基于51矿用瓦斯检测报警器硬件设计Word文档格式.docx
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sensitivecomponentsareaccuratedetectionofmethanegasinoneofthemaincomponents,anditsoutputistheconcentrationofmethanecorrespondingtothevoltagesignal;
smallsignalLargercircuitisusedtoenlargethesensoroutputvoltagesignal;
A/DconvertercircuittoenlargeavoltagesignalfromanalogsignalsintodigitalsignalsintotheCPU;
showcircuitshowedreal-timemethaneconcentration;
alarmcircuitstogaugemethaneconcentrationalarm.Theinstrumentistomeasurethecharacteristicsofawiderangeandhighprecision;
structureissimple,lowcost,reliabilityandstability,isanewcircuitdesign,measurementaccurate,easytooperatetheminemethaneconcentrationmonitoringinstrument.
Keywords:
CPU;
A/Dconvertercircuit;
Sensitivecomponents;
Alarm
1绪论
1.1本课题的研究背景及意义
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，煤炭仍将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，目前煤炭工业的安全生产状况却很差，其中之一便是有害气体的危害性，包括CH4，CO，SO2等。
瓦斯（CH4）是煤矿井下危害最大的气体，它是在成煤过程中形成并大量贮存于煤层之中的气体，无色、无味，有易燃、易爆等特点。
瓦斯的危害主要表现为三个方面：
第一、瓦斯浓度过高，对工人身体健康造成伤害，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、大量的瓦斯排入大气，污染大气环境。
目前我国已经使用的瓦斯报警矿灯具有体积小、结构简单、安装方便等优点，但存在的问题是传感器漂移大，要定期维护，并且需要维护的周期很短；
维护方法复杂，成本较高，抗机械干扰能力较差。
为了解决这些问题，本课题在分析模拟式瓦斯报警器特点的基础上，充分利用51单片机的强大功能，对瓦斯浓度进行实时采集、数据处理，对瓦斯传感器进行实时自校零、非线性补偿，对提高瓦斯检测的可靠性和系统的性价比具有十分重要的意义。
1.2国内外发展概况及研究方向
伴随气体传感器的发展，气体监测仪器不断更新。
其类型根据监测对象可分为可燃性气体监测仪，毒性气体监测仪和氧气监测仪等；
从仪器结构和方法上分为袖珍式，便携式和固定式。
袖珍式仪器的采样方法为扩散式，用于在危险环境中的工作人员随身携带；
便携式仪器采样方法为泵吸式，用于监测人员定期安检；
固定式仪器用于煤矿井下固定地点气体监测。
世界各国均有煤矿瓦斯气体监测的系统，如波兰的DAN6400、法国的TF200、德国的MINOS和英国的Senturion-200等，其中全矿井综合监测控制系统有代表性的产品有美国公司生产的MSN系统，德国BEBRO公司的PROMOS系统。
但是这两种系统只是基于井下监测，并无数据上传，不能实现智能化监控。
国外的监控系统技术虽然高于国内发展水平，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，价格过高等。
因此，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。
我国监测监控技术应用较晚，80年代初，从波兰、法国、德国、英国和美国等引
进了一批安全监测系统，装备了部分煤矿在引进的同时，通过消化、吸收并结合我国煤矿的实际情况，先后由重庆煤科院、辽宁抚顺煤科院等国内知名煤矿科学研究所研制出KJ2、KJ4、KJ8、KJ10、KJ13、KJ19、KJ38、KJ66、KJ75、KJ80、KJ92、KJ95、KJ101等煤矿有害气体监测系统，在我国煤矿己有大量使用，但其中很大一部分仪表的传输数据是模拟方式，将气体浓度转化为脉冲量，易受矿井下强电磁设备干扰，造成监测结果不准确，易出现误报警等现象。
