基于51矿用瓦斯检测报警器软件设计本科毕业设计.docx

1、基于51矿用瓦斯检测报警器软件设计本科毕业设计本科毕业设计论文题目：基于51矿用瓦斯检测报警器软件设计基于51矿用瓦斯检测报警器-软件部分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、石油价格的腾升，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、特大伤亡事故也不断发生。在这些事故中，瓦斯爆炸又占绝大多数。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。本课题以AT89C52单片机作为硬件电路核心，研制煤矿瓦斯(CH4)监测系统，开发出实现对CH4识别、浓度检测、阀值报警以

2、及实时上传数据至地面监控PC，通过界面显示报警。论文首先阐述了CH4检测系统的发展及现状，通过对无火焰燃烧式CH4传感器的原理分析确立了系统的研发方向；接着介绍了检测系统的设计要求，由于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，煤矿电气设备必须符合防爆要求，应有接地、过流、漏电保护装置。在此基础上，详细论述了瓦斯气体监测系统的系统软件设计及实用分析。本课题采用具有较高性价比的单片机AT89C52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。关键词：AD转换；数据处理显示；键盘处理；声光报警Rep

3、ort to the police a machine with the gas examination according to 51 minerals-Software partAbstractEnergy industry is the vitals of our countys economy development. In Recent years，in company with petroleum resources shortage,petroleum prices grow rapidly. The importance and unsubstitutability of co

4、al industry increase everyday. But Chinese coal industry safety inproduction refuse optimism，as serious casualty repeatedly appeared in the newspaper. Gas explosion occupy the most part of those accident. It is sure that many factors caused that，but each colliery enterprises lack of safety monitorin

5、g equipment,ladder of management lag are the one of substantial reasons.The dissertation developed a instrument that can detect the CH4 aerometry as well as whether the consistency reach the alarmthre shold, then send the data to the monitoring PC，use the powerful data analysis ability of PC and gre

6、y theory to forecast the CH4 aerometry. First of all, the dissertation expounds the development and actuality of CH4 instrumentation. Then introduce the design requirement of theInstrumentation, because collierys underground working environments high humidity,has flammable and detonable gasses and s

7、mut，particularly With other locations working environment，so the electric installation must conform blast protection requirement and must have grounding,overflowing,creepageprotector.At third chapter，the dissertation Elaborated the CH4 detection instruments hardware and software.Keyword: AD convert;

8、 The data processing show; The keyboard handle; The sound and light report to the police.1 绪论1.1前言随着煤矿业的发展，对于煤矿开采的安全要求也越来越被人们所重视，据统计，新中国成立以来，全国煤矿共发生一次死亡百人以上的矿难19起，其中瓦斯矿难15起，占79%。为了防止瓦斯爆炸事故，人们使用了多种检测方法和检测仪器 ，但这些仪器有的被安装在一个固定点，有的配有专职检查员，只能进行定点定时检测，它的检测范围和时间往往受到检测人员的限制，而且一旦出现故障，直接危害井下人员的安全。在高浓度瓦斯矿井与综合机械

9、化采煤工作面，更迫切需要一种能连续，自动检测瓦斯的仪器。单片机控制的便携式瓦斯检测报警器体积小，功耗低，可由井下流动工作人员随身携带，使用方便，随时检测并显示瓦斯浓度，当瓦斯浓度超限时，自动发出报警，提醒人员离开。1.2 矿用瓦斯检测系统的国内外研究情况1.2.1 国内研究情况煤矿生产安全监控系统虽在国内已有生产和应用，但还没有一种真正适合于中小型煤矿使用的产品，我国从八十年代初期开始引进煤矿生产安全监控系统，历经了直接引进、消化吸收、仿制配套、自主开发的过程，但迄今为止的产品大多都是面对大型矿井设计的，而且自身尚有一些有待解决的问题，如:造价高，系统最基本的配置过于庞大，运行费用大传感器测量

