综合课程设计报告 基于单片机的瓦斯监测仪的设计.docx

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综合课程设计报告基于单片机的瓦斯监测仪的设计

河北联合大学轻工学院

综合课程设计

设计说明书

班级：

08测控1班

学号：

2

姓名：

李子超

电气工程学院

2011年12月28日

综合课程设计成绩评定表

设计题目

煤矿瓦斯监测系统设计

姓名

李子超

班级

08测控1班

答辩小组成员（职称）：

龚瑞昆（教授）、张湧涛（教授）、赵延军（副教授）

说明书主要内容：

（小摘要）

1：

目前我国煤矿的安全事故频频发生，其原因是多方面的，但井下安全监测手段落后是其中的一个主要原因。

这篇文章就是针对导致矿难频发的瓦斯浓度进行监控而设计的。

2：

针对瓦斯的特点，设计出同时监测高低浓度的瓦斯系统，全天候不间断的对井下瓦斯浓度进行监测。

3：

采用声光报警系统，一旦瓦斯超标，系统立即提醒正在井下作业的工人紧急撤离，避免人员伤亡，并且还运用红外遥控系统来进行远程监控。

4：

这种智能传感器采用闭环控制来确保采样的平稳。

5：

该传感器以AT87C552单片机为核心，实现对瓦斯的检测、报警和控制。

适合各类煤矿瓦斯的监控，可以大大降低煤矿事故的发生，降低企业成本，提高煤炭开采率。

评定成绩：

答辩小组组长：

年月日

目　　次

引　　言

在我国煤矿安全事故中,瓦斯爆炸造成的伤亡人数占所有重大事故伤亡人数的70%以上,成为实现安全生产的最大障碍,及时准确地检测瓦斯含量,在安全生产中具有重要意义。

为了适应现代社会煤矿安全的要求,针对我国中小型煤矿特别是小型煤矿存在的隐患问题,现代化的、小型的、价格低廉的煤矿安全监测系统的研制势在必行,它的研制在煤矿安全方面具有举足轻重的作用,所以设计一种低成本煤矿瓦斯监测系统是适应我国许多中小型煤矿需求的。

煤矿瓦斯是指矿井中主要由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体的总称。

有时也单独指甲烷。

瓦斯在空气的体积分数达到一定的程度（5%～12%）时，在一定条件下可和空气中的氧气发生剧烈的化学反应而形成瓦斯爆炸，对煤矿安全构成严重威胁。

传统的煤矿瓦斯监控系统大体可以分为两大部分：

井下部分和井上部分。

井下部分主要通过各种检测设备（各种传感器，如风量传感器、负压（压力）传感器、一氧化碳传感器和矿用设备开停传感器等）来采集井下各种气体的浓度和含量、井下空气状况、设备的运转情况等数据，然后通过现场总线将数据传输到井上。

在井上，井下传上来的数据通过专线和煤矿安全管理办公室服务器和更高一级安全主管部门服务器连接。

服务器上面运行的是监控软件。

上面有井下每一个传感器的标签，所显示的数据通过上传数据的改变而不断刷新。

同时，监控软件还可以对这些数据进行汇总、处理、分析和存档，可以作为相关负责人员决策的重要依据。

并且监控软件具有超标自动报警功能，用来提示工作人员对设备的故障或现场瓦斯浓度情况，以及时采取措施，避免重大事件的发生。

煤矿瓦斯监控系统系统的意义不言而喻。

以山西省为例，近几年，特别是2006年以来，山西省煤炭系统在党和各级政府及安全部门的重视下，全省煤矿信息化工作有了新发展，取得了新成绩。

特别是由瓦斯监测监控系统建设所形成的全省煤矿四级信息网络平台，是计算机网络及信息技术用于瓦斯安全治理的一项创举，极大的促进了山西煤炭信息化工作。

山西省地方煤矿现有2806座矿井全部安装了瓦斯监测监控系统，已连网运行2671座。

这些系统的运用，极大的降低了煤矿瓦斯事故。

我设计的是基于单片机的井下瓦斯浓度智能传感器，该系统以单片机AT87C552为核心，包含甲烷浓度采样器、把220V的交流电转换成5V的直流电源、红外遥控系统、存储器的扩展、LCD显示器和报警装置等组成。

