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中文摘要
本文首先介绍了我国煤矿安全面临的形势和煤矿安全的意义。
目前我国煤矿瓦斯几乎全部采用热催化燃烧型的瓦斯传感器检测瓦斯。
由于零点漂移和瓦斯信号输出非线性的原因，需频繁进行零点校正和灵敏度的校正，瓦斯传感器存在寿命短、稳定性差、调节周期短。
随着瓦斯浓度的升高，催化元件在检测瓦斯时，呈明显的非线性特性。
本文对线性度拟合和非线性拟合进行了深入的分析。
通过比较和对比，采用了分段折线校正法进行非线性补偿。
零位稳定是影响测量系统精度的重要因素，采用保存零位输出值来解决瓦斯传感器的校零处理。
根据自动调校原理和总线技术，对传统的瓦斯检测电路和方法进行了改进。
在此基础上，提出了智能瓦斯传感器检测电路总体设计方案。
在硬件设计方面主要包括电源模块的设计、模拟调理电路模块的设计、单片机模块的设计、外围芯片模块的设计、报警电路模块和通信模块等的设计。
使用外部EEPROM存储器，存储瓦斯安全浓度、零点漂移系数、非线性补偿系数，实现了掉电保护功能。
本文对各种通信技术进行了深入的探讨和分析，比较各种通信方式的优缺点，采用了RS485总线技术进行瓦斯传感器和井下分站的传输。
通过RS485总线将瓦斯浓度上传给井下监控分站，实时监控瓦斯的浓度状况等。
软件采用模块化程序设计方法，用C51编写代码。
选用VC++作为系统上位机监控软件程序的编写。
本文对每个子程序模块都进行了详细的编写，为了使流程更加直观，绘制了流程图。
在完成系统的硬件和软件设计、制作后，进行了一系列模拟试验，试验结果符合要求。
关键词:
瓦斯；非线性补偿；总线技术；串行通信；监控分站。
ABSTRACT
Thispaperintroducesfirstlysituationofcoalminesafetyandtheimportanceofmining.MethaneisanalyzedbythermoeatalysissensorinCoalMinesinoureountryatPresent.Withzerodriftandnonlinearintheoutputsignals,zeroadjustmentandsensitivitycorrectionsystemofmethanesensorsisneededfrequently.Methanesensorsalwayshavetheproblemsofshortservicelife,badstabilityandshort-period.
Themoregasconcentrationis,themorenon-linearthermoeatalysissensors.Methanesensor’slinearityfittingandnonlinearfittingarepresented.Afteranalysisandcomparison,thepiecewiseinterpolationisusedtodononlineardataprocessing.Stablezeroisthemostimportantaffectionfaetorofmeasurementaceuraey.Zeroselfadjustmentisproeessedbystoringzero-value.
Basedonauto-calibrationtechnologyofminemethanesensorandbussingteehnique,improvementsaremadeineonventionalmeasurementcircuitandmethodofdetection.Basedonthis,anewkindofdesignschemeofsensingsystemforthermocatalysissensorsisintroduced.Amongthem,thecontrolsystemofhardwarehasintroducedtheperipheralcircuitincludingmainchip,cireuitofpowersupply,moduleofthesignalgathers,alarmcircuitandcommunicationcircuit.Gassatetyconcentration,zerodriftandnonlinearcoefficientarestoredwiththeapplicationofexternalmemoryEEPROM.Thepapermakesalotofresearchesoncommunicationtechnology.AftertheresearchonthecomparisonofcommunicationteehnologiesthedatatransmitsbetweenthesensorsandundergroundmonitoringoutstationsthroughRS485bus.Thesensorsendsgasconcentrationtoundergroundmonitoringoutstationsforrealtimemonitoringofmethane.
ThemodularprogrammingapproachisadoptedonthesoftwaredesignandcodeiswritedinC51language.Softwareprogramminghasbeendonetorealizethesefunctionsofsubprogramindetail.Thetechnologicalflowsheetsaredrawnmorevisually.
Aftersoftwareandhardwareofsystemaredesigned,theexperimentsaredesigned.Imadeaseriesofsimulatedtestsunderthebackgroundofnon-testinfield.Verifieationtestofeachfunctionalmoduleiscarried,thenthewholesystemsdo.
Keywords:
methane;nonlinearitycompensation;bussingtechnique;serialeommunieation;controlandmonitoringoutstation.
