基于单片机的矿井瓦斯监测系统的设计.docx
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基于单片机的矿井瓦斯监测系统的设计
摘要
近年来，随着我国经济的快速发展，煤炭的消费量持续增长，特别是近几年，煤炭的价格在不断提升，对煤炭的产量提出了更高的要求。
但是，在实际的煤炭生产中，矿难事故不断发生。
我国煤炭生产中每年的矿难死亡人数近万人，因此，我们不得不将更多的注意力放到煤炭生产的安全方面。
矿难的原因有多种多样，其中由于瓦斯而引起的矿难事故占到了相当大的一部分。
本设计就基于AT89S52单片机的矿井瓦斯检测系统的研究。
本设计以AT89S52单片机为核心，并结合外围元件甲烷传感器、A/D转换芯片、LCD液晶显示器等组成。
设计出实现对甲烷的识别、阈值报警及浓度显示的矿井瓦斯检测系统。
它将气体的成分、浓度等有关的信息转换成电信号，从而可以进行检测、监控、报警。
目前，人们对气体传感器的测试方法主要停留在人工手动操作，因此开发出一种实用高效的智能化传感器测试装置是极为必要的。
本设计利用Protel软件设计电路，运用Keil软件对它编程，利用Proteus仿真来实现其功能。
实验证明，本设计不但操作方便，而且还能更好的防御和减少由于瓦斯而引起的矿难事故。
关键词：
单片机；传感器；甲烷；报警
MineGasDetectionSystemBasedonSingleChipDesign
ABSTRACT
Inrecentyears,withChina'srapideconomicdevelopment,coalconsumptioncontinuedtogrow,especiallyinrecentyears,coalpricesrising,hasputforwardhigherrequirementsforthecoalproduction.However,intheactualproductionofcoal,coalmineaccidentscontinuetooccur.TheannualcoalproductioninChinakillednearlytenthousandpeople,therefore,wehavetopaymoreattentiontothesafetyofcoalproduction.Minereasonsarevaried,whichcausedbythegasaccidentsaccountedforaconsiderableportionof.ThedesignisbasedontheresearchofcoalminegasdetectionsystembasedonAT89S52.
ThisdesignusesAT89S52microcontrollerasthecore,combinedwithperipheralcomponentofmethanesensor,A/Dconverterchip,LCDliquidcrystaldisplayetc..Designofminegasdetectionsystemdisplayandconcentrationofrecognition,onmethanealarmthreshold.Itthegaseouscomponent,thedensityandsoontherelatedinformationtransformedtheelectricalsinal,thuswasallowedtocarryontheexamination,themonitoring,reportstothepolice;Atpresent,thepeopletoweremadthesensitivesensortherestmethodmainlypausesisusingtheartificialmanualwaytooperate,developsonekindofpracticalhighlyeffectiveintellectualizedsensortestingdeviceisextremelyessential.ThisdesignusingPortalsoftwarecircuitdesign,usingKielsoftwaretoprogramming,toachieveitsfunctionbyusingProteussimulation.Experimentsprovethatthisdesignnotonlyconvenientoperation,butalsobetterdefenseanddecreaseduetogasaccidents.
