基于单片机的瓦斯监控系统的硬件设计毕业设计.docx
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基于单片机的瓦斯监控系统的硬件设计毕业设计
毕业设计论文
基于单片机的瓦斯监控系统的硬件设计
基于单片机的瓦斯监控系统的硬件设计
摘要
本文概述了瓦斯监控器的现状及其基本原理，主要论述了利用单片机实现瓦斯监控器的设计与实现方法。
瓦斯监控器是一种采用单片机控制的智能化仪表，为了满足煤矿井下使用携带方便、安全可靠等要求，在设计上作了如下的必要的考虑：
考虑到小型化仪表的结构，以及今后改进的方便，我们将单片机进行了模块化处理。
系统的各个模块都由单片机控制完成。
本文针对目前情况设计一种井下便携式瓦斯监控器，以单片机为核心，气敏传感器把采集到的模拟量传送给A/D转换器转换成数字量交给单片机进行处理，当瓦斯气体浓度接近危险值时，自动发出报警，提醒井下人员立刻离开。
该设备同时还具备灵敏度调节和检测强度调节开关，有简单、方便、准确、实用等特点。
关键字：
单片机，瓦斯气体检测，气敏传感器，报警，实用
HardwareDesignofGasMonitoringSystemBasedonMCU
Abstract
Thispapersummarizesthepresentsituationofgasmonitorsanditsbasicprinciple,mainlydiscussestheuseofthesinglechipmicrocomputertogasmonitormethodsofdesignandrealization.Gasmonitorisakindofthesinglechipmicrocomputercontrolintelligentinstruments,inordertosatisfythecoalmineundergrounduseiseasytocarry,safetyandreliabilityrequirements,onthedesignmadethefollowingthenecessarytoconsider:
consideringtheminiaturizationofinstrumentstructure,aswellasfutureimprovementconvenience,wewilldealwiththemodularMCU.Systemmodulesaremadebysingle-chipmicrocomputercontrolcompleted.
Inviewofpresentsituationdesignaportablegasmonitors,undergroundbasedonsingle-chipmicrocomputerisgassensor,theacquisitionoftheanalogtransfertotheA/DconverterconvertedintodigitalquantitytoMCUprocessing,whengasconcentrationclosetodangerousvalue,automaticalarmandremindminerstoleaveatonce.Theequipmentandalsowithsensitivityadjustmentandtestingstrength,switchtoadjustsimple,convenientandaccurate,practicalandsoonthecharacteristic.
Keywords:
MCU,Gasdetection,gassensor,alarm,practical
第1章引言
1.1课题背景
我国是煤炭生产大国，随着煤矿机械化程度的提高，矿井生产能力和生产效率普遍加大，煤炭年产量居世界首位，产煤量占世界总产煤量的20%。
但同时我国也是煤矿安全形势最为严峻的国家之一。
自2010年以来，随着国家对煤矿企业安全生产要求的不断提高和企业自身发展的需要，我国各大、中、小煤矿的高瓦斯或瓦斯突出矿井陆续在装备矿井检测监控系统，系统的装备大大提高了矿井安全生产水平和安全生产管理效率，同时也为该技术的正确选择、使用、维护和企业安全生产信息化管理提出了更高的要求。
近年来，瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出等灾害，严重威胁着煤矿的安全生产和数百万名煤矿工人的生命安全，瓦斯灾害已成为制约我国煤矿安全生产和煤炭工业发展的重要因素，可以说瓦斯爆炸已经成为矿难的第一大祸首。
国有地方和乡镇煤矿中，高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出矿井占15%左右。
在许多发达国家中为了减少事故的发生，一般不会开采高瓦斯灾害隐患严重的矿井。
