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煤矿瓦斯监测学士学位论文

煤矿瓦斯监测

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、石油价格的飚升，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、特大伤亡事故屡见报端。

在这些事故中，瓦斯爆炸又占绝大数。

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。

论文首先介绍了当代瓦斯报警系统的现状及其发展状况以及气体传感器的原理使用。

在此基础上，详细论述了瓦斯气体报警系统的硬件电路设计与系统软件设计。

本课题采用具有较高性价比的单片机AT89S52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；采用ATMEL公司的DataFlash存储器AT24C02存储设定的参数及大量的测量数据；采用RS--485协议，实现数据远传；通过中继器的再生还原传输到地面就收PC机，由地面通讯软件接收处理。

关键词：

传感器：

煤矿；数据采集；串口通讯;

Abstract

Energyindustryisthevitalsofourcountry’seconomydevelopment．Inrecentyears，incompanywithpetroleumresourcesshortage、petroleumpricesgrowrapidly．Theimportanceandunsubstitutabilityofcoalindustryincreaseeveryday．ButChinesecoalindustrysafetyinproductionrefuseoptimism，asseriouscasualtyrepeatedlyappearedinthenewspaper．Gasexplosionoccupythemostpartofthoseaccident．Itissurethatmanyfactorscausedthat,buteachcollieryenterprise’slackofsafetymonitoringequipment、ladderofmanagementlagaretheoneofsubstantialreasons．

Firstofall，thedissertationexpoundsthedevelopmentandactualityofCH4instrumentation．Thenintroducethedesignrequirementoftheinstrumentation，becausecolliery'sundergroundworkingenvironment’shighhumidity、hasflammableanddetonablegassesandsmutparticularlywithotherlocation’sworkingenvironment,sotheelectricinstallationmustconformblastprotectionrequirementandmusthavegroundingoverflowingcreepageprotector．Atthirdchapter,thedissertationelaboratedtheCH4detectioninstrument’shardwareandsoftware．Thewholedetectioninstrument'shardcoreisSCMAT89S52，accordingtothesignaldetectedbythegassensortoidentifytheingredientoftheairandtheUseeightLEDnixietubetodisplaythegasconsistencyofCH4．Usekeyboardpaneltoinputtheexternalcommand；AdoptDataFlashAT24C02producedbyATMELtostoretheparametersandsubstantivedata．UseeightLEDnixietubetodisplaythegasconsistency．UnderthePCcontrolledmode．adoptRS一485protocoltorealizethedatabeingsenttotheserialportcommunicationsoftware．sotheworkerCanknowtheenvironment’sstatusallthetime．

