煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)

1、i遼遼 寧寧 工工 業(yè)業(yè) 大大 學(xué)學(xué)單片機(jī)原理及接口技術(shù)單片機(jī)原理及接口技術(shù) 課程設(shè)計(jì)（論文）課程設(shè)計(jì)（論文）題目：題目： 煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì) 院（系）：院（系）： 電氣工程學(xué)院電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)：專業(yè)班級(jí)： 學(xué)學(xué) 號(hào)：號(hào)： 學(xué)生姓名：學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： （簽字）起止時(shí)間：起止時(shí)間：2012.06.24-2012.07.122012.06.24-2012.07.12 本科生課程設(shè)計(jì)（論文）ii課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語院（系）：電氣工程學(xué)院 教研室： 注：成績：平時(shí)20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計(jì)算學(xué) 號(hào)1003031

2、24學(xué)生姓名甄景瑞專業(yè)班級(jí)電氣104課程設(shè)計(jì)（論文）題目煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)該檢測(cè)儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煤礦的瓦斯，當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸^閾值時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并啟動(dòng)輸出相應(yīng)的開關(guān)量信號(hào)，可以啟動(dòng)排風(fēng)設(shè)備，檢測(cè)儀由 ac220v 供電。設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)任務(wù)：1. cpu 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)（包括 cpu 選擇，晶振電路，復(fù)位電路）2. 傳感器選擇及瓦斯檢測(cè)接口電路設(shè)計(jì)3. 報(bào)警電路以及工作電源設(shè)計(jì)4程序流程圖設(shè)計(jì)及.程序清單編寫技術(shù)參數(shù)：技術(shù)參數(shù)：1瓦斯?jié)舛壬舷逓?3%2檢測(cè)儀的工作電源為 220v設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)要求：1、分析系統(tǒng)功能，盡可能降低成本，選擇合適的單片機(jī)、ad 轉(zhuǎn)換器、輸出電路等；2、應(yīng)用專業(yè)

3、繪圖軟件繪制硬件電路圖和軟件流程圖；3、按規(guī)定格式，撰寫、打印設(shè)計(jì)說明書一份，其中程序開發(fā)要有詳細(xì)的軟件設(shè)計(jì)說明，詳細(xì)闡述系統(tǒng)的工作過程，字?jǐn)?shù)應(yīng)在 4000 字以上。進(jìn)度計(jì)劃第 1 天 查閱收集資料第 2 天 總體設(shè)計(jì)方案的確定第 3-4 天 cpu 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)第 5 天傳感器選擇及瓦斯檢測(cè)接口電路設(shè)計(jì)第 6 天報(bào)警電路以及工作電源設(shè)計(jì)第 7 天 程序流程圖設(shè)計(jì)第 8 天 軟件編寫與調(diào)試第 9 天 設(shè)計(jì)說明書完成第 10 天 答辯指導(dǎo)教師評(píng)語及成績 平時(shí)： 論文質(zhì)量： 答辯： 總成績： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日本科生課程設(shè)計(jì)（論文）iii摘 要隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)煤炭的需求急

4、劇增加，而各種礦難事故的發(fā)生，使得煤炭安全生產(chǎn)面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。這篇文章就是針對(duì)導(dǎo)致礦難頻發(fā)的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)控而設(shè)計(jì)的。本文針對(duì)瓦斯的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出同時(shí)監(jiān)測(cè)高低濃度的瓦斯系統(tǒng)，全天候不間斷的對(duì)井下瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)測(cè)。同時(shí)采用聲光報(bào)警系統(tǒng)，一旦瓦斯超標(biāo)，系統(tǒng)立即提醒正在井下作業(yè)的工人緊急撤離，避免人員傷亡，并且還運(yùn)用紅外遙控系統(tǒng)來進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。設(shè)計(jì)這種智能傳感器采用閉環(huán)控制來確保采樣的平穩(wěn)。該傳感器以 at89c51 單片機(jī)為核心，包含甲烷濃度采樣器、把 220v 交流電轉(zhuǎn)換成 5v 直流電源、紅外遙控系統(tǒng)、存儲(chǔ)器擴(kuò)展、led 顯示器和報(bào)警裝置等組成。實(shí)現(xiàn)對(duì)瓦斯的檢測(cè)、報(bào)警和控制，安全可靠，經(jīng)久耐用，

