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1、毕设瓦斯浓度检测器目录第一章绪论 211瓦斯浓度监测器概述 21.2 瓦斯气体的爆炸 31.3 本课题的研究意义 41.4 本课题的主要工作内容 4第二章 瓦斯浓度检测器的设计要求及设计原理 521系统设计要求 5211技术指标要求 5212隔爆仪表设计要求 5213本设计的功能 622设计原理 6221气体传感器的选择 6222单片机型号的选择 8223 AT89S52单片机的特点 9第三章 瓦斯浓度检测器的设计 1031系统原理框图 1032硬件设计 10321电源模块 10322气体传感器加热及其信号采样 12323传感器信号监测回路及AD转换参考电源 13324模数转换芯片ADC080

2、9的原理及应用 14325MAX7219显示电路 17326看门狗硬件电路 2033软件设计 213.1.1程序流程图 21第四章 总结 22第一章绪论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。瓦斯事故特别是重、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其重要，对易燃易爆混合气体监测系统的研究和开发也成为人们一直关

3、注的问题。11瓦斯浓度监测器概述瓦斯浓度检测器是能够监测矿井环境中瓦斯气体的浓度，具有报警功能和断电功能。本课题中完整的瓦斯浓度检测器由以下四个部分组成：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）断电保护单元：当监测气体浓度超出设定值时，切断所有机器的供电以防瓦斯爆炸。气体传感器是瓦斯浓度检测器的重要组成部分，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

4、器、高分子材料类气体传感器及电学类气体传感器。利用气体的光学特性来监测气体成分和浓度的传感器为光学类气体传感器，根据具体的光学原理可分为红外吸收式、可见光吸收光度式、光干涉式、化学发光式和试纸光电光度式、光离子化式等气体传感器。电化学类气体传感器是利用电化学性质的气体传感器，该类气体传感器包括：定电位电解式、伽伐尼电池式、同体电解质等种类的气体传感器。高分子气敏材料气体传感器主要有高分子电阻式、高分子电介质式、浓差电池式、声表面波式、石英振子式等。利用材料的电学参量随气体浓度的变化而改变的特性制作的气体传感器为电学类气体传感器。这类气体传感器又可分为电阻式和非电阻式两大类，其中非电阻式气体传感

5、器是利用材料的电流或电压随气体含量变化的特点而制成的传感器“1，主要包括MOS-极管式、结型二极管式和场效应管式，而电阻式气体传感器则通常主要有接触燃烧式、热导式、半导体气体传感器等等。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。具体地说，就是采用一个光源，经过适当的光学设计，使其分解为两列光波，

6、一路通过标准空气窜，另一路穿过采样气室后在某处相遇，此时由于满足光的相干条件，从而产生干涉条纹。把两气室都充有空气时的干涉条纹作为初始位置，当CH4气体充入采样窜后，由于光程差的结果，干涉条纹会相对于原位置移动一段距离，并且这个距离将随CH4气体浓度的不同而产生相应的变化。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，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

7、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。该监测方式使用催化载体型气体传感器作浓度的检知器，该元件由铂丝上烧结一层陶瓷载体(如Al204)后再涂覆催化活性物(Rh，Pd等)构成。当Pt丝中通以工作电流使之达到临界反应温度(320350)时，可燃气在元件表面催化燃烧使Pt丝电阻增加a，在完全燃烧且热辐射可忽略时，电阻增量Rf与可燃气浓度C成正比，即有 RF=*a*C*QCp=ktc，(kt=*a*QCP) （1.1），a，Q，C。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kt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

8、阻值变化，转换为电压变化，从而通过AD转换可得到被测气体的浓度值。1.2 瓦斯气体的爆炸 瓦斯爆炸须具备3个条件：浓度、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，当浓度达5%16%时具有爆炸性，浓度为9.5%时，爆炸威力最大，当浓度小于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，当现场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1012mg/浓度达到4%时，遇

