基于51矿用瓦斯检测报警器软件设计.docx

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基于51矿用瓦斯检测报警器软件设计

本科毕业设计论文

题目：

基于51矿用瓦斯检测报警器

—软件设计

提示：

（与“基于51矿用瓦斯检测报警器

—硬件设计”配套，也在XX文库里）

基于51矿用瓦斯检测报警器

----软件部分

摘要

能源工业是国家经济发展的命脉，近年来，随着石油资源的紧张、石油价格的腾升，煤炭行业的重要地位和不可替代性也日益显现。

然而，中国煤炭行业的安全生产形势却不容乐观，尤其是重、特大伤亡事故也不断发生。

在这些事故中，瓦斯爆炸又占绝大多数。

这其中，固然有很多诱发因素，但各煤矿生产企业安全监测设备不完备、管理手段落后是造成事故频发的重要原因之一。

本课题以AT89C52单片机作为硬件电路核心，研制煤矿瓦斯（CH4）监测系统，开发出实现对CH4识别、浓度检测、阀值报警以及实时上传数据至地面监控PC，通过界面显示报警。

论文首先阐述了CH4检测系统的发展及现状，通过对无火焰燃烧式CH4传感器的原理分析确立了系统的研发方向；接着介绍了检测系统的设计要求，由于煤矿井下工作环境特殊，空间狭窄，湿度大，有易燃易爆的瓦斯和煤尘，所以，煤矿电气设备必须符合防爆要求，应有接地、过流、漏电保护装置。

在此基础上，详细论述了瓦斯气体监测系统的系统软件设计及实用分析。

本课题采用具有较高性价比的单片机AT89C52构成煤矿气体监测系统的核心部分，根据气体传感器测量的信号，实现对CH4的成分识别和浓度测量；使用按键面板输入外部命令。

关键词：

A\D转换；数据处理显示；键盘处理；声光报警

Reporttothepoliceamachinewiththegasexaminationaccordingto51minerals

--Softwarepart

Abstract

Energyindustryisthevitalsofourcounty’seconomydevelopment.InRecentyears，incompanywithpetroleumresourcesshortage,petroleumpricesgrowrapidly.Theimportanceandunsubstitutabilityofcoalindustryincreaseeveryday.ButChinesecoalindustrysafetyinproductionrefuseoptimism，asseriouscasualtyrepeatedlyappearedinthenewspaper.Gasexplosionoccupythemostpartofthoseaccident.Itissurethatmanyfactorscausedthat，buteachcollieryenterprise’slackofsafetymonitoringequipment,ladderofmanagementlagaretheoneofsubstantialreasons.

ThedissertationdevelopedainstrumentthatcandetecttheCH4aerometryaswellaswhethertheconsistencyreachthealarmthreshold,thensendthedatatothemonitoringPC，usethepowerfuldataanalysisabilityofPCandgreytheorytoforecasttheCH4aerometry.Firstofall,thedissertationexpoundsthedevelopmentandactualityofCH4instrumentation.ThenintroducethedesignrequirementoftheInstrumentation,becausecolliery’sundergroundworkingenvironment’shighhumidity,hasflammableanddetonablegassesandsmut，particularlyWithotherlocation’sworkingenvironment，sotheelectricinstallationmustconformblastprotectionrequirementandmusthavegrounding,overflowing,creepageprotector.Atthirdchapter，thedissertationElaboratedtheCH4detectioninstrument’shardwareandsoftware.

Keyword:

A\Dconvert;Thedataprocessingshow;Thekeyboardhandle;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：

1.0mH

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±0.05％CH4。

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）；光信号在20m处清晰可见。

（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。

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。

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

#include

#include11011111

#include"myad.h"

#include"myda.h"

#include"X5045.h"

#include"mykey.h"

#include"mydisp.h"

#include"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_duandian（）;

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）

{

system_time.ii=0;

bw_power_off（）;

while（system_time.cc[0]<6）33.55*2

{

ctrl=key_mode;

ctrl=ctrl&0x80;

if（ctrl==0x80