1绪论
1.1选题的背景
安全是人类最重要和最根本的需求，是人民生命健康和国家财产的基本保障，可以说，安全就是生命，安全就是效益，安全更是人类社会文明的标志。
然而，重大事故的不断发生，使人们认识到在现代工矿企业生产中潜伏着巨大的危险性，因而对安全的研究越来越受到人们的重视。
煤矿安全生产是国内外面临的重大课题。
中国是世界上最大的煤炭生产国家，在国民经济建设中，煤炭成为最重要的能源之一，煤炭工业是我国重要的基础产业，长期以来，煤炭在我国一次能源生产和消费构成中均占2/3以上，我国煤炭资源丰富，在相当长的时期内，以煤为主的能源供应格局不会改变。
我国是全球产煤最多的国家，年产20多亿吨，也是世界上发生矿难最多的地区之一。
煤矿企业的事故占的比重最大，伤亡人数最多，因此，如何加强安全生产的防范措施，如何正确处理安全与生产、安全与效益的关系，如何准确、实时、快速履行煤矿安全监测职能，保证抢险救灾、安全救护的高效运作，摆到了国家各级主管部门和领导的面前。
国家发展和改革委员会将“煤矿矿井安全监控系统”列入当前优先发展的高技术产业化重点领域。
1.2研究内容的提出
瓦斯爆炸、煤炭自燃和火灾、顶板冒落、水害与机电运输事故是煤矿的五大灾害。
瓦斯事故是矿井事故中最严重的，一旦发生，将造成矿毁人亡。
近几年来，瓦斯爆炸事故频繁发生，给国家和企业造成巨大的灾难，同时也给矿工及其家属带来无法弥补的损失，严重影响着煤矿生产和矿井工人的生命安全。
瓦斯是制约煤矿安全生产的主要灾害之一，我国95%以上的煤矿为瓦斯矿井，其中近49.2%为高瓦斯矿井。
解决瓦斯突出及爆炸问题，必须加强对瓦斯的监测监控。
通过瓦斯监测系统实现对矿井各个地点的瓦斯进行实时监测，使得工作及管理人员能够及时获取井下瓦斯的情况，对井下生产状况作出正确及时的判断，当瓦斯浓度超限，对矿井安全构成威胁时，井上和井下各个部门就能及时采取有效措施加以处理，可以有效地控制和减少瓦斯重大事故的发生，确保矿井的正常生产及矿工的生命安全。
1.3国家关于煤矿安全浓度的规定
《煤矿安全规程》对井下各点瓦斯浓度如下规定:
（1）矿井总回风巷或一翼回风巷风流中瓦斯浓度超过0.75%，矿总工程师必须立即查明原因，进行处理，并报告矿务局总工程师。
（2）采区回风巷、采掘工作面回风巷风流中瓦斯浓度超过l%时，必须停止工作，撤出人员，并由矿总工程师负责采取措施，进行处理。
（3）综合机械化、水采和煤层厚度小于0.8米的保护层的采煤工作面，经抽放瓦斯和增加风量已达到最高允许风速后，其回风巷风流中瓦斯浓度仍不能降低到1%以下时，经矿务局局长批准，瓦斯浓度最高不得超过1.5%，并应符合下列要求:
①工作面的风流控制必须可靠。
②通风巷必须保持设计断面。
③必须制定安全措施，配有专职瓦斯检查员并安设瓦斯自动检测报警断电装置。
（4）采掘工作面风流中瓦斯浓度达到1%时，必须停止用电钻打眼；放炮地点附近20米以内风流中的瓦斯浓度达到1%时，严禁放炮。
采掘工作面风流中瓦斯浓度达到1.5%时，必须停止工作，撤出人员，切断电源，进行处理;电动机或其开关地点附近20米以内风流中瓦斯浓度达到1.5%时，必须停止运转，撤出人员，切断电源，进行处理。
（5）采掘工作面内，体积大于0.5立方米的空间，局部积聚瓦斯浓度达到2%时，附近20米内，必须停止工作，撤出人员，切断电源，进行处理。
（6）综合机械化采掘工作面，应在采煤机和掘进机上安设机载式断电仪，当其附近瓦斯浓度达到1%时报警，达到1.5%时必须停止工作，切断采煤机和掘进机的电源。
1.4瓦斯检测的现状及存在的问题
理论上讲，检测瓦斯含量的方法很多:
瓦斯催化剂元件法、气敏半导体法热导法、光于涉法和红外光谱吸收法等。
各种瓦斯检测方法的比较如下表1-1所示。
表1-1我国煤矿主要瓦斯传感器性能比较
Tablel1-1Theperformancecomparisonofgassensorsinmine
名称
原理
精度
零漂
稳定性
选择性
矫正周期
使用面
光干涉
折射率不同
中
好
好
中
气敏半导体
气体吸附
差
大
