻炼，培养了我动脑能力及自学、查阅收集知识的能力。

我们曾经面临过失败、品味过茫然，但是最终我们还是坚持下来了，这就是我们意志、耐力的胜利。

在今后的日子里，它必将成为我们的宝贵财富。

参考文献

[1]张毅刚.单片机原理及应用.北京：

高等教育出版社，2004。

[2]何立民.MCS-51单片机系统设计.北京.北京航空航天大学出版社，1990。

[3]谢克明.自动控制原理.电子工业出版社，2009。

[4]杨素行.模拟电子技术基础（第二版）.高等教育出版社，2006。

[5]吴松林，蔡红专.传感器与检车技术基础.北京.北京理工大学出版社,2009。

时间

设计任务

完成情况

教师签名

指导教师意见及成绩评定

对学生设计过程、设计质量的评分依据

总评成绩

指导教师（签名）：

年月日

教研室及系审定意见

教研室主任（签名）：

年月日

（系公章）