该传感器可以有效的监测井下低浓及高浓瓦斯，试用范围非常广泛。

监测到的信息传输到单片机，经单片机处理后发出指令，如果瓦斯超过规定值，该系统可以立即发出声光报警并自动发出执行指令以降低瓦斯浓度。

1文献综述

1.1关于瓦斯

1.1.1矿井瓦斯监控技术

矿井瓦斯监测监控技术是伴随着煤炭工业发展而逐步发展起来的。

1815年，英国发明的世界上第一种瓦斯监测仪器——瓦斯检定灯。

利用火焰的高度来检测瓦斯浓度；20世纪30年代，日本发明了光干涉瓦斯检定器，一直沿用至今；20世纪40年代，美国研制了检测瓦斯浓度的敏感元件—铂丝催化元件；1954年，英国采矿安全所研制了最早的载体催化元件。

电子技术的进展推动了瓦斯检测控制装置的进一步发展，如20世纪70年代后期法国研制的CTT63/40U矿井监控系统、英国的MINOS系统、美国的SCA—DA系统等。

我国矿井瓦斯监控技术经历了从简单到复杂、从低水平到高水平的发展过程。

从新中国成立初期到20世纪70年代，煤矿下井人员主要使用光学瓦斯检定仪、风表等携带式仪器检测井下环境参数。

20世纪60年代初期，我国开始研制载体催化元件，随着敏感元件制造水平的提高和电子技术的发展，特别是大规模集成电路、微型计算机的广泛使用，使监控技术进入了新的发展时期。

20世纪70年代瓦斯断电仪问世，装备在采掘工作面、回风港道等井下固定地点，实现了对瓦斯的自动连续检测及超限自动切断被控制设备的电源。

随后，陆续研制了便携式瓦斯监控检测报警仪、瓦斯报警矿灯。

1983年至1985年，从欧美国家先后引进了数十套监控系统及配套的传感器和便携式仪器装备煤矿矿井，并相应地引进了部分监控系统、传感器和敏感元件制造技，由此推动了我国矿井安全监测监控技术的发展。

1983年以后，国内有多种型号矿井监控系统通过了技术鉴定，逐步实现了对煤矿矿井安全、生产多种参数的连续监测、监控、数据存储和数据处理。

近几年，随着计算机的发明和使用，特别是网络和信息化建设的不断发展，给瓦斯治理提供了机遇条件，煤矿瓦斯监控网络系统应运而生。

这些装备和系统的推广和使用，丰富了我国煤矿安全监控产品的市场，改善了煤矿安全技术装备的面貌，缩小了我国和国外先进技术水平的差距。

1.2系统原理介绍

电路简介

根据上述的变流瓦斯检测原理，设计了如图所示的变流瓦斯检测电路，该电路主要由电桥不平衡信号取样电路、锯齿波发生电路、电压比较器和脉冲稳幅电路四个部分组成。

2总体设计方案

2.1硬件电路介绍

根据上节所述的变流瓦斯检测原理，设计了如图所示的变流瓦斯检测电路，该电路主要由电桥不平衡信号取样电路、锯齿波发生电路、电压比较器和脉冲稳幅电路四个部分组成。

智能瓦斯监控系统总电路图

2.1.1恒温控制信号取样电路

和催化元件反应时产生的不平衡电压，而是用运放集成块组成运算电路，对电压信号进行处理，这样做的好处是抑制共模信号的能力增强了，同时由于黑元件上催化燃烧产生的电压只有毫伏级，不能直接和锯齿波信号进行比较，在Uo1的后面加入了同相比例运算电路，对前面输出的电压进行放大，以使其能和锯齿波电压进行比较从而输出所需的脉冲电压。

当有瓦斯气体时，在黑元件上发生催化燃烧，黑元件温度上升，其阻值也随之上升，它上面的电压升高，不难推出：

式中

、

为无瓦斯时的阻值，

、

为电流流经元件时温度上升产生的阻值，

为瓦斯气体在元件上燃烧时温度上升产生的阻值，前面已经提及，所谓的恒温是指温度在一个很小的范围内波动近似看成的，因此

、

、

的值都是非常小的，故ΔU也很小，需要经过放大才能和锯齿波进行比较。

则

适当选取电阻值，使m=1，n=2，这样便可获得瓦斯在黑元件上燃烧产生的电压。

这里在实验室用QJ23单臂直流电桥对铂丝绕制的黑白元件的阻值进行了测定，当环境温度为16℃～19℃时，测得的黑白元件的阻值分别为8.236Ω和8.227Ω（实际上这时黑白元件的温度已经大于400℃，达到了工作状态）。