差
差
小
载体催化
热效
好
中
中
差
很短
广
红外吸收
气体吸收
好
小
好
好
自校正
小
我国目前装备的煤矿安全监控系统几乎全部采用热催化原理检测瓦斯。
热催化检测原理有一定的局限性，但是却具有价格低廉的特点，易于煤矿量大面广的使用，使用载体催化元件检测占据了矿井瓦斯和多种易燃易爆气体检测领域的首位。
其工作原理是利用可燃气体在催化剂的作用下进行无焰燃烧，产生热量，使元件电阻因温度升高而发生变化，测知瓦斯的浓度。
这种传感器的优点是精度较高，输出信号较大（1%CH4时，输出电压可达20--25mv），且不受其它燃气和灰尘存在的影响。
矿用固定式甲烷传感器已成为矿井瓦斯综合治理和灾害预测的关键技术装备，长期以来我国载体催化元件由于受生产工艺和技术的影响，一直存在使用寿命短、工作稳定性差和调整校正频繁的缺点，严重制约着矿井瓦斯准确的有效检测，与国外同类传感器（黑白元件）比较差距是较大的。
现场普遍反映瓦斯传感器存在寿命短、稳定性差、调节周期短等问题，具体表现如下：
1.传感器的准确度与线性度达不到产品检定规程规定的基本误差范围，指示值与实际值之间误差太大，或低端较准，高端不准，或高端较准，低端不准。
2.性能不稳定，显示数字乱跳。
有的元件在测量范围内受到较高浓度的瓦斯（如2%左右）冲击后，几分钟之内就失效了，有的虽然没有失效，但元件灵敏度显著下降。
3.传感器受到震动（如放炮或移动碰撞）和风速变化影响时数字跳动，零点漂移，造成工作不稳定。
由于以上原因瓦斯传感器每周就要调校一次，而频繁的调校使传感器的机芯受潮又影响传感器仪表的性能和寿命。
每套系统有多个瓦斯传感器，调校和维修工作十分繁重。
因此，有必要研制高性能的瓦斯传感器，来解决以上不足。
1.5本文的主要任务和实现的功能
为了解决以上不足，研制了智能型的瓦斯传感器。
采用零点校正和非线性补偿校正实现了瓦斯传感器的自动调校。
同时采用总线技术，取代传统的集中式控制系统实现对瓦斯的自动监控。
以单片机为控制核心，实现了信号传感、就地控制及数据通讯等功能。
在成本增加不大的情况下.充分发挥软件功能，使瓦斯传感器成为多功能的智能仪器，对煤矿井下安全监测与控制技术的发展具有积极的意义。
具有精度高、稳定可靠、使用方便等特点。
能与各种煤矿安全监测监控系统、风电瓦斯闭锁装置及瓦斯断电仪等配套使用。
与传统瓦斯检控系统相比，具有如下一些特点:
1.具有很高的测量精度
由于实时进行数据处理，自动判定采样数据的有效性以消除偶然误差的影响等等，从而保证了测量精度，降低对元器件的要求，提高性能/价格比。
2.具有很高的稳定性和可靠性
能实时进行系统的故障自检，避免因传感器系统本身故障而引起整个测控系统出错，提高了稳定性和可靠性。
3.具有很强的自适应能力
它还能通过数据处理来自动补偿因工作条件与环境参数发生变化后引起的零点漂移，以及补偿因传感器的非线性输出特性带来的误差，具有自动调校功能，增强了系统的自适应能力。
4.具有通信功能
智能传感器能与上位机通信，接收上位机命令，能将检测的数据实时的传输，实现了对瓦斯的实时监控。
本文设计的主要内容如下：
（1）催化燃烧型瓦斯检测的原理分析和瓦斯检测的总体设计；
（2）进行瓦斯传感器的硬件电路的设计和调试；
（3）进行瓦斯传感器的软件设计和调试；
（4）进行瓦斯检测的上、下位机数据通信设计；
（5）进行瓦斯检测监控的上位机软件设计；
（6）进行瓦斯检测的试验设计；
（7）进行瓦斯检测的总结和展望。
实现的功能：
测量瓦斯的浓度，实时显示瓦斯的浓度。
当浓度超过安全标准时，启动声光报警电路进行报警，并且一记录发生的时间，以备将来分析查看。
并将井下瓦斯的浓度数据传给监控分站，由监控主机进行整体监控。
1.6本章小结
本章介绍了我国煤矿安全面临的形势、煤矿安全的意义以及国家关于瓦斯安全浓度的规定。
根据目前我国瓦斯检测存在的问题，由自动调校原理和总线技术，对传统的检测方法进行了改进，并给出本论文的主要工作。
2瓦斯催化传感元件检测原理
2.1瓦斯气体
2.1.1瓦斯气体性质