9、火就会爆炸。要消除引爆火源，必须严禁明电、明火下井，禁止明火放炮，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。1.3 本课题的研究意义 我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，也是世界上少数几个以煤为主要能源的国家之一。虽然通过煤炭生产、加工和利用等各个环节，提供了相当多的就业机会，但每个环节却同时带来了环境污染、安全等一系列的问题。其中之一便是有害气体影响，包括,CO , 等。后两种气体含量少，且易溶于水，经煤矿开采时的喷水处理后变成酸。但是气体含量多，且几乎不溶于水，属于易燃易爆气体，发生爆炸事极易造成人身伤害。瓦斯()是在成煤过程

10、中形成并大量贮存于煤层之中的气体，对人体的危害是超限时能引起人窒息死亡。其有易燃、易爆等特点，因此煤矿对瓦斯的治理应非常重视。瓦斯的灾害主要表现为四个方面。第一、瓦斯浓度过高，对工人身体健康的影响表现为缺氧，呼吸困难，窒息等。第二、瓦斯煤尘爆炸，瓦斯爆炸所产生的巨大冲击波和高温火焰，往往导致群死群伤，而且扬起的煤尘又会参与爆炸，摧毁巷道，毁坏设备，甚至毁灭整个矿井，给国家和人民生命财产造成巨大损失。第二、煤中瓦斯突出。突出直接影响着工人的人身安全。第四、大量的瓦斯从通风井排入大气，污染大气环境。我国煤矿的瓦斯灾害是比较严重的，瓦斯灾害始终是煤矿安全生产的大敌，日前已成为制约煤矿安全生产的主要矛

11、盾。因此，研制先进适用的煤矿瓦斯气体监测仪对煤矿工业安全生产，减少事故发生和生命财产损失有重要意义，市场应用前景十分广阔。1.4 本课题的主要工作内容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，研发了煤矿气体监测系统主要工作包括：1）甲烷气体传感器的选用2）单片机的选用3）硬件电路的设计4）软件电路的设计第二章 瓦斯浓度检测器的设计要求及设计原理21系统设计要求211技术指标要求本课题对煤矿气体监测仪表及其所用气体传感器在技术指标上的要求如下1)应用环境：煤矿气体监测2)监测对象：监测甲烷气体3)测量范同：甲烷0一104)灵敏度：0015)响应时间：30s6)功耗：lOOm

12、W7)环境工作温度范围：-20一+70C8)环境工作湿度范围：2mV (M：灵敏度)4传感器对多种可燃气体的敏感特性图222表示CH4气体敏感元件对各种气体的反应关系，从图上我们可以看出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。图222输出Vo在不同气体及浓度下的变化曲线5稳定性1)初始稳定性a在空气中的初始稳定性：贮存一周到一年的元件初始零点输出可能不为零，只需在工作点电压稳定十分钟后输出零点将归零；b在气体中的稳定性：贮存一周到一年的元件刚开始工作时灵敏度可能达不到最佳点，只需在工作点电压稳定二十分钟后输出灵敏度将复原。2)长期稳定性图2. 23长期稳定性222单片机型号的选

13、择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如过程控制、数据采集、机电一体化、智能化仪表、家用电器以及网络技术等方面得到广泛应用。从而使这些领域的技术水平、自动化程度大大提高。正因为如此国内外多家电子生产厂商把目光投向了单片机的生产，其中最为著名的当数INTEL公司生产的MCS-51系列单片机。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，工作环境比较恶劣，以及实际的运行情况比较复杂，这些都对

14、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单片机作为监测系统的核心部件，AT89S52单片机是AT89S系列单片机中的一种，它是在现已广泛应用于工业控制等各领域的AT89C52系列单片机的换代产品。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。相信日后它将更广泛地应用于工

15、业控制、汽车控制、智能仪器仪表及电机控制等席用领域。223 AT89S52单片机的特点1)兼容MCS一5l单片机2)8K宁节FLASH存贮器支持在系统编程ISPl000次擦写周期3)256字节片内RAM4)工作电压4OV到6OV5)全静态时钟0Hz到33MHz6)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10)上电复位标志11)完全的双工 UART串行口12)低功耗支持Idle和Powerdown模式13)Power down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

16、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(InSystem Programming)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