Keywords:
MCU;Sensor;Methane;Alarm
1绪论
1.1本设计所研究的背景及意义
随着我国经济的快速发展，煤炭的消费量持续增长，特别是近几年，煤炭的价格在不断提升，对煤炭的产量提出了更高的要求。
但是，在实际的煤炭生产中，矿难事故不断发生。
我国煤炭生产中每年的矿难死亡人数近万人，因此，我们不得不将更多的注意力放到煤炭生产的安全方面。
矿难的原因有多种多样，其中由于瓦斯而引起的矿难事故占到了相当大的一部分。
瓦斯是多种易燃易爆气体的总称，其主要成分是甲烷，它是在成煤过程中形成并大量贮存于煤层中的气体，浓度过高时会导致人缺氧、呼吸困难、窒息等。
当它与空气混合的百分比达到3.5%到16%时，遇到明火就会发生爆炸，给国家和人民的生命财产造成巨大的损失。
所以，对瓦斯的浓度进行实时的检测和报警以及对其采取相应的控制措施在煤矿系统中有着非常现实的意义。
由于我国检测技术应用较晚，所以我国当前对瓦斯的检测设备还存在很多的问题，例如，检测设备的寿命周期短，易受矿井不良坏境的影响并且会导致检测设备的工作性能不稳定、检测结果不准确，容易出现误报警等现象，维护周期短且费用高。
考虑到现代单片机的体积小、集成度高、速度快、稳定性好、价格低且应用领域广等特点，所以基于单片机的矿井瓦斯检测系统设计是势在必行的。
本设计中是以AT89S52单片机作为硬件电路核心开发出一种操作简单的检测系统来实现对甲烷的识别、浓度监测、阈值报警以及浓度显示，为更好的防御和减少由于瓦斯而引起的矿难事故。
AT89S52不仅具有AT89C51的全部功能，而且还增加了高可靠性、安全性的功能。
从经济的角度来看，AT89S52不但硬件结构简单，并且价格低、功能强、性价比高，符合我国工业设计制造的要[1]。
1.2国内外的发展状况
世界各国均有煤矿瓦斯监测系统，如法国的TF200、德国的MINOS、英国的Senturion-200、美国的HIMASS等。
国外的监控系统技术理论上讲高于国内的发展水平，但要用于国内的煤矿生产中还有一定的局限性，我们可在技术上借鉴和参考。
1815年，当时工业最发达的英国发明了安全灯，它是利用火焰的高度测量瓦斯的浓度。
1897年瑞典造出了第一台容积压力式瓦斯浓度测量仪。
随着矿井开采深度的增大和检测技术的发展，矿井安全设施也得到了进一步的提高，1927年日本制造出光干涉原理甲烷检定器，此后又逐渐出现热催化、热导原理等各种不同原理的瓦斯检测仪器，其测量精度也越来越高，检测的方式也从“间断”、“就地”检测发展到“连续”、“集中自动”遥测。
1961年以后，前苏联、英、法、美、日、德等国家对其进行改进研究，并从此作为瓦斯检测的主要工作方向。
我国瓦斯监测监控技术的研究工作起步较晚，国内第一台催化原理的瓦斯报警器是1958年出现，采用铂丝元件位传感器。
1961年，由北京劳动保护研究所和和抚顺煤矿安全仪器厂协作开展了研究工作，于1964年研制出我国第一个达到实用水平的载体催化元件，接着制成了以这种元件位传感器的AQR-1型瓦斯测量仪。
随着电子计算机技术的应用，一套监测系统除了能检测出甲烷的浓度外，还可测一氧化碳、氢气的浓度，同时又可以对井下设备的工作状态进行监控。
代表了我国煤矿瓦斯监控技术水平的系统有以下系统：
KJ90NB系统、KJ101N系统、KJ333系统、KJ95N系统等，其技术水平主要表现在软硬件的功能、稳定性与可靠性、专业技术的服务能力、企业的性质以及生产规模等方面。
目前主要有三类瓦斯检测系统在我国矿井中正在被运行：
一是上世纪80年代初期，引进了一批英、法、美、波兰等国家的安全监控系统，并通过消化和吸收研制出适用于我国煤矿实际情况的监控系统，由于当时技术水平低和维护跟不上等原因系统已面临更新改造的机遇；二是20世纪90年代后期，国内各主要科研单位和生产厂家又相继推出了MSNM、WEBGIS、KJF2000等监控系统，但是整个系统的信息传输速率最高只能达到5000bps；三是21世纪以来，各个瓦斯监控系统生产厂家都在原有基础上推出了升级系统[2]。
因此，根据我国的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，而且基于单片机的矿井瓦斯监测系统的研究和开发生产具有十分广泛的现实市场和潜在的市场需求。
1.3本章小结
通过以上，了解了矿井瓦斯检测系统在国内外的发展情况和发展趋势，对矿井瓦斯检测系统有了一个新的认识，也明确了在研究本设计时需要做哪些方面的研究，知道了研究矿井瓦斯检测系统是很有意义的，增加了更多的热情和动力去完成本设计。
2矿井瓦斯检测系统的方案设计