了解瓦斯的特点和性质是搞好瓦斯管理的先决条件。
瓦斯是煤矿开采过程中的一种有害气体的总称，它有自己的性质和特点，是可以被认识的，也是可以被控制和利用的。
所以说要搞好瓦斯管理工作，必须首先学习有关瓦斯的知识，了解瓦斯的性质和特点。
矿井瓦斯是指从煤体和围岩中逸出的以及在生产过程中产生的多成分的混合气体，包括CH4、CO2、CO、N2、C2H6、SO2、H2S等。
主要成分是甲烷（CH4）、一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2）、硫化氢（H2S）等。
沼气是矿井瓦斯的主要成分，是一种无色无味的气体。
不助燃，但当与空气混合到一定浓度时，遇火能燃烧或爆炸，爆炸界限为5~16.5%；空气中沼气浓度超过40%时，空气中的氧含量将下降到12%以下，此时空气与沼气的混合气体不再发生爆炸，但将使人窒息。
2.1.2瓦斯气体的爆炸
瓦斯爆炸须具备3个条件：
CH4浓度、O2浓度及引爆温度。
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，几种状态会互相转化，煤层在开采过程中，瓦斯被逸散出来，在井下积聚，造成瓦斯浓度增加，当CH4浓度达5%~16%时具有爆炸性，CH4浓度为9.5%时，爆炸威力最大，当CH4浓度小于5%或大于16%时，一般不会爆炸，遇明火只会燃烧，瓦斯爆炸的上下限是可变的，当CH4混合气体的温度和压力发生变化或混入煤尘及其它可燃气体时，可影响瓦斯爆炸的上下限，如空气中的煤尘含量为10~12mg/m3，CH4浓度达到4%时，遇火就会爆炸。
要消除引爆火源，必须严禁明电、明火下井，禁止明电、明火放炮，并要求井下电器设备必须防爆。
所以控制瓦斯浓度是防止瓦斯爆炸的根本，实时掌握瓦斯浓度状况是煤矿安全的头等大事。
2.2催化燃烧型瓦斯传感元件
2.2.1催化燃烧型瓦斯传感元件的检测原理
本设计采用的催化元件是黑白元件。
下面介绍一下黑白元件。
催化传感器是由一个催化传感元件（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。
黑白元件物理结构一致性要好，不仅环境温度对测量值的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。
利用敏感元件（俗称黑白元件）对瓦斯的催化作用使瓦斯在元件表面上发生无焰燃烧，放出热量使元件温度上升，增加了敏感元件铂丝的电阻值。
通过电桥测量电路，可以测量其敏感元件电阻值变化量，如图2-1所示。
催化反应的方程式为:
CH4+2O2→CO2+2H2O+Q。
图2-1传感器检测电桥
Figure2.1Eleetric-bridgeofsensor
Rh是催化传感元件，Rb为补偿元件。
将Rh和Rb置于同一测量环境中，由稳压源供电。
在无瓦斯的新鲜空气中，Rh=Rb，调整电桥使之平衡，信号输出端电压U=0；当瓦斯存在时，在催化传感元件Rh表面发生无焰催化燃烧，Rh阻值随温度上升而增加为Rh+△Rh，而补偿元件Rb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：
（2-1）
由于
，则
（2-2）
电桥输出电压取决于敏感元件的阻值变化量△Rh。
对于铂丝元件，其电阻变化量可用下式表示
（2-3）
其中，a、h、R0与敏感元件的材料、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
，则U=k1k2C（2-4）
即在理想情况下，电桥输出电压与瓦斯浓度成正比，在一定浓度范围内，电桥输出电压与瓦斯浓度呈线性。
2.2.2瓦斯传感元件的非线性补偿
目前我国瓦斯传感元件均采用催化燃烧型的元件。
虽然根据瓦斯检测原理，在理想情况下，在一定浓度范围内，瓦斯浓度和信号输出存在线性关系。
但在实际系统中，测试结果表明:
随着瓦斯浓度的升高，元件输出增加量明显减少，使元件在检测较高浓度瓦斯时，呈较严重的非线性特性。
主要由以下几个方面：