但中国是一个能源饥渴大国，煤炭是我国的主要能源，占一次性能源构成的75%，所以不论是低瓦斯还是高瓦斯，都在积极创造条件，照采不误。
多年来的实践证明，瓦斯浓度的检测监控器在监测煤矿井下安全状况，防范安全隐患方面起着重要作用，充分发挥其作用，是我国煤矿安全形势实现好转的关键。
近年来，国有重点煤矿瓦斯爆炸事故较少的原因之一，就是绝大多数煤矿的高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井安装了瓦斯浓度监测监控器。
综上所述，瓦斯浓度监测监控器所要实现的功能包括根据所选的瓦斯传感器来设定瓦斯浓度预警值，采集瓦斯浓度并进行浓度显示及处理。
当实际浓度超限时进行声光报警并同时控制排风扇进行排风以降低浓度含量。
所以开发设计出一种操作简单的瓦斯监测监控器，对有效的预防和减少瓦斯爆炸具有非常现实的意义。
1.2课题研究的目的和意义
能源工业是一个国家经济发展的命脉。
近年来，随着石油的紧张，石油价格的飙升，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形势却不容乐观，尤其是重、特大瓦斯爆炸事故屡见报端，2010年全国煤矿发生瓦斯事故135起，死亡593人。
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的重要因素之一。
煤矿中含有大量的甲烷（CH4）等易燃易爆气体，发生事故后会造成巨大的经济损失，危及矿工的生命。
随着煤矿开采技术手段的不断改进和开采规模的扩大及开采深度的不断延伸，安全隐患越来越多，瓦斯事故特别是中、特大瓦斯事故在煤矿事故中所占的比例也越来越高。
如果不把瓦斯事故控制住，就不能实现煤矿安全生产状况的稳定，也就无法保障煤炭工业的持续健康发展。
所以，对煤矿井下瓦斯气体进行快速准确的监测显得尤为重要，对易燃易爆混合气体监测的研究和开发也成为人们一直关注的问题。
在煤矿生产中，随着煤层采动，煤层中往往会涌出矿井瓦斯，瓦斯是煤矿开采中所产生的有害气体总称，它具有独特的性质和特点。
瓦斯的主要成份是甲烷，一氧化碳，二氧化碳，二氧化硫和硫化氢等。
瓦斯在煤体和围岩中，以游离状态和吸附状态存在，一般情况下处于动态平衡。
当外界温度、压力变化时这几种状态就会发生相互转化。
瓦斯在煤层开采过程中被逸散出来，在井下积累造成井下瓦斯浓度的增加，当瓦斯浓度达到5%-16%时具有爆炸性，瓦斯浓度为9.5%时爆炸威力最大，当瓦斯浓度小于5%或大于16%时，一般不会爆炸，遇明火只会燃烧，形成燃烧事故。
因此煤层瓦斯浓度的大小直接影响煤矿的设计、建设、安全生产及经济利益。
我国一些煤矿由于瓦斯预测不准，造成矿井投产后事故频繁发生。
因此准确而迅速地测出矿井瓦斯涌出量与突出危险区域，对煤矿安全生产和提高经济效益具有重大的意义。
1.3国内外瓦斯监测的现状
气体检测监控系统是工矿企业、社会公用事业、环境保护等领域必备的安全设备。
经过20多年的努力，气体检测仪表的敏感元件性能、质量有了根本性的改善。
在可测气体种类、测量范围、精度、稳定性和寿命等主要技术指标方面均有明显的提高，尤其精度、稳定性与寿命指标，提高了几倍。
目前有代表性的是法国OLDHAM公司的MX21，德国Drager公司的Multiwarn，日本理研株式会社的GX86、GX111、GX91、GX82系列，美国GasTech公司的GT、SAFETMTE等仪表。
我们通过这几种仪表的介绍和分析，概要说明气体检测监控系统的现状。
1、气体敏感元件的性能便携式气体监测仪表使用的气体敏感元件性能即代表了仪表整体的性能。
2、气体仪表的功能气体检测仪表的功能主要是指所测气体浓度值、报警点的设置，声光报警，开机指示，电池欠压指示等。
3、气体仪表的智能化仪表的智能化是当今电子产品的发展方向。
目前技术水平较高的“智能化”，即程序化功能，是指自动校正和可燃气的对比参数。
国内对瓦斯的检测以甲烷检测为主，毒气的检测以一氧化碳检测为主;而国外用可燃性气体的检测代替单一甲烷气体的测量，毒气包括硫化氢的测量。
单从我国技术发展上来说，我国在瓦斯监测监控系统的应用上起步较晚，上世纪80年代初才从国外引进了这一系统，而且仅用于部分国有重点煤矿，所以就瓦斯监测监控系统而言，目前也存在着不够完善的地方：
1、我国煤矿的瓦斯灾害防治技术虽已处于世界先进水平，但防灾抗灾的安全仪表和装备的技术水平与国外相比差距较大。
2、受技术条件限制，许多煤矿的瓦斯监测数据无法传输给集团公司或上级主管部门，仍未建立全集团或整个地区的瓦斯监测监控网络。
3、已安装的瓦斯监测监控系统型号各异，信号传输方式不尽相同，有的采取时分制，有的采取频分制，还有的利用载波传输，给系统的管理、使用、维护以及联网带来诸多不便。
4、由于瓦斯监测监控系统对气体传感器的精度、性能、稳定性方面的要求越来越高，因此对气体传感器的研究和开发也越来越重要。