在检测瓦斯时需要将催化元件加热到500℃左右，给黑白元件提供3V的恒定电压，发生催化燃烧时，假设温度上升10℃，这时候黑元件阻值变为10Ω左右，电流大概是150mA，则黑元件上产生的电压大概为0.265V。

取

为14左右，则可将瓦斯催化燃烧产生的电压放大到合适的幅值和锯齿波电压进行比较。

2.1.2锯齿波发生电路

555定时器是一种使用极为广泛的中规模集成电路。

该芯片使用灵活方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器，因而广泛用于信号的产生、变换、控制和检测。

图9为NE555和R2，R3，C1组成的无稳态多谐振荡器：

振荡器的输出频率为：

由此可算得输出频率为1kHz，C2起正反馈作用，即在Q1射级跟随器输出锯齿波的同时，正反馈至R2的上端，故在C1充电期间，R2上的压降保持不变，即C1的充电速率不变，因而极大地保证了锯齿波的线性。

其非线性可控制在1%以下，且温度稳定性好。

图中在555的电压控制端5脚外接了一个可调的控制电压，用以改变555内部比较器的基准电压值，即比较电平，由此可改变锯齿波的振幅，这里通过调节Rp1使输出锯齿波的最大值为4V。

2.1.3电压比较电路

电压比较器可将模拟信号转换成二值信号，即只有高电平和低电平两种状态的离散信号。

因此可用电压比较器来产生脉冲方波电压信号。

电路如图10所示：

这里选用的电压比较器的型号为AD790，它有同相和反相两个输入端，同相端接锯齿波电压信号，反相端接瓦斯检测电路的输出电压，也就是脉冲电压宽度的控制信号。

比较器采用单电源供电，引脚8接逻辑电平，其取值决定于负载所需高电平，这里接+5V，此时比较器输出高电平为4.3V。

引脚5为锁存控制端，当它为低电平时，锁存输出信号。

图10中C4、C5均为去耦电容，用于滤去比较器输出产生变化时电源电压的波动，R8是输出高电平时的上拉电阻。

2.1.4脉冲电压稳幅电路

电路中选用TL431芯片对比较器输出的脉冲电压进行稳幅

TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源,它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V的任何值，工作电流范围为1mA～100mA，K、A脚两端输出电压为：

改变Rp2的阻值，就可以改变输出基准电压大小，这里通过调节Rp2使输出的脉冲电压的幅值稳定在3V。

2.1.5声光报警电路

上述是本设计瓦斯传感器的声光报警电路，有图可以看出

是以555为核心的电路由555电路组成一单稳态触发电路，上电打开开关S1后，C1两端电压为0，555电路的输出脚输出高电平，报警器电路工作，进入报警状态。

此时若水银开关断开，电源经R2向C1充电，当C1两端的电压充到高于2/3Vcc时，电路翻转，输出端变为低电平输出，报警电路失电停止工作。

此时报警器便进入报警守候状态。

这时若报警器受到振动，就会使水银开关中的水银一起振动，当开关接通时，555电路的2脚便输入一个低电平信号，这个低电平信号使得单稳电路输出状态改变，输出端变为高电平，报警电路工作，另一方面通过7脚将充于电容C1上的电荷放完，这时就算水银开关再次断开，由于C1两电压低于2/3Vcc，电路也将保持输出高电平，使报警电路工作，若一直有振通信号使水银开关接通，系统将一直报警，若报警后报警器不再振动，则当C1上的电充到大于2/3Vcc时，报警将自动停止，因此每次报警的自动关断时间为R2和C1的充电常数值。

。

该报警器由直流稳压电源、定时开关电路和声控脉冲产生器三部分组成。

图中S为话筒，它将脚步声或其他声响转换为电信号，且放大后加至555时基电路的触发端②脚。

555和R6、C2组成一个单稳态触发器，调节电阻R6使②脚的电压略高于l/3VDD。

5553脚输出低电平。

当有情况发生时，BG2输出一定幅值的负脉冲，使555翻转，相应③脚输出高电平，信号经BG2缓冲放大后使可控硅SCR触发导通，将报警器的电源电路接通，发出报警信号。