①瓦斯传感元件本身的误差。
制造、加工精度不够、装配偏差;材料的热胀冷缩、迟滞等因素;
②外界环境影响;
③人为因素。
瓦斯传感元件的输出和输入存在非线性问题。
在瓦斯检测过程中，对大多数误差来源往往不能充分了解，因此，难以从理论上建立准确的误差模型。
但是可以通过校验校准来获得系统的校准曲线（输入、输出关系曲线）。
所谓校准，就是在标准状况下，利用一定等级的标准设备，为系统提供标准的输入量xi（i=l，2，…，n），测试系统的输出yi，（i=1，2，…，n）。
在整个测量范围内，选多点测试；在每个点上，测试多点，由此得出系统的输入、输出数据（xi，yi），列出表格或绘出曲线，得到静态特性曲线。
将曲线上各个校准点的数据存入存储器的校准表格中，例如，将yi作为存储的一个地址，把对应的xi值作为内容存在其中，这就建立了一张校准表格。
在实际测量时，测一个yi值，就到微处理起去访问这个地址，读出其内容xi，即为被测量经修正过的值。
当y值介于两个校准点yi与yi+1之间时，可以按最邻近的一个值yi或yi+1，去查找对应的x值，作为最后的结果。
这个结果带有误差。
图2-2传感器的静态特性曲线
Figure2.2Staticcharaeteristiccurveofsensor
静特性曲线可以用实际测试获得（如图2-2所示）。
在获得传感器的特性曲线后，就要进行曲线的拟合和校正。
曲线校正方法有:
线性度拟合校正和非线性拟合校正法。
1、线性度拟合校正法
为了标定和数据处理的方便，希望得到线性关系。
在非线性误差不太大的情况下，总是采用直线拟合的办法来线性化。
所谓线性拟和是依据若干实验数据，利用一定的数学方法得到的直线。
当采用的数学方法不同时，拟合直线不同，以此为基准得出的线性度也不同。
常用的线性度有两种:
端点线性度和最小二乘线性度。
（1）端点线性度
将特性曲线的两个端点连成一条直线，作为基准得到的线性度称为端点线性度。
（2）最小二乘线性度
对于n对实际标定数据（x1，yl），（x2，y2），（x3，y3），…，（xn，yn），最小二乘拟合原则是:
△yi=yi-（b+kxi）（i=1，2，…，n）（2-5）
使
使得定点上误差的平方和为最小。
端点线性度的误差分配不均匀,最大误差的数值较大，但计算简单。
最小二乘法线性度的拟合精度高，可以借助计算机来计算。
2、非线性拟合校正法
非线性校正的方法有很多，常使用以下几种校正方法。
（1）分段折线校正法
该方法用一条折线来拟合传感器和检测系统的非线性曲线，如图2-3所示。
图2-3折线拟合
Figure2.3Seetionalfittingoflinear
图中，y是被测量瓦斯的浓度，X电桥输出电压。
用3段直线来逼近系统的非
线性特性。
直线方程为：
y=ax+b（2-6）
式中，a，b是系数。
每段直线段有两个点是己知的，图中直线段中的（xl，yl）、（x2，y2）、（x3，y3）点是已知的，因此通过解下列方程
yi-1=aixi-1+bi（2-7）
yi=aixi+bi（2-8）
就可得到直线段i的系数ai和bi：
（2-9）
在实际应用中，预先把每段直线方程的系数及测量数据（xl，yl）、（x2，y2）、（x3，y3），…，（xn，yn），存入存储器中。
单片机进行校正时，先根据测量值大小，找到合适的校正直线段，从存储器中取出该直线段的系数，然后计算直线方程式，就可获得实际被测量y。
（2）整段校正法
整段校正法也称整段多项式近似法，其核心问题是多项式的生成，即直接用非线性方程进行校正。
由标定传感器所得到的实测数据来推出反映输入、输出关系的多项式，并要求这个多项式的次数尽量低，与实际特性的误差尽量小。
这实际上是个曲线拟合问题。
①最小二乘意义下的多项式拟合
对于n对实验数据（xl，yl）、（x2，y2）、（x3，y3），…，（xn，yn），构成m次多项式
P（x）=ao+a1x+a2x2+
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