1.3矿用瓦斯检测仪硬件设计的构思及主要任务
目前的甲烷检测仪，除了在检测方法上的选择有不同之外，在甲烷检测仪的硬件选择上也各不相同。
而本次设计主要任务就是甲烷检测仪的硬件电路的设计，这里甲烷检测仪的硬件部分采用AT89C52单片机控制。
经过对比和综合考虑，遥控键盘的设计采用HS0038芯片，通过红外遥控对信号进行发射和接收，在这之前要对电源进行转换。
具体设计是将220V交流经过整流后转换为12V的直流，再经过34063芯片将12V的直流电压转换为所须的5V直流电源。
经过黑白元件以及桥式电路后，甲烷浓度被采集成电压信号△U，要显示出当前的甲烷浓度，需要经过A/D转换，在以前的学习中重点接触的是AD574等逐次比较式的转换方式，但是经过各种性能的比较，尤其是抗干扰性能的比较，本课题设计采用了双斜积分式，为方便设计和直面的检测到甲烷的浓度，选用四个LED作为显示器。
经过构思目前的主要任务是根据要求选择相应的元器件、设计电路图、安装、调试，设计出符合要求的甲烷检测议硬件电路，从而实现设计要求。
1.4本文论的结构安排
第一章是文章概述。
介绍了该课题研究的内容及意义，国内外研究概况与动向，同时给出整个设计的构思及本论文的结构安排。
第二章是本课题设计所要实现的各种技术指标以及系统要实现的功能。
第三章是甲烷检测设备的工作原理。
对甲烷浓度监控仪作了原理分析，同时介绍了热敏感元件的结构和工作原理以及整机工作原理。
第四章是硬件设计。
对组成系统的CPU、电源电路、A/D转换电路、看门狗监控电路等各个模块都作了详细介绍。
第五章介绍原理图的绘制以及PCB板的布局和布线。
第六章是软硬件的联合调试。
第七章是结束语。
对整个系统作了一个概括性的总结，既介绍了仪器的优点又指出了其不足之处。
致谢中对参与了课题的研究和给予帮助的老师和同学作了感谢。
最后是文章的参考文献。
2矿用瓦斯检测系统的技术指标及实现功能
2.1煤矿气体检测技术系统概述
煤矿气体监测系统是能够监测矿井环境中瓦斯气体的浓度，具有报警功能能实现数据远传至地面监控室PC的系统。
本课题中完整的煤矿气体监测系统由以下四部分组成：
（1）气体传感器：
能感知环境中甲烷气体及其浓度的一种敏感元件，它能将与气体种类和浓度有关的信息转换成电信号；
（2）显示单元：
根据测量信号，由单片机将待显示数据按相应方式进行数据传输给显示处理模块显示于仪表；
（3）声光报警单元：
当监测气体浓度超出设定报警值时，发出声光报警；
（4）数据采集分析软件：
运用C语言编写串口通讯软件，实现气体数据的采集、分析及保存煤矿气体检测系统其他的技术参数还有存储数据性能、传输数据性能、使用寿命与可靠性等[1]。
2.2系统的设计要求
2.2.1系统的设计原则
在总体结构的设计上，首先重点突出系统整体性能，价格最优的原则，本着先进、简明、实用的设计指导思想，从传感器的信号采集、处理传输，到系统软件的设计，在整体最优原则的指导下，发挥各自的设计灵活性。
其次，系统整体设计上，着重考虑系统运行的可靠性和稳定性，监测的快速和准确，安装、维护的方便和经济性，操作使用的简便，少维护，免培训等。
总体设计的原则有[2]：
1.先进性
尽可能使用先进、成熟的技术，有明确理论支持的技术，对不确切，但非用不可的技术要通过必要的试验和论证。
2.实用性
密切结合现场实际工作的要求，尽量减少对操作使用人员的专业技术水平的依赖。
3.准确性
通过优化电路设计和应用误差理论分析，尽可能减小测量误差，提高测量精度。
4.可靠性
从设计阶段着手保证产品的可靠性，将可靠性贯穿于设计、工艺、加工等各个环节。
5.标准化
严格执行国家和煤炭部以及行业标准。
6.经济性
在保证仪器功能的前提下，尽可能降低成本，以软代硬，化繁为简。
7.通用性
在完成自身系统配套的基础上，尽可能使产品具有良好的通用性，使之能与其它产品配套，易于扩充新的用途。
8.可操作性
设计要从整体出发，分步、分层实施，方案要实际设计，制造中尽量采用通用的、有替代产品的元器件及附件。
9.广泛性
广泛调查研究，认真分析其优缺点，充分借鉴其它仪器的优点，扬长避短，博采众长。
2.2.2技术指标要求
（1）工作环境条件
温度：
0～40℃
相对湿度：
≤98%
大气压力：
86～116kps
风速：
0～8m/s
（2）测量范围及误差：