Keywords：

sensor；coalmine；datacollection；serialcommunication

煤矿瓦斯监测

目录

1绪论5

1.1煤矿瓦斯报警系统概述6

1.2煤矿瓦斯报警系统的国内外发展状况8

1.3本次设计的意义9

1.4本设计的主要工作内容10

2煤矿瓦斯报警系统器件的选择10

2.1系统设计功能10

2.2设计原理11

2.2.1气体传感器的选择11

2.2.2单片机型号的选择13

2.2.3AT89S52单片机的特点13

3煤矿瓦斯监测系统设计原理15

3.1系统原理框图15

3.2系统硬件设计16

3.2.1系统电源16

3.2.2气体传感器加热及其信号采样20

3.2.3传感器信号监测回路及A/D转换参考电源22

3.2.4模数转换芯片AD7810的原理及应用24

3.2.5MAX7219显示电路28

3.2.6I2C总线接口电路33

3.2.8看门狗硬件电路38

3.3系统软件设计39

3.3.1主程序40

3.3.2按键中断程序42

3.3.3定时器A中断程序44

3.3.4串行中断程序46

3.3.5软件的低功耗设计47

4通讯的设计50

4.1RS-485串口通讯介绍50

4.2Rs-485通信硬件电路设计51

4.3中继器介绍55

5上位机设计56

5.1虚拟仪器及LabVIEW简介56

5.2系统上位机软件整体设计57

5.2.1软件系统的总体功能设计要求57

5.2.2软件构成模块58

5.2.3用户界面的设计58

5.3数据库相关知识介绍59

5.4数据存储模块程序的设计60

5.5数据查询模块程序的设计63

5.6曲线形成模块的设计65

6总结与展望67

参考文献68

致谢72

1绪论

煤炭作为现代工业发展的基础，大量用于发电冶金等重工业领域，关系到国家工业大局安全，所以保证煤炭生产正常有序具有战略性意义。

而在众多煤炭安全生产事故中，瓦斯事故占有比例越来越高，直接成为威胁煤矿安全生产的第一杀手。

随着开采技术的不断提高，开采深度的不断加大，相应的煤矿瓦斯报警技术也需要不断提高，不断的创新。

1.1煤矿瓦斯报警系统概述

煤矿瓦斯报警系统是能够监测矿井环境中瓦斯气体的浓度，具有报警功能并能实现数据远传垒地面监控室PC的系统。

本课题中完整的煤矿气体监测系统由以下五个部分组成：

（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）通讯单元：

将采集数据通过RS-485通讯方式进行数据通信；

（5）数据采集分析软件；运用LabVIEW编写通讯软件，实现气体数据的采集、分析及保存。

煤矿瓦斯报警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。

气体传感器是煤矿瓦斯报警系统的重要组成部分，就其原理可以分为四大类：

光学类气体传感器、电化学类气体传感器、高分子材料类气体传感器及电学类气体传感器。

世界上发达国家用于煤矿井下易燃易爆气体监测的方式主要有光干涉式、载体催化燃烧式两种。

光干涉式气体监测仪表是利用了光的干涉原理实现对已知待监测气体浓度的测量。

比较典型的产品有矿用光干涉型CH4气体监测仪，它是利用不同种类、不同浓度的气体对光的折射率不同这一性质，针对CH4气体设计适当的光路系统，把CH4气体浓度的变化转换成光的干涉条纹的位置变化。

因此只要测量该位移量，就可以获得CH4在空气中的含量。

该测量仪测量范围大，使用寿命长，但仪器设备大，价格高，测量不直观，而且无法与监控系统连接，因此在煤矿中的使用量逐年减少。

在这二种气体监测仪表中，载体催化燃烧方式监测可燃气浓度的方法因其线性和稳定性较好，以爆炸下限百分体积浓度为单位的浓度标度方法能统一衡量各种可燃气浓度所呈现的爆炸危险度，且量程符合工业要求，故被较多的用于爆炸危险场所可燃性气体的测量。

当Pt丝中通以工作电流使之达到临界反应温度（320—350℃）时，可燃气在元件表面催化燃烧使Pt丝电阻增加，在完全燃烧且热辐射可忽略时，电阻增量△R1与可燃气浓度C成正比，即有

△RF=α*a*C*Q/Cp=K1C，（K1=α*a*C*Q/Cp）（1.1）

α，a，Q，Cp分别为Pt电阻温度系数、催化剂性能常数、可燃气燃烧热、元件热容，故（K1是仅与元件及可燃气种类有关的常数。

将△RF转换成电信号，通过这一阻值变化，转换为电压变化，从而通过A/D转换可得到被测气体的浓度值。

1.2煤矿瓦斯报警系统的国内外发展状况

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、便携式和同定式。

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：

便携式仪器用泵吸式采样，用于监测人员定期安检：

固定式仪器用于煤矿升下同定地点气体监测。

世界各国也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一200等，其中全矿井综合监测控制系统有代表性的产品有美国MS^公司生产的系统，德国BEBRO公司的PROMOS系统。

但是这两种系统只足基于井下监测，并无数据上传，不能实现智能化监控。

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、KJIO、KJl3、KJl9、KJ38、KJ66、KJ75、KJ80、KJ92、KJ95、KJl01等煤矿有害气体监测系统，在我国煤矿已有大量使用，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T扰，造成监测结果不准确，易出现误报警等现象。