1.4瓦斯监测的发展方向
随着我国电子技术以及各项科学技术的飞速发展，作为保证我国煤矿安全生产的有效措施之一的煤矿瓦斯监测监控技术在科研和应用方面必定会在原有基础上不断的加以完善，并取得长足的发展。
研制高可靠性、品种齐全的各类矿用传感器。
目前，国内监控系统的配套传感器主要存在两大问题：
一是品种不全，用于检测环境参数的传感器较多，而用于生产设备工作运行状况参数的传感器少；二是现有的传感器不同程度存在精度差、可靠性不高的缺陷特别是用于瓦斯综合治理和灾害预测的甲烷传感器，也存在使用寿命短、工作稳定性差的缺点，严重制约着矿井瓦斯的安全检测。
为了满足安全生产的需求，随着先进科学技术的应用，气体传感器发展的趋势应该是微型化、智能化和多功能化。
1.5课题研究的内容及要求
这次毕业设计的主要内容与要求是：
设计一个瓦斯气体安全监控装置，在一定范围内对气休的浓度进行安全检测，并能在被检测气体浓度超过危险值时进行报警，避免造成人员伤亡。
假设这个瓦斯气体安全监控系统要实现以下的功能：
气体测试，超过设定的门限值后自动报警装置，以单片机为主机，气敏传感器检测气体浓度，并将采集的模拟量传送给单片机，再加上按键调控部分来共同实现对瓦斯的安全监测与控制。
用单片机实现其具体控制功能如下：
1、能够连续测量瓦斯气体，用四位数码管显示瓦斯的实际浓度值。
2、瓦斯检测仪的检测范围是0—10000ppm报警门限为50ppm，5000ppm。
3、用单片机控制，通过自动监控瓦斯气体浓度设定值，数值采用数码管显示。
1.6课题研究的总体解决方案
论文设计的内容是煤矿监测报警器，论文的内容从题目上看就可知道要分两部分来解决：
一是煤矿瓦斯的监测，二是系统的报警。
论文首先阐述了CH4监测系统同的发展及状况。
在本文中，我们设计介绍了一种基于甲烷传感器MQ-4和单片机AT89S51的煤矿瓦斯监测报警器。
我们给出了其硬件组成及软件的设计方案，使其能达到进行瓦斯监测的预期目标。
本设计的硬件电路包括浓度检测，A/D转换，单片机拓展系统，键盘电路，数据显示电路及各控制电路；软件设计包括浓度采集，数据转换及处理，键盘扫描，动态显示及浓度控制等。
通过软硬件的设计可实现对瓦斯浓度的监测并且当其浓度超过预警值时可进行声光报警。
在论文中，我们简单论述了报警器的控制方案及工作原理，给出了主程序及主要子程序的框图。
此次设计的瓦斯监测报警器具有操作简便，运行稳定，检测比较准确的特点。
第2章瓦斯监控系统的设计概述
2.1概述
一个瓦斯气体监控系统能够及时的发现瓦斯气体浓度并报警，肯定能提高人民的生活水平和加快我们的现代化建设，有利于整个社会稳定。
基于这个思路，我们研究设计了瓦斯气体监控系统。
当气体的浓度超出某一设定范围后会产生报警，从而达到实时安全监控作用。
鉴于多方面考虑，我们提出了两种设计方案，从中选择比较合适的一种。
2.2设计方案
针对此课题要求，现提出以下二种设计方案：
总体方案一：
基于FPGA的总体设计模块，如图2.1。
按键电路
电源电路
图2.1基于FPGA的总体设计模块
方案一总体框图如图2.1所示。
FPGA（Field－ProgrammableGateArray），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。
它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
此系统基于FPGA，充分利用了它的功能，是一个效率比较高的设计方案，从框图可以看出系统的核心处理模块几乎全是要经过FPGA。
系统可以分两个部分，前一部分主要是关于传感器的信号，包括信号的监测、放大大和A/D转换。
气敏传感器输出的信号是毫伏级的，所以要经过运放发大后送给ADC0809转换成数字量，最终送给FPGA来处理，FPGA根据检测量的大小将气体浓度显示到数码管上，当检测到的气体浓度超过设定值时，系统便会报警，工人及时打开通风装置加快空气流动。
该系统的可靠性强，容易实现，但FPGA作为核心电路，成本比较昂贵，在实际产品中的应用不是很广泛。
总体方案二：
基于单片机的总体设计模块，如图2.2。
按键电路
电源电路
图2.2基于单片机的总体设计模块
方案二总体框图如图2.2所示。
本系统是以单片机为核心，系统所要实现的功能几乎与前面方案一样，具有信号的监控处理和报警显示功能。
用单片机完全可以取代了方案一的FPGA的功能，使整体的价格大幅度的下降，具有很高的实际开发价值。
气敏传感器的电路的处理使其精度可能受到周围的环境的影响比较大，方案一也是一样。
由图可以看出煤矿瓦斯监测报警器的硬件部分设计是以单片机系统为核心，用于整个设计的数据处理、声光报警电路等正常工作。
在这里我们选用ATMEL公司生产的8位单片机AT89S51，该种单片机与以往所采用的AT89C51相比新增加了很多功能，性能有了较大提升，片内4K的FLASH存储空间也能满足我们设计的要求，价格较之AT89C51基本不变甚至更低。