2.1本设计的性能指标
显示功能：
检测到瓦斯时就会显示其浓度。
瓦斯浓度监控功能：
采用模拟系统，设定阈值为某值，当瓦斯浓度达到这一值时，蜂鸣器响同时灯亮给工作人员信号。
复位功能：
设备出现故障或者需要调整时，按复位键实现初始化。
2.2转换芯片的选择
A/D转换器是监测系统中一个非常重要的一个环节，它的种类多、性能各异、引脚功能也各不相同。
本设计采用ADC0809，其管脚引脚图如图2-1所示，它的分辨率为八位。
ADC0809具有8个通道的模拟输入线（IN0～IN7），可在程序控制下对任意通道进行A/D转换，获得8位二进制数字量（D7～D0）。
模拟输入部分有8路多路开关，可由3位地址输入ADDA、ADDB、ADDC的不同组合来选择，ALE为地址锁存信号，高电平有效，锁存这三条地址输入信号。
主体部分是采用逐次逼近式的A/D转换电路，由CLK控制的内部电路的工作,START为启动命令，高电平有效，启动ADC0809内部的A/D转换，当转换完成，输出信号EOC有效，OE为输出允许信号端，高电平有效，打开输出三态缓冲器,把转换后的结果送DB。
本设计所采用的CMOS单片型逐次逼近式的A/D转换器为ADC0809，它由以下的电路所组成，即8路模拟开关、比较器、地址锁存器和译码器、8位开关树型D/A转换器、三态输出锁存器、逐次逼近寄存器等。
所以，该A/D转换器能处理8路模拟量的输入，并且还有三态输出得能力，不仅能连接各种微处理器，还能单独工作。
其输入输出与TTL兼容。
ADC0809芯片采用了双列直插式的封装，拥有28条引脚，各引脚功能说明如下：
IN0～IN7：
8路模拟量的输入端口；
D0～D7：
8位数字量的输出端口；
ADDA、ADDB、ADDC：
3位地址的输入线，作为选通8路模拟输入中的一路。
ALE：
地址锁存允许信号输入端，上升沿有效,当此信号有效时，A、B、C三位地址信号被锁存，译码选通对应模拟通道。
在使用时，该信号常和START信号连在一起，以便同时锁存通道地址和启动A/D转换；
START：
启动信号输入端，负跳变有效；
EOC：
转换结束信号输出端，正在转换时为低电平，转换结束时为高电平；该信号可作为被CPU查询的状态信号，也可作为对CPU的中断请求信号。
在需要对某个模拟量不断采样、转换的情况下，EOC也可作为启动信号反馈接到START端，但在刚加电时需由外电路第一次启动；
OE：
输出允许控制端，输入高电平有效，用以打开三态数据输出锁存器在中断工作方式下，该信号往往是CPU发出的中断请求响应信号；
CLK：
时钟信号输入端。
要求时钟频率不超过640kHz；
REF（+）、REF（-）：
基准电压输入端,它们决定了输入模拟电压的最大值和最小值；
VCC：
工作时电压为＋5V；
GND：
接地。
ADC0809引脚图如图2-1所示,它的主要特性有：
（1）8路8位A/D转换器，分辨率为8位；
（2）具有转换起停的控制端口；
（3）转换时间大约是100μs；
（4）单电源供电，供电电压为＋5V；
（5）模拟输入的电压范围是0～＋5V，不需要满刻度与零点校准；
（6）工作温度的范围是-40℃～＋85℃；
（7）低功耗，大约是15mW；
（8）输出与TTL兼容；
（9）可锁存三态输出，能与8位微处理器接口；
图2-1ADC0809管脚图
ADC0809的工作过程是：
当模拟量送至某一输入通道IN0后，CPU将标识该通道编码的三位地址信号经数据线或地址线输入到ADDC、ADDB、ADDA引脚上。
然后输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。
START上升沿将逐次逼近寄存器复位。
下降沿启动A/D转换，然后EOC输出信号变低，进行指示转换，直到完成A/D转换。
转换开始,EOC变成高电平，指示A/D转换的结束，此时结果数据已存入了锁存器，该信号可以用作中断申请。
转换结束,OE输入高电平，EOC可作为中断请求信号,转换结束后，可通过执行IN指令，设法在输出允许OE脚上形成一个正脉冲信号，使得输出三态门打开，转换结果的数字量就会输出到数据总线上[3]。
2.3显示模块的选择
本设计应该选择比较熟悉的LCD1062。
液晶显示器（LCD）,采用LCD1602可以显示文字，也可以显示数据。
在课程设计中经常用到它，因此，大家对液晶显示器并不陌生。
在基于单片机矿井瓦斯检测系统中采用液晶显示器作为显示器件具有质量高、重量轻、数字式接口、体积小、功耗低等优点，因此，LCD逐渐的成为各种便携式电子产品的理想显示器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，其不仅廉价，而且显示的内容丰富美观，很好的取代了LED数码管。