1.3本次设计的意义

改革开放以来，我国煤矿安全生产科技得到了较大的发展。

煤炭科学院所、高等院校以及部分煤炭企业分别成立了专门的煤矿安全技术工程研究所、实验室和研发基地。

煤炭行业已形成大专、本科、硕士、博士一套较为完善的安全工程学历教育体系，初步形成了一支具有一定规模和水平的煤矿安全生产科技队伍。

开展了“九五”、“十五”科技攻关计划、“863”、“973”、国家自然科学基金等多项煤矿安全领域的重大科技攻关，促进了煤炭行业安全高新技术和基础性研究水平的提高，科技研发能力得到了较大提升。

虽然我国煤矿安全生产科技工作已经取得了较大成绩，但水平仍然较低，尚不能为煤矿安全生产提供强有力的支撑和保障。

目前我国煤矿安全技术与装备落后，难以适应危险源监控、预警、灾害防治和事故应急救援的需求。

仍有许多装备存在适应性不强、可靠性差的问题。

另外，面对新出现的灾害，缺乏必要的控制灾害的专用装备。

煤矿安全的监测仪器仪表也存在着寿命短、精度低、稳定性差，不能实现自动调校的问题，满足不了日益发展的煤矿安全生产的需求。

近年来，煤矿发生事故的数量在不断增加，如何加强安全生产，提高预警和时候搜救工作效率，成为煤炭行业事业能否稳定持续发展的一个重要保证，在紧急高速发展、能源供应紧张的形势下，如何处理好保证安全和提高产量的关系，需要深入研究。

1.4本课题的主要工作内容

目前国内有一些用于煤矿中CH4气体的监测系统，但是很少有能实现数据上传做到实时监测，本文针对煤矿气体监测系统的现状及发展趋势，阅读了大量文献及资料，设计了煤矿瓦斯报警系统．主要工作包括：

（1）甲烷气体传感器的选用及实验

（2）单片机的选用

（3）系统硬件电路的设计

（4）系统软件的设计

（5）通讯方式设计

（6）终端数据采集及显示软件的设计

2煤矿瓦斯报警系统器件的选择

本课题的研究日标，是设计一种能够有效监测煤矿瓦斯气体的监测系统，并可以将实时数据上传垒地面监控电脑，实施控制。

为此，应根据煤矿工作环境及煤矿巷道中气体监测系统使用的特殊要求进行系统设计。

2.1系统设计功能

在本设计中，煤矿气体监测系统的功能是能够监测CH4，同时本着方便应用的原则，还应具备声光报警、人机界面操作、数据存储以及与Pc机通讯等功能。

基于这些要求，仪表应由敏感探头、A/D转换、单片机、数据存储器、显示器、按键面板及报警模块、通讯模块等组成。

由于在标定和更新系统参数的时候，需要大量的实验数据，这就需要扩展仪表外设功能模块，采用串口通讯实现数据的远传。

2.2设计原理

本设计采用CH4气体传感器，研制无火焰燃烧式CH4气体传感器应用系统，实现对CH4的识别，浓度的测量、是否达到报警阈值的判断以及数据的远传。

2.2.1气体传感器的选择

本次设计采用CH4气体传感器进行参数测量。

其催化元件是采用一种全新高活性的纳米级过渡金属合金低温反应催化剂作为新的敏感元件，取代传统的瓦斯燃烧催化剂。

这种新的合金催化剂不仅对瓦斯催化反应的活性极高，临界反席温度低，而且具有良好的催化选择性，有利于提高报警器的灵敏性和准确性。

同时因反应可在较低温度进行，催化剂性能稳定，因而大大延长了催化剂的使用寿命。

这种敏感元件的外观图见图2.2.1，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2.2.1元件外观图

（1）元件使用环境条件：

温度：

一20℃～+70℃

湿度：

<95％RH

风速：

<8m/s

大气压力：

80-116KPa

（2）零点输出

V。

=OmV-+20mY（V。

：

空气中的输出电压）

（3）灵敏度

M>2mV（M：

灵敏度）

（4）传感器对多种可燃气体的敏感特性

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。

2.2.2单片机型号的选择

单片机型号的选择是根据控制系统的目标、功能、可靠性、性价比、精度和速度等来决定的。

根据本课题的实际情况，单片机型号的选择主要从以下两点考虑：

一是要有较强的抗干扰能力。

由于甲烷气体监测传感器处于煤矿矿井巷道中，T作环境比较恶劣，以及实际的运行工况比较复杂，这些都对单片机的干扰较大，所以应采用抗干扰性能较好的单片机机型；二是要有较高的性价比。