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
（3）分辨率：
0.01%CH4
（4）显示方式：
四位LED
（5）测量范围：
0～4.00%CH4
（6）响应时间：
≤20s
（7）报警点：
可调，设定在1.00%CH4
（8）断电点：
可调，设定在1.50%CH4
（9）复电点：
（10）报警方式：
声光报警，其中：
响度：
≥80dB
光可见度：
≥20m
（11）工作方式：
扩散式
（12）防爆型式：
矿用本安兼隔爆型
（13）输出信号制式：
频率型200～1000Hz
断电信号输出：
光电耦合器输出
（14）技术参数
工作电源：
9～24VDC
Ui：
18.5VDC
Ii：
100mA
Ci：
0.1μF
Li：
1.0mH
（15）外形尺寸：
155mm×
106mm×
48mm
（16）重量：
1.5Kg
2.2.3系统实现的功能
仪器上电开机后，仪器内部进行自检。
自检结果正常后，进入工作状态。
探头通电10s内，显示为0.00并闪烁，10s以后显示甲烷浓度且不闪烁[3]。
当仪器自检结果不正常时，不进入工作状态，仪器显示不变。
此时表明仪器有故障，应该维修。
仪器进入正常工作状态后，可通过遥控器对仪器进行校正或设定报警点、断电点、复电点。
对仪器进行校正应该在仪器通电预热15分钟后进行。
当甲烷浓度达到4.00%以上时，为了保护黑白元件，电桥间断工作，显示器闪烁，显示的值只能作为参考。
保护状态下电桥每3分钟工作15秒。
当甲烷浓度低于4.00%时，电桥恢复正常工作。
如果黑白元件的一臂发生开路或短路故障，仪器显示“-----”。
3甲烷检测设备的工作原理分析
3.1甲烷浓度检测仪的分类
1.光干涉式
光干涉式是利用光波对空气和甲烷折射率不同所产生的光程差，引起干涉条纹移动来实现对不同甲烷浓度的测定。
其优点是准确度高，坚固耐用，校正容易，高低浓度均可测量，还可测量二氧化碳浓度；
其缺点是浓度指示不直观，受气压温度影响严重；
光学零件加工复杂，成本较高和实现自动检测较困难[4]。
2.热催化式
热催化式是利用甲烷在催化元件上的氧化生热引起其电阻的变化来测定甲烷浓度。
其优点是元件和仪器的生产成本低，输出信号大，对于1%气样，电桥输出可达15mV以上，处理和显示都比较方便，所以仪器的结构简单，受背景气体和温度变化的影响小，容易实现自动检测。
其缺点是探测元件的寿命较短，不能测高浓度甲烷，硫化氢及硅蒸气会引起元件中毒而失效。
目前国内外检测甲烷的仪器广泛采用这一原理[4]。
3.热导式
热导式是利用甲烷与空气热导率之差来实现甲烷浓度的测定。
其优点是热导元件和仪器设计制作比较简单，成本低、量程大，可连续检测，有利于实现自动遥测，被测气体不发生物理化学变化，读数稳定，元件寿命长。
其缺点是测量低浓度甲烷时输出信号小，受气温及背景气体的影响较大[5]。
4.红外线式
红外线式是利用甲烷分子能吸收特定波长的红外线来测定甲烷浓度。
其优点是采用这一原理的仪器精度高，选择性好，不受其它气体影响，测量范围宽，可连续检测；
其缺点是由于有光电转换精密结构，使制造和保养产生困难，而且体积大，成本高，耗电多，因此推广使用受到一定限制[7]。
5.气敏半导体式
气敏半导体的种类较多，如氧化锡、氧化锌等烧结型金属氧化物。
这一原理是利用气敏半导体被加热到200℃时，其表面能够吸附甲烷而改变其电阻值来检测甲烷浓度。
其优点是对微量甲烷比较敏感，结构简单、成本低。
但当浓度大于1%CH4时，其反应迟钝，选择性和线性均较差，所以很少用于煤矿井下甲烷浓度的检测，而多用于可燃气体的检漏报警。
6.声速差式
在温度为22℃、气压为101325Pa条件下，声波在甲烷中的传播速度为432m/s，而在清洁空气中为3m/s。
比较这两种速度就可测定高浓度甲烷。
其优点是读数不受气压影响，对背景气体、粉尘及气温变化很敏感，其缺点是不适合测量低浓度甲烷，一般只用来检测矿井抽放甲烷管道中的甲烷浓度。
根据设计要求及各类检测仪的优缺点，本课
题设计采用热催化式工作原理。
3.2热催化元件的结构及工作原理
3.2.1热催化元件的结构
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[7]。
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。
这种敏感元件的外观图见图3.1，其具有抗气体干扰能力强、选择性好、反应速度快、灵敏度高、线性和稳定性好、功耗低、寿命长等特点。
适用于煤矿井下作业环境测量空气中的甲烷气体浓度。