甲烷传感器采用MQ-4气敏传感器，用于探测采集瓦斯的浓度。
由于该传感器的输出信号为模拟电压信号，要想将采集到的数据送至单片机系统进行数据处理则需要将模拟信号转换成数字信号，所以在这里我们还要选用ICL7109芯片进行模数转换处理。
这里的ICL7109是一种双积分的12位A/D转换器，其性能价格比很高，是一种高精度、低噪声、低漂移A/D转换器。
瓦斯浓度显示部分采用四位的LED数码管显示，在这里我们采用动态扫描方法来显示各种参数。
综上所述，FPGA的价格比较昂贵，而单片机的性价比则更优势，并且本方案用单片机就能很好的实现监控，所以我们采用第二种方案。
2.3工作原理
在这里我们用甲烷传感器MQ-4来对煤矿瓦斯浓度进行检测，由于其检测所得数据模拟电压量而单片机只能对数字信号进行处理，所以在送入单片机中进行处理之前需先送入模数转换器ICL7109中进行模数转换，然后才能将转换所得数据送入单片机AT89S51中处理，这里的处理主要是指将输入进来的数据与我们设置的瓦斯爆炸预警值进行比较，在这里我们的预警值可通过键盘进行设置，显示其瓦斯浓度值。
单片机处理部分作为本系统的核心部分，其主要的功能是检测气体浓度，并根据此信号来控制不同的操作。
比如报警模块的状态、数码管的显示状态和控制阀电路的工作状态。
第3章系统的硬件设计
本系统的基本组成单元包括：
单片机控制单元，气体采样单元，A/D转换单元，数据显示单元，调节执行单元，电源、报警单元六部分，本章将逐一进行介绍。
3.1主控单元单片机的设计
主控单元我们选用ATMEL公司生产的单片机AT89S51。
3.1.1单片机简介
单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
单片机自动完成赋予它的任务的过程，也就是单片机执行程序的过程，即一条条的执行指令的过程。
所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作的命令写下来，这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的，一条指令对应着一种基本操作。
单片机所能执行的全部指令，就是该单片机的指令系统，不同种类的单片机，其指令系统亦不同。
为使单片机能自动完成某一特定任务，必须把要解决的问题编成一系列指令（这些指令必须是选定单片机能识别和执行的指令），这一系列指令的集合就成为程序，程序需要预先存放在具有存储功能的部件存储器中。
存储器由许多存储单元（最小的存储单位）组成，就像大楼房有许多房间组成一样，指令就存放在这些单元里，单元里的指令取出并执行就像大楼房的每个房间的被分配到了唯一一个房间号一样，每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址号，该地址号称为存储单元的地址，这样只要知道了存储单元的地址，就可以找到这个存储单元，其中存储的指令就可以被取出，然后再被执行。
程序通常是顺序执行的，所以程序中的指令也是一条条顺序存放的，单片机在执行程序时要能把这些指令一条条取出并加以执行，必须有一个部件能追踪指令所在的地址，这一部件就是程序计数器PC（包含在CPU中），在开始执行程序时，给PC赋以程序中每一条指令所在的地址，然后取得每一条要执行的命令，PC在中的内容就会自动增加，增加量由本条指令长度决定，可能是1、2或3，以指向下一条指令的起始地址，保证指令顺序执行。
3.1.2单片机的发展趋势
现在可以说单片机是百花齐放的时期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到32位，它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地。
纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势正朝着高性能和多产品方向发展。
今后的发展趋势将进一步向低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格、高速化、高可靠行方向发展。
。
1、低功耗CMOS化
CMOS（互补金属氧化物半导体工艺）电路的特点是低功耗、高密度、低价格。
近年来随着CMOS技术的进步，单片机全面COMS化，这种工艺的单片机功耗低，可控性强，能够工作在功耗精细管理状态。
目前生产CHMOS（互补高密度金属氧化物半导体工艺）电路意境能够达到LSTTL的传输速度，延迟时间小于2ns，其综合优势已大于TTL电路，所以单片机领域CMOS正逐渐取代TTL电路。
MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mw，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS。
80C51就采用了HMOS（即高密度金属氧化物半导体工艺）和CHMOS。
CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗，电池供电的应用场合。
所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。
2、微型单片化
现在常规的单片机普遍都是将中央处理器（CPU）、随机存取数据存储（RAM）、只读程序存储器（ROM）、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW（脉宽调制电路）、WDT（看门狗）、有些单片机将LCD（液晶）驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。
甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。
此外，现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。
现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中SMD（表面封装）越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。
3、主流与多品种共存
现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以80C51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品，ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。
所以C8051为核心的单片机占据了半壁江山。
而Microchip公司的PIC精简指令集（RISC）也有着强劲的发展势头，中国台湾的HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增，与其低价质优的优势，占据一定的市场分额。
此外还有MOTOROLA公司的产品，日本几大公司的专用单片机。
在一定的时期内，这种情形将得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补，相辅相成、共同发展的道路。
4、大容量、高性能
以往单片机内的ROM为1KB～4KB，RAM为64～128B。
但在需要复杂控制的场合，该存储容量是不够的，必须进行外接扩充。
为了适应这种领域的要求，须运用新的工艺，使片内存储器大容量化。
目前，单片机内ROM最大可达64KB，RAM最大为2KB。
另外单片机进一步改变CPU的性能，加快指令运算的速度和提高系统控制的可靠性。
采用精简指令集（RISC）结构和流水线技术，可以大幅度提高运行速度。
现指令速度最高者已达100MIPS（MillionInstructionPerSeconds，即兆指令每秒），并加强了位处理、中断和定时控制功能。
这类单片机的运算速度比标准的单片机高出10倍以上。
由于这类单片机有极高的指令速度，可以使用软件模拟其I/O功能，由此引入了虚拟外设的新概念。
5、串行扩展技术
在很长一段时间里，通用型单片机通过三总线结构扩展外围器件成为单片机应用的主流结构。
随着低价位OTP（OneTimeProgramble）及各种特殊类型片内程序存储器的发展，加之处围接口不断进入片内，推动了单片机“单片”应用结构的发展。
特别是I2C、SPI等串行总线的引入，可以使单片机的引脚设计得更少，单片机系统结构更加简化及规范化。
随着集成度的不断提高，越来越多单片机把各种外围设备的功能器件集成在片内。
除了一般必须具有的CPU、ROM、RAM和定时/计数器等以外，片内集成的部件常见的还有A/D转换器、D/A转换器、I2C总线、CAN总线、SPI总线、DMA控制器、PWM控制器、声音制造器、监测定时器和锁相电路等。
单片机改变了我们生活，纵观我们现在生活的各个领域，从导弹的导航装置，到飞机上各种仪表的控制，从计算机的网络通讯与数据传输，到工业自动化过程的实时控制和数据处理，以及我们生活中广泛使用的各种智能IC卡、电子宠物等，这些都离不开单片机，单片机有着广阔的应用前景。
3.1.3单片机AT89S51介绍
AT89S51是ATMEL公司生产的一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器。
它采用了CMOS工艺和ATMEL
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