由于5l系列在我国使用最广且该系列的资料和能够兼容的外围芯片也比较多，特别是ATMEL公司2003年推出的新一代89S系列单片机，其典型产品AT89S52单片机具有较高的性能价格比。

本文采用ATMEL公司生产的AT89S52单片机作为报警系统的核心部件，它具有89C52的全部功能，是80C51的增强型并且指令完全兼容，AT89S52新增加的功能由特殊功能寄存器完成。

2.2.3AT89S52单片机的特点

（1）兼容MCS一5l单片机

（2）8K字节FLASH存贮器支持在系统编程ISPl000次擦写周期

（3）256字节片内RAM

（4）工作电压4.0V到6.0V

（5）全静态时钟OHz到33MHz

（6）二级程序加密

（7）32个可编程I/O口

（8）3个16位定时/计数器

（9）6个中断源

（lO）上电复位标志

（11）完全的双工UART串行口

（12）低功耗支持Idle和Power-down模式

（13）Powerdown模式支持中断唤醒

（14）看门狗定时器

（15）双数据指针

此外，与AT89C52相比，AT89S52新增加了许多功能，这将使单片机在工作过程中具备更高的稳定性和电磁抗干扰性。

首先，AT89S52内部增加了片内看门狗定时器，这将有利于坚固用户应用系统，提高系统可靠性：

其次，AT89S52独有的双数据指针使数据操作更加快捷方便；再次，AT89S52运行速度更高，最高晶振可达到33MHZ：

最后，AT89S52支持ISP（In-SystemProgramming）在线下载功能。

AT89S52中ISP引脚共有4个：

RST、MOSI、MISO和SCK。

用户可以直接替换应用系统中的AT89C51/52，而软件硬件均不需作任何修改，这给正使用AT89C52单片机的用广更新换代带来许多方便。

正因为AT89S52单片机增加了高可靠性、安全性的功能，所以能避免因外部芯片扩展过多或传感器输入信号过多而引起的信号失真、电磁干扰等现象的发生。

因此．用它作为甲烷气体测量可以满足监控、信息传送的要求。

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

3煤矿瓦斯监测系统设计原理

本章将介绍基于甲烷气体传感器的瓦斯报警系统的系统原理框图，及其整体协调工作实现的功能；系统的硬件电路设计及其主要功能模块；系统程序流程等内容。

3．1系统原理框图

基于气体传感器的甲烷气体监测系统主要由气体传感器、单片机、数据存储器以及LED显示器以及RS-485通讯接1：

3等部分组成，其原理框图如图3．1所示。

采用单片机AT89S52构成煤矿气体监测系统的核心部分，根据气体传感器及测量的信号，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；采用ATMEL公司的DataFlash存储器AT24C02存储设定的参数及大量的测量数据；通过8只8段LED数码管显示气体浓度；也可以在PC机控制模式下，采用RS-485协议实现数据远传。