图3.1热催化元件外观图
1.元件使用环境条件
-20℃～+70℃
湿度：
<
95%RH
5m/s
80～116KPa
2.零点输出（空气中的输出电压）
V。
：
OmV～+2OmV
3.灵敏度
M>
2mV
4.传感器对多种可燃气体的敏感特性
图3.2表示CH4气体敏感元件对各种气体的反应关系，从图上我们可以看出敏感元件输出电压与对各种气体浓度之间具有较好的线性关系。
图3.2传感器对各种气体的反应关系
5.温湿度的影响
1）恒定湿热试验：
40℃，95%RH，96小时（见图3.3）。
Y轴表示Vo的输出电压
值。
图3.3恒定湿热实验图
2）低温试验见表3.1（气敏元件在0～40℃的环境下维持4小时的数据）
表3.1低温试验记录
※代表传感器输出出现振幅在0～2.5V之问的振荡波型，见图3.4
图3.4传感器震荡波形
6.高浓度甲烷试验
将O一7#传感器置于10%的甲烷环境中2小时，放气前后的数据状态。
表3.2高浓度甲烷试验放气前后的数据
7.稳定性
l）初始稳定性
a.在空气中的初始稳定性
贮存一周到一年的元件初始零点输出可能不为零，只需在工作点电压稳定十
分钟后输出零点将归零
b.在气体中的稳定性
贮存一周到一年的元件刚开始下作时灵敏度可能达不到最佳点，只需在工作
点电压稳定二十分钟后输出灵敏度将复原
2）长期稳定性
图3.5长期稳定性
3.2.2敏感元件工作原理
黑元件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，不参加低温燃烧。
但由于白元件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[8]。
黑白元件的工作原理：
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[8]。
图3.6黑白元件的基本测试电路
根据黑白元件的工作原理，设计电路如下图3.7。
图3.7黑白原件的工作原理图
3.3整机的工作原理
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、看门狗电路、多路开关电路等组成。
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[9]。
4矿用瓦斯检测报警系统的硬件设计
4.1系统设计的原理框图
本次设计的甲烷检测报警器的工作程序：
电源电路（34063）为系统供电5V，在气体敏感元件——黑白元件的作用下将接触在黑白元件上的甲烷气体转换为电压信号△U，小信号△U经过放大电路将信号放大，再经过A/D转换、CPU的计算将输入的△U转换成数字在LED上显示，当甲烷浓度超过预设的安全点时，系统会发出声光报警，此一系列信息通过频率方式传到上位机系统[9]。
图4.1瓦斯监测系统硬件设计原理框图
本课题设计硬件设计思路如下：
图4.2硬件设计思路
4.2微控制器CPU的选择
89系列同8051系列相比具有以下特点：
4KB可编程序FLASH存储器（可经受1000次的写入/擦除周期）；
全静态工作：
0～24MHz；
三级程序存储器保密。
另外，AT89C51是用静态逻辑来设计的，其工作频率可下降到0Hz，并提供两种可用软件来控制的省电方式：
空闲方式和掉电方式。
它是通过控制专用寄存器PCON（电源控制寄存器）中的PD（PCON.1）和IDL（PCON.0）来实现的。
PD是掉电方式位，当PD=1时激活掉电工作方式，IDL是空闲工作位，当IDL=1时激活空闲方式，当PD和IDL同时为1时，则先激活掉电方式。
本课题设计采用CPU为AT89C52。
AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8Kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256Bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司高密度、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，片内置用8位中央处理处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C52单片机适合于许多较为复杂控制应用场合[9]。
主要性能参数：
与MCS-51产品指令和引脚完全兼容
8字节可重
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