基于单片机的矿井瓦斯监测系统的设计.doc

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XXXX本科毕业设计（论文）

分类号单位代码

密级学号

学生毕业设计（论文）

题目

基于单片机的矿井瓦斯

检测系统设计

作者

院（系）

能源工程学院

专业

指导教师

答辩日期

2013年6月1日

1

XX学院

毕业设计（论文）诚信责任书

本人郑重声明：

所呈交的毕业设计（论文），是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。

毕业设计（论文）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。

尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人毕业设计（论文）与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。

论文作者签名:

年月日

摘要

近年来，随着我国经济的快速发展，煤炭的消费量持续增长，特别是近几年，煤炭的价格在不断提升，对煤炭的产量提出了更高的要求。

但是，在实际的煤炭生产中，矿难事故不断发生。

我国煤炭生产中每年的矿难死亡人数近万人，因此，我们不得不将更多的注意力放到煤炭生产的安全方面。

矿难的原因有多种多样，其中由于瓦斯而引起的矿难事故占到了相当大的一部分。

本设计就基于AT89S52单片机的矿井瓦斯检测系统的研究。

本设计以AT89S52单片机为核心，并结合外围元件甲烷传感器、A/D转换芯片、LCD液晶显示器等组成。

设计出实现对甲烷的识别、阈值报警及浓度显示的矿井瓦斯检测系统。

它将气体的成分、浓度等有关的信息转换成电信号，从而可以进行检测、监控、报警。

目前，人们对气体传感器的测试方法主要停留在人工手动操作，因此开发出一种实用高效的智能化传感器测试装置是极为必要的。

本设计利用Protel软件设计电路，运用Keil软件对它编程，利用Proteus仿真来实现其功能。

实验证明，本设计不但操作方便，而且还能更好的防御和减少由于瓦斯而引起的矿难事故。

关键词：

单片机；传感器；甲烷；报警

MineGasDetectionSystemBasedonSingleChipDesign

ABSTRACT

Inrecentyears,withChina'srapideconomicdevelopment,coalconsumptioncontinuedtogrow,especiallyinrecentyears,coalpricesrising,hasputforwardhigherrequirementsforthecoalproduction.However,intheactualproductionofcoal,coalmineaccidentscontinuetooccur.TheannualcoalproductioninChinakillednearlytenthousandpeople,therefore,wehavetopaymoreattentiontothesafetyofcoalproduction.Minereasonsarevaried,whichcausedbythegasaccidentsaccountedforaconsiderableportionof.ThedesignisbasedontheresearchofcoalminegasdetectionsystembasedonAT89S52.

ThisdesignusesAT89S52microcontrollerasthecore,combinedwithperipheralcomponentofmethanesensor,A/Dconverterchip,LCDliquidcrystaldisplayetc..Designofminegasdetectionsystemdisplayandconcentrationofrecognition,onmethanealarmthreshold.Itthegaseouscomponent,thedensityandsoontherelatedinformationtransformedtheelectricalsinal,thuswasallowedtocarryontheexamination,themonitoring,reportstothepolice;Atpresent,thepeopletoweremadthesensitivesensortherestmethodmainlypausesisusingtheartificialmanualwaytooperate,developsonekindofpracticalhighlyeffectiveintellectualizedsensortestingdeviceisextremelyessential.ThisdesignusingPortalsoftwarecircuitdesign,usingKielsoftwaretoprogramming,toachieveitsfunctionbyusingProteussimulation.Experimentsprovethatthisdesignnotonlyconvenientoperation,butalsobetterdefenseanddecreaseduetogasaccidents.

Keywords:

MCU;Sensor;Methane;Alarm

目录

摘要 I

ABSTRACT II

1绪论 1

1.1本设计所研究的背景及意义 1

1.2国内外的发展状况 1

1.3本章小结 2

2矿井瓦斯检测系统的方案设计 3

2.1本设计的性能指标 3

2.2转换芯片的选择 3

2.3显示模块的选择 5

2.4传感器的选择 7

2.5总体结构设计 9

2.6本章小结 9

3硬件电路设计 11

3.1单片机最小系统设计 11

3.1.1AT89S52单片机简介 11

3.1.2时钟电路设计 12

3.1.3复位电路设计 13

3.2电源电路设计 13

3.3报警电路设计 14

3.4显示电路设计 14

3.5甲烷气体采集电路设计 15

3.6本章小结 18

4软件设计 19

4.1主程序设计 19

4.2模数转换程序设计 19

4.3声光报警程序设计 20

4.4液晶显示程序设计 21

4.5本章小结 22

5系统仿真及调试 23

5.1proteus简介 24

5.2Keil软件介绍 24

5.3仿真及调试过程 25

6存在问题及分析 27

7总结 29

参考文献 31

致谢 33

附录A总原理图 35

附录B仿真图 37

附录CPCB图 39

附录D实物图 41

附录E总程序 43

45

1绪论

1.1本设计所研究的背景及意义

随着我国经济的快速发展，煤炭的消费量持续增长，特别是近几年，煤炭的价格在不断提升，对煤炭的产量提出了更高的要求。

但是，在实际的煤炭生产中，矿难事故不断发生。

我国煤炭生产中每年的矿难死亡人数近万人，因此，我们不得不将更多的注意力放到煤炭生产的安全方面。

矿难的原因有多种多样，其中由于瓦斯而引起的矿难事故占到了相当大的一部分。

瓦斯是多种易燃易爆气体的总称，其主要成分是甲烷，它是在成煤过程中形成并大量贮存于煤层中的气体，浓度过高时会导致人缺氧、呼吸困难、窒息等。

当它与空气混合的百分比达到3.5%到16%时，遇到明火就会发生爆炸，给国家和人民的生命财产造成巨大的损失。

所以，对瓦斯的浓度进行实时的检测和报警以及对其采取相应的控制措施在煤矿系统中有着非常现实的意义。

由于我国检测技术应用较晚，所以我国当前对瓦斯的检测设备还存在很多的问题，例如，检测设备的寿命周期短，易受矿井不良坏境的影响并且会导致检测设备的工作性能不稳定、检测结果不准确，容易出现误报警等现象，维护周期短且费用高。

考虑到现代单片机的体积小、集成度高、速度快、稳定性好、价格低且应用领域广等特点，所以基于单片机的矿井瓦斯检测系统设计是势在必行的。

本设计中是以AT89S52单片机作为硬件电路核心开发出一种操作简单的检测系统来实现对甲烷的识别、浓度监测、阈值报警以及浓度显示，为更好的防御和减少由于瓦斯而引起的矿难事故。

AT89S52不仅具有AT89C51的全部功能，而且还增加了高可靠性、安全性的功能。

从经济的角度来看，AT89S52不但硬件结构简单，并且价格低、功能强、性价比高，符合我国工业设计制造的要[1]。

1.2国内外的发展状况

世界各国均有煤矿瓦斯监测系统，如法国的TF200、德国的MINOS、英国的Senturion-200、美国的HIMASS等。

国外的监控系统技术理论上讲高于国内的发展水平，但要用于国内的煤矿生产中还有一定的局限性，我们可在技术上借鉴和参考。

1815年，当时工业最发达的英国发明了安全灯，它是利用火焰的高度测量瓦斯的浓度。

1897年瑞典造出了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和检测技术的发展，矿井安全设施也得到了进一步的提高，1927年日本制造出光干涉原理甲烷检定器，此后又逐渐出现热催化、热导原理等各种不同原理的瓦斯检测仪器，其测量精度也越来越高，检测的方式也从“间断”、“就地”检测发展到“连续”、“集中自动”遥测。

1961年以后，前苏联、英、法、美、日、德等国家对其进行改进研究，并从此作为瓦斯检测的主要工作方向。

我国瓦斯监测监控技术的研究工作起步较晚，国内第一台催化原理的瓦斯报警器是1958年出现，采用铂丝元件位传感器。

1961年，由北京劳动保护研究所和和抚顺煤矿安全仪器厂协作开展了研究工作，于1964年研制出我国第一个达到实用水平的载体催化元件，接着制成了以这种元件位传感器的AQR-1型瓦斯测量仪。

随着电子计算机技术的应用，一套监测系统除了能检测出甲烷的浓度外，还可测一氧化碳、氢气的浓度，同时又可以对井下设备的工作状态进行监控。

代表了我国煤矿瓦斯监控技术水平的系统有以下系统：

KJ90NB系统、KJ101N系统、KJ333系统、KJ95N系统等，其技术水平主要表现在软硬件的功能、稳定性与可靠性、专业技术的服务能力、企业的性质以及生产规模等方面。

目前主要有三类瓦斯检测系统在我国矿井中正在被运行：

一是上世纪80年代初期，引进了一批英、法、美、波兰等国家的安全监控系统，并通过消化和吸收研制出适用于我国煤矿实际情况的监控系统，由于当时技术水平低和维护跟不上等原因系统已面临更新改造的机遇；二是20世纪90年代后期，国内各主要科研单位和生产