1602型LCD外形图如下图所示：
图2-21602LCD外形图
液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对显示区域进行控制，只要输入所需的控制电压，就可以显示出字符来。
LCD能够显示字符的关键在于其控制器，目前大部分点阵式LCD都使用日立公司的HD44780集成电路作为控制器。
HD44780是集驱动器与控制器于一体，专用于字符显示的的液晶显示控制驱动集成电路，这便是LCD显示的基本原理。
本设计所采用的液晶显示器为1602LCD，其具有16脚（带背光）接口，各引脚接口的说明如表2-1所示:
表2-11602LCD各引脚接口的说明
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
数据
2
VDD
电源正极
10
D3
数据
3
VO
液晶显示偏压
11
D4
数据
4
RS
数据/命令选择
12
D5
数据
5
R/W
读/写选择
13
D6
数据
6
E
使能信号
14
D7
数据
7
D0
数据
15
A
背光源正极
8
D1
数据
16
K
背光源负极
第1脚：
VSS为电源地。
第2脚：
VDD接正电源，为5V。
第3脚：
VO是液晶显示器对比度调整的端口，使用时可以通过一个10K的滑动变阻器来调整对比度。
第4脚：
RS为寄存器的选择端口，当为高电平时就选择数据寄存器、当为低电平时就选择指令寄存器。
第5脚：
R/W为读写信号端，当为高电平时进行读操作，当为低电平时进行写操作。
当RS和R/W同时为低电平的时候就可写入指令或显示地址，当R/W为高电平RS为低电平的时候就可读忙信号，当R/W为低电平RS为高电平的时候就可写入数据。
第6脚：
E端口是使能端，当E端口从高电平跳变为低电平的时候，液晶显示模块就会执行命令。
第7～14脚：
D0～D7是8位的双向数据线。
第15脚：
背光源正极。
第16脚：
背光源负极[4]。
1602液晶模块内部的控制器总共有11条控制指令，如表2-2所示：
表2-21602LCD的指令说明
序号
指令
RS
R/W
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
1
清显示
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
2
光标返回
0
0
0
0
0
0
0
0
1
*
3
置输入模式
0
0
0
0
0
0
0
1
I/D
S
4
显示开/关控制
0
0
0
0
0
0
1
D
C
B
5
光标或字符移位
0
0
0
0
0
1
S/C
R/L
*
*
6
置功能
0
0
0
0
1
DL
N
F
*
*
7
置字符发生存贮器地址
0
0
0
1
字符发生存贮器地址
8
置数据存贮器地址
0
0
1
显示数据存贮器地址
9
读忙标志或地址
0
1
BF
计数器地址
10
写数到CGRAM或DDRAM）
1
0
要写的数据内容
11
从CGRAM或DDRAM读数
1
1
读出的数据内容
1602液晶模块是通过指令编程来实现读写操作、屏幕以及光标的操作。
（说明：
1为高电平、0为低电平）
指令1：
清显示，指令码是01H,光标复位到的地址为00H位置。
指令2：
光标复位，光标返回到的地址为00H。
指令3：
光标与显示模式设置I/D：
光标的移动方向是高电平时右移，低电平时左移。
S:
屏幕上的所有字符是否向左或右移动，其中高电平为有效，低电平则无效。
指令4：
显示开关控制。
D：
控制整体显示的开和关，当高电平时为开显示，低电平时为关显示C：
控制光标的开和关，当高电平时有光标，低电平时无光标B：
控制光标是否闪烁，当高电平时闪烁，低电平时则不闪烁。
指令5：
光标或者显示移位S/C：
当高电平的时候移动显示的字符，低电平的时候移动光标。
指令6：
功能设置命令DL：
当高电平的时候为4位总线，低电平的时候为8位总线N：
当低电平的时候为单行显示，高电平的时候为双行显示F:
当低电平的时候显示的是5x7的点阵字符，高电平的时候显示的是5x10的点阵字符。
指令7：
字符发生器RAM地址设置。
指令8：
DDRAM地址设置。
指令9：
读忙信号与光标地址BF：
为忙标志位，当高电平的时候表示忙，这时模块不可以接收命令或数据，当低电平的时候则表示不忙。
指令10：
写数据。
指令11：
读数据[5]。