10、稳定性差，调校频繁，寿命短系统安装、维护复杂，操作不便，人机界面较差1.2.2 国外研究情况国外的监控系统技术理论上讲高于国内发展水平，但应用于国内煤矿尚有一定的局限性，如煤矿管理模式生产方式的不同，价格过高不适于国内煤矿现有条件，除在传感器技术方面可供借鉴外，其它仅具一定的参考价值。综上所述，根据我国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。沼气(甲烷CH4的俗称)矿井在我国煤矿生产矿井中所占比重很大，随着矿井开采强度和深度的增加，沼气涌出量也在不断增加，沼气积聚可能引起沼气事故，及时掌握煤矿井下沼气动态是一件十分重要的工作。甲烷浓

11、度检测仪器就是用来监视矿井沼气动态的有效工具。1.3 本课题的设计目的设计的主要目的具体地说，就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机，根据不同的需要由计算机进行相应的计算和处理，得出所需的数据。与此同时，将计算机的数据进行显示，然后根据设定的瓦斯浓度报警值进行浓度检测，以便实现对瓦斯浓度的监视，如果超过报警值，则声光报警，若没有超过报警值，则继续进行检测。矿用瓦斯监测报警器系统至少应具备以下设备和功能:1.传感器检测要素的采集，转换转换后电信号的处理，加工2.传输系统信号的远距离传送信号的调制和解调3.计算机系统信号的采集数据的处理1.4本课题的研究意义我国

12、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CH4，CO，SO2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。因此，认识并研制检测这种气体的新型系统，显得非常重要。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，是煤矿井下危害最大的气体。瓦斯是一种无色、无味的气体，对人体的危害是超限时能引起人窒息死

13、亡。且有易燃、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。第三、煤中瓦斯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，目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气体检测系统对煤矿工业安全生产，减少事故发生和

14、生命财产损失有重要意义，市场应用前景十分广阔。2 瓦斯检测报警器的方案设计2.1系统总框图及方案瓦斯检测报警器采用催化燃烧型传感器来检测空气中CH4气体的浓度。载体催化燃烧式传感器一般被制成一个便于测量的探头，探头可以单独设置，也可以作为一个独立单元装配在仪器内使用。探头内部的主要元件是黑元件(催化元件)和白元件(补偿元件)，两个元件分别配置在电桥电路中，作为一组桥臂，另一组桥臂是两个固定电阻，作为电桥的比率臂。与黑白元件相对应，为使电桥在无甲烷状态下处于平衡状态，桥路内装有调零电位器W。此外，传感器电源应是经过稳压的稳压源。黑元件是载体催化燃烧式元件，当甲烷气体在元件表面与氧气产生无焰燃烧时

15、，电桥失去平衡，输出一个电压信号。白元件是补偿元件，基本结构和技术参数与黑元件相同，但表面不涂镀催化剂，所以，它不参加低温燃烧。但由于它处于与黑元件相同的工作环境中，所以，对非甲烷浓度变化引起的催化元件阻值变化起补偿作用，以提高仪器零点稳定性和抗干扰能力。使用时一般将黑白元件串联，作为电桥的一臂，用普通电阻构成电桥的另一臂，电桥的两端加上稳定的工作电压U。当含有甲烷的空气在高温和催化剂的作用下，发生无焰燃烧，而在白元件上则不致使甲烷燃烧，从而使黑元件的温度比白元件的温度高，黑元件中的铂丝既是加热元件，又是感应温度的热敏元件，根据铂丝的正温度系数的特性，温度升高时电阻增大，黑元件上的电压降即增大

16、，电桥失去平衡，输出一个电压信号U，该电压值的大小反映了甲烷浓度的高低，检测此电压便可测量出甲烷浓度。仪器由电源电路、甲烷气体敏感元件及电桥电路、放大电路、A/D转换电路、显示电路及报警/断电电路组成。仪器将关联设备送来的电源稳压为5V电压，供给整机电路使用。甲烷气体敏感元件是采用热催化原理探头，电桥供电电压为3V。黑白元件的工作原理是：黑白元件由测量元件和补偿元件构成，测量元件的表面有黑色的催化剂。工作时黑白元件有工作电流通过而发热，空气中的甲烷在高温的测量元件的催化剂作用下，发生无焰燃烧。甲烷浓度越高，测量元件的温度越高，而补偿元件的温度不变。测量电桥输出与甲烷浓度成比例的信号电压。电桥信