17、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。第三章 瓦斯浓度检测器的设计本章将介绍基于甲烷气体传感器的气体监测器的系统原理框图，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。31系统原理框图基于气体传感器的甲烷气体监测器主要由气体传感器、单片机、LED显示器以及报警和断电保护等部分组成，其原理框图如图31所示。采用单片机AT89S52构成气体监测器的核

18、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，通过8只8段LED数码管显示气体浓度。 图31硬件原理框图32硬件设计321电源模块该系统电源电路图如图32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c3C4上有电流倒灌入LM317引起其损坏。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9.58V

19、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I.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与调节引脚之间保持125V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

20、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=125x(I+ADJ端到地的电阻/AIJ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38mA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32中LM1的输出：） （3.1）其中： =1.25V， =1000， =150。数据代入上式得：HVCC=9.5

21、8V。另外LM2的输出： （3.2）其中： =1.25V， =460， =150。数据代入得：VCC=5.08V。图3.2电源模块电路图322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33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，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

22、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： =1.25V， =470， =150，数据代入公式得：VE5.17V图33气体传感器加热及信号采样电路图323传感器信号监测回路及AD转换参考电源传感器信号监测回路及A/D转换参考电源电路图如图34所示，主要由三极管和TL431组成。TL431是TI公司生产的一个有良好的热稳定性能的三端可调精密电压基准集成电路，引脚分别为：阴极(CATHODE)、阳极(ANODE)和参考端

23、(REF)；输出电压范围是25V到36V；典型动态阻抗为02，输出杂波低。在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等等。该器件内部有一个的25V基准源VI，接在内部运放的反相输入端。由运放的特性可知，只有当REF端(同相端)的电压非常接近VI时，三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着REF端电压的微小变化。通过三极管的电流将从l到lOOmA变化。当在REF端引入输出反馈时，器件可以通过从阴极到阳极很宽范同的分流来控制输出电压。需要注意的是，在选择电阻时必须保证TL4311作的必要条件，即通过阴极的电流要大于1mA。图34中，和对VH的分压引

24、入反馈。若输出增大，则反馈量增大，TL431的分流也就增加，从而又导致VH下降。可见，这个深度的负反馈电路必然在VI等于基准电压处稳定，此时TL431的输出： （3.4）其中： =2.5V， =200， =1000。数据代入公式得：VH3V。为了降低系统功耗，用单片机I/O口控制该电源的工作状态。当I/O为高电平“1”时，NPN三极管Q1导通，其集电极为低电平，从而使PNP三极管Q2基极拉低，Q，导通，其射极输出高电平，这样就能满足TL431的工作条件，从而可以得到VH=3V的输出电，当I/O为低电平“0”时。NPN-极管Q1截止，其集电极为高电平，从而使PNP三极管Q2基极为高，Q2截止，这

25、样不能满足TL4311作条件，得到VH=OV的输出电压。图34传感器信号监铡回路及AD转换参考电源电路图324模数转换芯片ADC0809的原理及应用ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。1主要特性1）8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。2）具有转换起停控制端。3）转换时间为100s(时钟为640kHz时)，130s（时钟为500kHz时）4）单个+5V电源供电5）模拟输入电压范围0

26、+5V，不需零点和满刻度校准。6）工作温度范围为-40+85摄氏度7）低功耗，约15mW。2外部特性（引脚功能） ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图所示。下面说明各引脚功能：IN0IN7：8路模拟量输入端。2-12-8：8位数字量输出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。START：A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。EOC： A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为

27、低电平）。OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。REF（+）、REF（-）：基准电压。Vcc：电源，单一+5V。GND：地。图3.5 ADC0809示意图3.ADC0809与单片机的连接ADC0809与MCS-51单片机的连接如图3.6所示电路连接主要涉及两个问题。一是8路模拟信号通道的选择，二是A/D转换完成后转换数据的传送。图3.6ADC0809和单片机的接线图表3.1通道选择表图36所示是其应用电路，其参考电压REF+连接全参考电源VH，REF-接地。ADDA、ADDB、ADDC接地，选择通道0为模拟输入通道，传感器输入信号接到8位模拟输入通道上，8位输出通道接到单片机的并口上。 325MAX7219显示电路本课题中气体监测系统的工作环境是处于比较黑