2.4传感器的选择
瓦斯浓度检测仪的分类有红外线式、光干涉式、声速差式、气敏半导体式、热导式、热催化式。
（1）红外线式
红外线式是利用瓦斯的气体分子能吸收一定波长的红外线来检测瓦斯浓度的。
它的优点是精度高、选择性好、不受其它气体的影响，不但测量范围大而且还可以连续检测；缺点是仪器的制造和保养困难，体积大，成本高，功率大，因此广泛使用会受到一定的限制。
（2）光干涉式
光干涉式是利用光波对空气和瓦斯气体的折射率不同所产生的光程差，引起干涉条纹移动来实现对不同瓦斯浓度的检测。
它的优点是精度高，不但耐用而且还容易校正；缺点是不能直观的显示瓦斯浓度值，容易受气压和温度的影响，制造和维修成本较高、实现自动检测比较困难。
（3）声速差式
在温度为22℃、气压为101325Pa条件下，声波在瓦斯中的传播速度为432m/s，而在清洁空气中为3m/s。
通过这一特点来比较这两种速度就可检测出高浓度瓦斯。
它的优点是读数不但不受气压影响，而且还对背景气体、粉尘及气温变化很敏感；缺点是很难测出低浓度的瓦斯气体，一般只用来检测矿井抽放瓦斯管道中的瓦斯浓度。
（4）气敏半导体式
气敏半导体的种类较多，例如氧化锌、氧化锡等烧结型金属氧化物。
其原理是利用气敏半导体被加热到200℃时，它表面能够吸附瓦斯气体而改变其电阻值来检测瓦斯浓度的。
其优点是对微量瓦斯比较敏感，结构简单、成本低。
但当浓度较高时，反应就会变慢，选择性和线性也差，因此它几乎不用于矿井瓦斯浓度的检测。
（5）热导式
热导式是利用瓦斯与空气热导率之差来实现瓦斯浓度的检测。
它的优点是热导元件和仪器设计制作比较简单，成本低、量程大，可连续检测，读数稳定，器件寿命长；缺点是瓦斯浓度较低时输出信号小，受气温影响比较大。
（6）热催化式
热催化式是利用瓦斯在催化元件上的氧化生热引起其电阻的变化来检测瓦斯浓度的。
它的优点是元件和仪器的生产成本低，输出信号大，仪器的结构简单，受温度变化的影响小，容易实现自动检测；缺点是元件的寿命较短。
目前国内外检测瓦斯的仪器广泛采用这一原理[6]。
因此要进行—项相对具体的测量工作时，必须要考虑采用哪一种原理的传感器，采用的时候需要考虑到多方面的因素，之后才能确定。
由于测量同一物理量时，也可选用多种原理的传感器。
在选用合适的传感器时，要考虑被测量的特点以及所选传感器的使用条件，例如传感器量程的大小；传感器的体积要适用被测位置；是采用接触式还是非接触式测量方式等。
对于上述问题的分析之后，本设计决定采用MQ-4传感器。
2.5总体结构设计
本论文的整个设计的系统可分为复位电路、时钟电路、AD转换电路、显示电路、报警电路、单片机这六个部分。
为了更好地说明本设计的体系结构，特别地用一个构件图来说明。
如下图所示。
图2-3总体构件图
2.6本章小结
本章对本设计所需要的硬件做了明确地选择，通过比较同一类型中的各个器件，选择出了它们当中最适合本设计要求使用的器件，在对各个器件作选择的同时，对各个器件的原理、结构、优势等都有了一个新的了解和认识，为本设计进一步的研究作了很好的基础。
3硬件电路设计
3.1单片机最小系统设计
3.1.1AT89S52单片机简介
随着计算机技术的发展，单片机因具有集成度高、体积小、速度快、价格低等特点而在许多领域应用，以致在这些领域中的技术水平和自动化程度大幅度提高。
在众多的单片机生产商中，较为著名INTEL公司所生产MCS-51系列单片机有着广泛的应用。
通过考量控制系统的目标、可靠性、性价比、功能、精度以及速度来选择单片机的型号，根据本设计的情况，单片机的型号选择可从两方面考虑：
一是要具有较高的性价比；二是要具有较强的抗干扰能力。
本设计采用ATMEL公司生产的AT89S52单片机作为监测系统的核心器件，它是AT89S系列单片机的一种，具有AT89C52系列单片机的全部功能。
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了更高的稳定性和更强的电磁抗干扰能力。
首先，看门狗电路增加到了AT89S52的内部，这使得用户应用系统更加坚固，同时也提高了系统的可靠性：
其次，拥有特殊双数据指针的AT89S52使其数据操作更加的快捷与方便；再次，AT89S52运行速度变得更高，最高晶振可达到33MHZ；最后，AT89S52支持ISP（In—SystemProgramming）在线下载的功能。
AT89S52中ISP共有4个引脚：
RST、MOSI、MISO和SCK。
使用者能直接
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