17、号电压经过放大和A/D转换后，变成数字信号，经单片机处理后，由显示电路显示甲烷浓度值，并经信号输出电路输出相应的频率信号。报警/断电电路由蜂鸣器、发光二极管和驱动电路构成。当甲烷浓度超过设定的报警点时，仪器会发出声光报警信号。当甲烷浓度超过设定的断电点时，仪器会有断电指令输出；甲烷浓度超过断电点以后，只有当甲烷浓度降低到设定的复电点以下时，仪器才会解除断电指令输出。系统框图如图2.1所示： 图2.1 瓦斯监测报警器的工作原理图2.2 技术指标要求（1）正常工作环境条件a) 温度：(040)；b) 相对湿度：98（+25）；c) 大气压力：(80116)kPa；d) 风速：不大于8m/s。（2）

18、能承受的最恶劣的贮运条件a) 高温：60； b) 低温：40； c) 平均相对湿度：93%（25）； d) 振动：加速度50/2；e) 冲击：峰值加速度500/2。（3）主要技术参数a）工作电源：924VDC b）Ui：18.5VDC Ii：100mA ；Ci: 0.1F Li:1.0mHc)输出信号制式：频率型2001000Hzd)传感器使用电缆的单芯面积为1.5mm2 ，传输距离2km，电缆分布参数：L0 ：1.0mHe)C0 : 0.1F 电阻R12.8/kmf)测量范围：04%CH4（4）传感器以百分体积浓度表示测量值，采用数字指示测量数值，其分辨率为0.01CH4，并能表示显示值的正

19、或负。（5）在甲烷浓度超过测量范围上限时，传感器具有保护载体催化元件的功能，并使传感器的指示值和输出信号值均维持在超限状态。（6）传感器具有遥控器调校、遥控报警及断电功能。 （7）传感器的显示值稳定性在0.004.00%CH4范围内，当甲烷浓度保持恒定时，传感器的显示值或输出信号值(换算为甲烷浓度值)的变化量应不超过0.04%CH4。传感器的基本误差应符合表2.1的规定。 表2.1测量范围，%CH4基本误差，%CH40.001.000.101.003.00真值的10%3.004.000.30（8）响应时间(T90) 传感器的响应时间不大于20s。（9）警报功能a)传感器能在测量范围内任意设置警

20、报点，警报值与设定值的差值不大于0.05CH4。b)警报声级强度在距其1m远处的声响信号的声压级不小于80dB(A)；光信号在20m处清晰可见。2.3 软件设计方法系统采用过程化编程方法，分模块结构化编程。由此实现系统采集、键盘显示、报警等功能。软件设计框图如图2.2所示：图2.2 系统软件设计框图在软件设计中，主程序分为采集、键盘、显示、报警等几个模块来设计的。采集模块的设计中包括A/D原理的介绍，A/D硬件的设计，以及多路开关、定时中断等的设计；键盘模块中有键盘电路、键盘程序的设计等；显示模块有LED的选用和程序的设计等；报警模块有硬件的设计以及初始化的设计等。2.4 软件实现功能:(1)

21、CH4气体浓度指示功能实时显示该环境下的气体浓度值。(2)CH4气体浓度报警功能传感器能在测量范围内任意设置警报点，警报值与设定值的差值不大于0.05CH4。当CH4气体浓度报达到警浓度时，输出声光报警。警报声级强度在距其1m远处的声响信号的声压级不小于80dB(A)；光信号在20m处清晰可见。(3)自动断电功能当CH4气体浓度报达到警浓度时，输出声光报警同时输出断电控制信号。(4)技术报警功能当传感器、电源异常时，输出声光报警，在液晶屏上显示报警信息。(5)数据存储及调用功能各种历史数据、当前数据、报警信息均可自动存入系统扩展的大容量存储器中，可调出并显示。3 系统软件编程过程3.1 矿用瓦

22、斯检测系统模块程序设计本次系统设计是基于51开发，将软件系统看成三大程序构成，构造程序、管理程序、维护更新程序。构造程序主要完成各个硬件的初始化、知识库变量的初始化和过程关系的初始化；管理程序主要功能是，当确定某一任务后，将输入输出连接起来；维护更新程序使系统具有自适应性。根据上述软件思想，把本系统的软件的结构图构建成如图3.1所示：图3.1 系统软件结构图3.1.1 矿用瓦斯检测系统CPU的选择单片机是该系统设计实现中的核心，而采用低功耗且价格合适的单片机是单片机的选择因素之一。系统要达到分辨率为0.01%CH4、测量范围为04.00% CH4、响应时间小于等于20S、工作方式为扩散式等技术