报警时间长短取决于电容器C2的充电时间常数td=1.1R6C2的大小。

当C2上的充电电压超过2/3VDD时，555复位，3脚输出低电平，BG2相应截止，可控硅SCR断开。

在C2充电期间，即报警定时结束之前，应使555③脚通过R5和D1将输出高电平反馈到触发端②脚，以免后继脉冲或其他干扰影响定时精度。

定时的长短可通过改变时间常数R6C2的大小来调节。

3具体实施方案

3.1CPU模块设计-AT89S8252单片机的结构及原理简介

AT89S8252是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造,和工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适常规编程器。

在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得AT89S8252为众多嵌入式控制使用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

AT89S8252具有以下标准功能:

8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,2个数据指针,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。

另外,

AT89S8252可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。

AT89S8252单片机内部原理

3.2智能瓦斯传感器的设计

传感元件位于传感器系统之首,被测瓦斯含量由它转换为电信号才能供给电路处理,因此它的性能对传感器系统有着很大的影响。

在选用传感元件时,一是测量精度高;二是工作可靠;三是工作条件能适应恶劣环境的要求,最重要的是应具有防爆功能。

通过慎重调研对比,最后选用了中国船舶重工集团公司生产的LXK-2新型载体催化元件,其优于传统的催化元件,在响应特性、长期储存特性、温度特性和长期稳定性方

面,都有了明显的改进。

载体催化元件由一个带催化剂敏感元件（俗称黑元件）和一个不带催化剂的补偿元件（俗称白元件）构成,两个元件的结构和尺寸均相同,催化元件最里层是铂丝线圈,外面是载体和催化剂形成的催化外壳。

铂丝线圈用于通电加热催化外壳维持瓦斯催化燃烧反应所需的温度同时又兼作感温元件。

检测在催化反应中催化外壳温度的变化。

催化反应的方程式为:

　　CH4+2O2=CO2+2H2O+79515KJ

传感器检测电桥

催化反应过程中无焰燃烧放出热量,增加了敏感元件铂丝的电阻值,通过图3所示惠斯通电桥测量的电路可以测量其载体催化元件电阻变化量,图中RD是敏感元件,RC为补偿元件,将RD和RC置于同一测量气室中,由稳压源或恒流源供电,在无瓦斯的新鲜空气中RD=RC调整电桥使之平衡,信号输出端电压UAB=0。

当瓦斯进入气室,在敏感元件RD表面发生无焰催化燃烧RD阻值随温度上升而增加为RD+ΔRD,而补偿元件RC阻值不变从而电桥失去平衡。

当采用恒压源E供电时,输出不平衡电压为:

　　UAB=（RD+RD）E/RC+RD+RD-E/2

　　设RD=RC=RmΔRD则:

UAB≈RDE/2R≈K13RD

显然,电桥输出电压取决于敏感元件的阻值变化量ΔRD对于铂丝元件其电阻变化量可用下式表示

　　ΔRD=α（ΔH/h）R0=α（DCQ/h）R0

式中,α铂丝的电阻温度系数α=319485×10-3/CΔH为瓦斯燃烧热量;h为敏感元件热容量;D为瓦斯扩散系数;C为被测环境中的瓦斯浓度;Q为瓦斯分子燃烧热;

R0为铂丝0℃时的阻值。

其中a、h、R0和敏感元件的材料、性质、结构、尺寸有

关,扩散系数D和瓦斯的分子燃烧热Q都是常数,可用一个常数k2代表这些因素,因而上式可写为:

ΔRD=k2*C

则UAB=k1k2C

即电桥输出电压和瓦斯浓度成正比。

系统通过实时监测从检测电路采集来的瓦斯浓度信息并在显示电路中显示相应的信息,当瓦斯浓度过大时就会发出警报。

瓦斯信息的采集又通过由A/D转换电路来传给单片机,实现实时的监控功能。

通过单片机控制各部分实现其相应的功能。

3.3智能监控系统下位机的软件框架

分模块软件框架

主程序的功能是:

开机以后,首先进行初始化,包括智能芯片有关变量的初始化,单片机相关的寄存器以及I/O口初始化等。

同时负责管理和调用各个子程序。

为保证下位机响应上位机呼叫的实时性,串行通信采用中断方式进行数据的接收和发送,A/D转换结果的读取采取查询方式。

设计主程序流程图如下：

从图中可以看到，把ALE信号和START信号接在一起了，这样连接使得在信号的前沿写入（锁存）通道地址，紧接着在其后沿就启动转换。

图9.19是有关信号的时间配合示意图。

启动A/D转换只需要一条MOVX指令。

在此之前，要将P2.0清零并将最低三位和所选择的通道好像对应的口地址送入数据指针DPTR中。

例如要选择IN0通道时，可采用如下两条指令，即可启动A/D转换：

MOVDPTR,#FE00H；送入0809的口地址

MOVX@DPTR,A；启动A/D转换（IN0）

注意：

此处的A和A/D转换无关，可为任意值。

1转换数据的传送

A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。

数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。

为此可采用下述三种方式。

（1）定时传送方式

对于一种A/D转换其来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。

例如ADC0809转换时间为128μs，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。

可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。

（2）查询方式

A/D转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。

因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可却只转换是否完成，并接着进行数据传送。

（3）中断方式

把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。

不管使用上述那种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。

首先送出口地址并以

信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。

不管使用上述那种方式，只要一旦确认转换结束，便可通过指令进行数据传送。

所用的指令为MOVX读指令，仍以图9-17所示为例，则有

MOVDPTR,#FE00H

MOVXA,@DPTR

该指令在送出有效口地址的同时，发出

有效信号，使0809的输出允许信号OE有效，从而打开三态门输出，是转换后的数据通过数据总线送入A累加器中。

这里需要说明的示，ADC0809的三个地址端A、B、C即可如前所述和地址线相连，也可和数据线相连，例如和D0～D2相连。

这是启动A/D转换的指令和上述类似，只不过A的内容不能为任意数，而必须和所选输入通道号IN0～IN7相一致。

例如当A、B、C分别和D0、D1、D2相连时，启动IN7的A/D转换指令如下：

MOVDPTR，#FE00H；送入0809的口地址

MOVA，#07H；D2D1D0=111选择IN7通道

MOVX@DPTR，A；启动A/D转换

A/D转换使用举例

设有一个8路模拟量输入的巡回监测系统，采样数据依次存放在外部RAM0A0H～0A7H单元中,按图9.10所示的接口电路，ADC0809的8个通道地址为0FEF8H～0FEFFH.其数据采样的初始化程序和中断服务程序（假定只采样一次）如下：

初始化程序：

MOVR0,#0A0H；数据存储区首地址

MOVR2,#08H；8路计数器

SETBIT1；边沿触发方式

SETBEA；中断允许

SETBEX1；允许外部中断1中断

MOVDPTR,#0FEF8H；D/A转换器地址

LOOP:

MOVX@DPTR,A；启动A/D转换

HERE:

SJMPHERE；等待中断

中断服务程序：

DJNZR2,ADEND

MOVXA,@DPTR；数据采样

MOVX@R0,A；存数

INCDPTR；指向下一模拟通道

INCR0；指向数据存储器下一单元

MOVX@DPTR,A

ADEND:

RETI

3.4LCD显示器

LED数码有共阳和共阴两种，把这些LED发光二极管的正极接到一块（一般是拼成一个8字加一个小数点）而作为一个引脚，就叫共阳的，相反的，就叫共阴的，那么使用时这个脚就分别的接VCC和GND。

再把多个这样的8字装在一起就成了多位的数码管了。

找公共共阴和公共共阳首先，我们找个电源|稳压器（3到5伏）和1个1K（几百的也欧的也行）的电阻，　VCC串接个电阻后和GND接在任意2个脚上，组合有很多，但总有一个LED会发光的找到一个就够了，，然后用GND不动，VCC（串电阻）逐个碰剩下的脚，如果有多个LED（一般是8个），那它就是共阴的了。

相反用VCC不动，GND逐个碰剩下的脚，如果有多个LED（一般是8个），那它就是共阳的了。

为了使LED显示器显示不同的符号或数字，就要把不同段的发光二极管点亮，这样就有为LED显示器提供代码，因为这些代码可使LED相应的段发光，从而显示不同字型，因此该代码称之为段码（或称为字型码）

3.5PID控制

在工程实际中，使用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。

PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。

当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时使用PID控制技术最为方便。

即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。

PID控制，实际中也有PI和PD控制。

PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。

它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。

PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：

一是理论计算整定法。

它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。

这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。

二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。

PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。

三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。

但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整和完善。

现在一般采用的是临界比例法。

利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：

（1）首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；

（2）仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；（3）在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。

PID控制实现

1．PID的反馈逻辑

各种变频器的反馈逻辑称谓各不相同，甚至有类似的称谓而含义相反的情形。

系统设计时应以所选用变频器的说明书介绍为准。

所谓反馈逻辑，是指被控物理量经传感器检测到的反馈信号对变频器输出频率