图3.1系统硬件原理图

3.2系统硬件设计

3.2.1系统电源

3．2．1系统电源

基本思路：

220V交流电压→降压→整流→滤波→稳压→调压

直流稳压电源一般由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成，如上图所示。

（1）电源变压器：

将电网供给的50Hz，有效值380V的交流电变换成符合整流电路要求的交流电。

在该设计中，要得到正负12V的电压，一般选择产生高于12V的变压器。

（2）整流电路：

将变压器二次侧的交流电压变换为单向脉动的直流电压。

该设计中采用单相桥式整流电路，为全波整流，纹波小二极管的反向电压小，应用最广。

基本原理是利用整流二极管的单向导电性，将双向变化的交流电变成单向脉动的直流电。

（3）滤波电路：

将脉动的直流电压变换为平滑的直流电压。

整流输出的直流电压脉动分量比较大，为减小脉动，在整流电路之后加上滤波电路。

滤波可分为电容滤波、电感滤波、复式滤波。

（4）在该设计中采用电容滤波。

滤波电路是利用电容和电感对不同频率的信号表现出不同的电抗，构成低通滤波电路，以减小高频纹波成份。

电容在高频时容抗小，和负载并联；电感在高频时感抗大，和负载串联，可使高频分量在负载上的分压大大降低，从而达到减小纹波的目的。

（5）稳压电路：

将直流输出电压稳定，减小电源电压波动和负载变化对输出直流电压的影响。

为使输出的直流电压不随电压的波动、负载的变化而变化，需要在滤波电路之后加稳压电路。

该系统系统电源电路图如图3.2所示，Vin是外部输入电源，采用的是12V/3A的直流电源。

C2，C4的作用是对LM317电压调节端（ADJ）的电压进行滤波，以提高输出电压的稳定性；D1、D2起保护作用，当有意外情况使得LM317的Vin电压比Vout电压还低的时候，防止从C3,C4上有电流倒灌入LM317起其损坏。

整个系统用电可以划分为两部分：

HVCC是LED显示器模块、气体传感器加热、传感器信号监测回路及A/D转换参考电源模块输入需要的9.58工作电压；VCC是单片机等集成芯片需要5V的工作电压。

电源部分的核心器件是二端可调输出集成稳压器LM317。

LM317是美国国家半导体公司的三端可调整流稳压器集成电路，输出电压范围是1.25V至37V，负载电流最大为1.5A。

它的使用非常简单，仅需两个外接电阻来设置输出电压，此外线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。

内置过载保护、安全区保护等多种保护电路。

输出引脚3与调节引脚1之间保持1.25V的参考电压Vref，并且引脚3为正端。

当调节端接地时。

输出端输出1.25V。

由Vin端提供工作电压以后，便可以保持Vout端（3脚）比ADJ端（1脚）的电压高1.25V。

因此，只需要用极小的电流来调整ADJ端的电压，便可在Vout端得到比较大的输出电流，并且输出电压比ADJ端电压高出恒定的1.25V。

LM317的输出电压=1.25x（I+ADJ）端到地的电阻/ADJ端到Vout端的电阻）。

通过调整接入ADJ端和Vout端电阻的比值，来改变输出电压。

值得注意的是，LM317有一个最小负载电流的问题，即只有负载电流超过某一值时，才能起到稳压作用。

这个电流随器件的生产厂家而有所差异，一般在3-8mA不等，可以通过在负载端接一个合适的电阻来解决。

依据LM317的输出电压计算公式，可以得到图3.2中LMI的输出：

（3.1）

其中：

Vref=1.25V，Rl=1000Ω，R2=150Ω。

数据代入上式得：

HVCC=9.58V。

另外LM2的输出：

（3.2）

其中：

Vref=1.25V，R3=460Ω，R4=150Ω。

数据代入公式得到：

VCC=5.08V。

图3.2系统电源电路图

3.2.2气体传感器加热及其信号采样

气体传感器加热及其信号采样电路图如图3.3所示，由LM317提供加热电压。

其中．HVCC是输入电压，VE是气体传感器的加热电压，VH是监测回路的工作电压，GND为气体传感器加热地，Vss为信号采样地，Rs为气体传感器的敏感体电阻，RL为取样电阻。

传感器加热电压高，加热丝的电阻值小，这样势必导致流经加热回路的电流大；另外，为了方便测量，传感器探头电路与仪表数据处理电路不在同一个电路扳上，而是用了比较长的数据线相连。

如果采样地与加热地共用一条回路，采样地就会流过较大的电流，这样就能在信号采样线上产生很大的压降，从而导致采集的信号受信号采集线的长短影响较大。

必须把加热地与信号地分离开，才能降低干扰。

依据LM317的输出电压计算公式，可以得到：

（3.3）

其中：

Vref=1.25V，Rl=470Ω，R2=150Ω。

数据代入公式得到：

VE≈5.17V。

图3.3气体传感器加热及信号采样电路图