23、指标。我采用ATMEL公司的AT89C52单片机。AT89C52是美国ATMEL公司生产得低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k byte的可反复擦写得只读程序存储器（EPROM）和256 byte随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，具有掉电保护功能、程序存储器保密功能等。功能强大AT89C52弹片机适合于许多较为复杂控制应用场合。3.1.2 AT89C52的主要功能说明AT89C52的引脚图如图3.1所示：图3.1 AT89C52的

24、引脚图89C52单片机与51系列兼容，它主要由九个部件组成，这九个部件是： （1）1个8位的中央处理器CPU；（2）片内8Kbyte的电可擦除编程程序存储器EPROM；（3）片内256byte的数据存储器RAM；（4）32条I/O口线（4个8位口PO，P1，P2，P3）；（5）3个16位定时器/计数器；（6）1个具有6个中断源、2个中断优先级的中断嵌套结构；（7）1个用于多处理机通讯、I/O口扩展或全双工UART(通用异步收发器)的串行口；（8）特殊功能寄存器 (SFR)；以及一个片内振荡器和时钟电路。这九个部件都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式。另

25、外，该系列单片机还具有以下功能特征:（1）单一+5V电源供电，方便应用系统设计；（2）低功耗CBMOS制作工艺，允许电源波动范围较大，为5V士20%，并有三种功耗控制方式；（3）外部程序存储器和数据存储器可扩展，通常可分别扩展至64Kbyte；（4）内置布尔处理器，有完善的位处理指令，方便了开关决策、逻辑电路仿真和实时测控等方面的应用；（5）扩展性强:片内具有计算机正常运行所必须的部件，片外有许多供扩展用三总线及并行、串行物入/输出管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门

26、电路，对端口 P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash 编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1口 是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。与 AT89C51不同之处是，P1.0 和 P1.1 还可分别作为定时/计数器2的外

27、部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX），参见表3.1： 表3.1 P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向 I/O 口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行 MOVX DPTR 指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行 MOVX RI 指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/

28、O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL 逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表3.2所示： 表3.2其中，PO口与LED显示器的段控制端相连，P2口与LED显示器的位控制端相连。3.2 软件设计主程序框图瓦斯检测报警器系统的任务，具体地说，就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机，根据不同的需要由计算机进行相应的计算和处理，得出所需的数据。与此同时，将计算机的数据进行显示，然后根据设定的瓦斯浓度报

29、警值进行浓度检测，以便实现对瓦斯浓度的监视，如果超过报警值，则声光报警，若没有超过报警值，则继续进行检测。3.2.1 主程序流程图主程序包括：初始化程序、系统自检程序、A/D转换程序、数据处理与显示程序组成；按键有按键子程序,还有声光报警系统等,这些共同组成了一个完整的瓦斯检测报警系统。其工作流程如图3.2所示:图3.2 主程序流程图3.2.2 主程序代码 #pragma small #pragma ot(2) #include #include #include 1101 1111 #include myad.h #include myda.h #include X5045.h #inclu

30、de mykey.h #include mydisp.h #include myview.hvoid init_app(void);extern void GOTO_START(void);main() unsigned char ctrl; unsigned int datax; EA=0; init_app(); clear_dog(); caculate_ch4kb(); 读 EA=1; set_dog(); ad_mainy(); 传感器自检查 while(1) datax=ad_main_ch4(); 采集程ch4 caculate_ch4(datax); 计算CH4 if(ad_e

31、rr_state!=0) X5045WriteStatus(0x30); GOTO_START(); main_duandian(); save_time2(); 送输出数据 disp_ch4(); disp_data(); main_baojin(); 报警处理 main_duandian(); main_fudian(); main_laba(); 喇叭处理 key_main(); if(ch4_iii10) system_time.ii=0; bw_power_off(); while(system_time.cc06) 33.55*2 ctrl=key_mode; ctrl=ctrl&0x80; if(ctrl=0x80) 有键按下 init_key_mode();