毕设瓦斯浓度检测器文档格式.docx

1、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注的问题。1.1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

2、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

3、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

4、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，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CH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

5、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。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Al 204）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（320 350C ）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（1.1 ） FF=a *a*C*Q/Cp

6、=ktc，（kt = a *a*Q/C）a，a，Q Cu。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瓦斯气体的爆炸瓦斯爆炸须具备3个条件：CH4浓度、C02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C

7、H4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/M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

8、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CH4,co , S02等。后两种气体含量少，且S02易溶于水，经煤矿开采时的喷水处理后变成酸。但是CH4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（CH4）是在成煤过程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

9、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

10、路的设计2.1系统设计要求2. 1. 1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 10% 4）灵敏度：0. 01%5） 响应时间：W 30s6） 功耗：W lOOmW7） 环境工作温度范围：-20 一+70C8） 环境工作湿度范围：95% RH 2. 1. 2隔爆仪表设计要求煤矿井下工作环境特殊，空间狭窄，湿度大，有易燃易爆的瓦斯和煤尘，所以，煤矿 电器同一般电器有较大的区别。这就对煤矿电器有特殊要求，如体积要小，易于搬运，坚 固，防潮防水，防爆。属于煤矿安全标志管理目录内的矿用产品

11、应有安全标志，电气设备 必须符合防爆要求，应有接地、过流、漏电保护装置。隔爆型仪表的主要特点是有一个可靠的隔爆外壳，它将把可能产生火花和危险温度的 仪表传感器、电阻电路及接线端子等，都放在隔爆外壳里，达到外壳内可能发生的爆炸小 影响周围易燃易爆物质，它的设计方法与隔爆型电器和电机基本相类似。如外壳的再配合 面（隔爆面）的间隙大小和长度要符合 GB3836 2标准规定要求，另一方面外壳要有一定的机械强度，须达到外壳内部爆炸参考压力的 1. 5倍压力不损坏和变形等。隔爆型仪表设 计须注意如下几个方面：（1）确定合理的外壳结构根据仪表的特点，专门设计与原结构相适应的外壳，达到既不损害仪表原来使用特征

12、 又经济合理的外壳：外壳腔内有细长通道，避免腔内发生压力重叠现象；外壳的材质采用 新型的工程塑料和优质轻合金，结构轻巧。（2）接线盒结构隔爆型仪表设计带有接线盒的隔爆外壳，且接线盒的防爆类型为隔爆型。由于隔爆型 仪表具有低电压、小电流特点，隔爆型仪表的主腔和接线盒贯通部分，可以尽量采取橡胶 密封结构，使隔爆型仪表结构简单，加工方便。（3）指示表结构为了使井下工作人员及时地了解瓦斯浓度数据，隔爆型仪表带有指示表。指示表设计在仪表的主腔室，透明窗面积不大于 lOmrn，透明玻璃厚度大于8mm与外壳密封采用橡胶密封措施。2. I . 3本设计的功能在本设计中，瓦斯浓度检测器是能够监测 CH4同时本着

13、方便应用的原则，还具备声光报警和切断外部设备电源的功能。基于这些要求，仪表应由传感器、 A/D转换、单片机、继电器、显示器及报警模块等组成。2. 2设计原理2. 2. 1气体传感器的选择本设计采用镇江中煤电子有限公司研发无火焰燃烧式 CH4气体传感器。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

14、. 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。1.元件使用环境条件:大气压力：80-116 KPa 2.零点输出:V。 0mV- +20mV（V。：空气中的输出电压） 3 .灵敏度:M2mV （M 灵敏度）4.传感器对多种可燃气体的敏感特性图2. 2. 2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2. 2. 2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

15、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. 2 . 3长期稳定性2. 2. 2单片机型号的选择MCS-5係列单片机。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

16、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 ATME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业控制、汽车控制、智能仪器仪表及电机控制等席用 领域。2.2. 3 AT89S52单片机的特点 1）兼

17、容MCS- 51单片机 2）8K宁节FLASH存贮器支持在系统编程ISP1000次擦写周期3） 256字节片内RAM4） 工作电压4. OV到6. OV5） 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Power down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备更高的稳定性和电磁抗干扰性。首先， AT89S52

18、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 System Programming）在线下载功能。AT89S52中 ISP 引脚共有 4 个：RSTMOSIMISO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AT89S52不过多

19、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, 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。3.1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 3. 1所示。采用单片机 AT89S52构成气体监测器的核心部分，根据气体传感

20、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3. 1硬件原理框图3. 2硬件设计3.2. 1电源模块该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

21、9.58V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，

22、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（l+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 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LM1的输出:（3.1 ）其中：电产1.25V，R讦1000Q，

23、R2=150Q。数据代入上式得：HVCC=9.58V 另外LM2的输出:（3.2 ）叭甘=1.25V，R3=460Q4 =15OQ。数据代入得：VCC=5.08VCITCC图3.2电源模块电路图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Rl为取样电阻。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, 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

24、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）Vd=1.25V, R!j=470Q,陷=150Q,数据代入公式得：VE5.17V图3. 3气体传感器加热及信号采样电路图3. 2. 3传感器信号监测回路及 A/D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3.4所示，主要由三极管和TL431组成。TL431是TI公司生产的一个有

25、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（REF）;输出电压范围是2. 5V到36V;典型动态阻抗为0. 2Q,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2. 5V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I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

26、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3. 4中，氏和Ru对VH的分压引入反馈。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：VH = （1 +豈）（3.4 ）齐寸=2.5V, R=2OOQ, &3=1000Q。数据代入公式得:V* 3V。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，NPh三极管Q1导通，其集电极为低电平，从而使 PNL极管Q2基极拉低，Q导通,其射极输出高电平，这

27、样就能满足 TL431的工作条件，从而可以得到 VH=3V勺输出电，当I/O为低电平“ 0”时。NPN-报管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，这样不能满足TL4311作条件，得到VH=O的输出电压。图3. 4传感器信号监铡回路及A/D转换参考电源电路图3. 2. 4模数转换芯片ADC080啲原理及应用ADC0809是美国国家半导体公司生产的 CMO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2

28、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 640KHZREF（ +）、REF（-）：基准电压。Vcc：电源，单一 +5V。GND 地。1曲f 2INIK5 J425kADP A3ADD B专cqc-7聲FauOUTPtiT 币仮&M丫优1S何 E1：17lsbGMl-nIfcri图3.5 ADC0809示意图3.ADC0809与单片机的连接ADC0809f 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。