5、適合各類煤礦瓦斯的監(jiān)控，可以大大降低煤礦事故的發(fā)生，降低企業(yè)成本，提高煤炭開采率，為我國煤炭事業(yè)做出貢獻(xiàn)。關(guān)鍵詞：煤礦事故；瓦斯監(jiān)測(cè)；at89c51； 本科生課程設(shè)計(jì)（論文）iv目 錄第 1 章 緒論 .11.1 瓦斯監(jiān)測(cè)儀概況 .11.2 本文研究內(nèi)容 .2第 2 章 cpu 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì).32.1 瓦斯監(jiān)測(cè)儀總體設(shè)計(jì)方案 .32.2 cpu 的選擇 .32.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展 .52.4 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) .62.5 復(fù)位電路設(shè)計(jì) .72.6 cpu 最小系統(tǒng)圖 .7第 3 章 瓦斯監(jiān)測(cè)儀輸入輸出接口電路設(shè)計(jì) .83.1 瓦斯監(jiān)測(cè)儀傳感器的選擇 .83.1.1 敏感元件的組成及作用.83.1.

6、2 熱催化原件的特性.93.2 小信號(hào)放大電路 .113.3 瓦斯監(jiān)測(cè)儀檢測(cè)接口電路設(shè)計(jì) .123.3.1 a/d 轉(zhuǎn)換器選擇.123.3.2 模擬量檢測(cè)接口電路圖.133.4 瓦斯監(jiān)測(cè)儀輸出接口電路設(shè)計(jì) .13第 4 章 瓦斯監(jiān)測(cè)儀軟件設(shè)計(jì) .154.1 軟件實(shí)現(xiàn)功能綜述 .154.1.1 主程序流程圖設(shè)計(jì).154.1.2 模擬量檢測(cè)流程圖設(shè)計(jì).164.1.3 報(bào)警裝置流程圖設(shè)計(jì).164.2 程序清單 .17第 5 章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 .205.1 系統(tǒng)原理圖 .205.2 系統(tǒng)原理綜述 .20本科生課程設(shè)計(jì)（論文）v第 6 章 課程設(shè)計(jì)總結(jié) .21參考文獻(xiàn) .22本科生課程設(shè)計(jì)（論文）1第

7、 1 章 緒論1.1 瓦斯監(jiān)測(cè)儀概況在我國煤礦安全事故中, 瓦斯爆炸造成的傷亡人數(shù)占所有重大事故傷亡人數(shù)的70 % 以上, 成為實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的最大障礙, 及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)瓦斯含量, 在安全生產(chǎn)中具有重要意義。為了適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)煤礦安全的要求, 針對(duì)我國中小型煤礦特別是小型煤礦存在的隱患問題, 現(xiàn)代化的、小型的、價(jià)格低廉的煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制勢(shì)在必行, 它的研制在煤礦安全方面具有舉足輕重的作用, 所以設(shè)計(jì)一種低成本煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是適應(yīng)我國許多中小型煤礦需求的。煤礦瓦斯是指礦井中主要由煤層氣構(gòu)成的以甲烷為主的有害氣體的總稱。有時(shí)也單獨(dú)指甲烷。瓦斯在空氣的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到一定的程度（5%12%）時(shí)，在一

8、定條件下可與空氣中的氧氣發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)而形成瓦斯爆炸，對(duì)煤礦安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。傳統(tǒng)的煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)大體可以分為兩大部分：井下部分和井上部分。井下部分主要通過各種檢測(cè)設(shè)備（各種傳感器，如風(fēng)量傳感器、負(fù)壓（壓力）傳感器、一氧化碳傳感器和礦用設(shè)備開停傳感器等）來采集井下各種氣體的濃度與含量、井下空氣狀況、設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況等數(shù)據(jù)，然后通過現(xiàn)場(chǎng)總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄?。在井上，井下傳上來的?shù)據(jù)通過專線與煤礦安全管理辦公室服務(wù)器和更高一級(jí)安全主管部門服務(wù)器連接。服務(wù)器上面運(yùn)行的是監(jiān)控軟件。上面有井下每一個(gè)傳感器的標(biāo)簽，所顯示的數(shù)據(jù)通過上傳數(shù)據(jù)的改變而不斷刷新。同時(shí)，監(jiān)控軟件還可以對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、處理、

9、分析和存檔，可以作為相關(guān)負(fù)責(zé)人員決策的重要依據(jù)。并且監(jiān)控軟件具有超標(biāo)自動(dòng)報(bào)警功能，用來提示工作人員對(duì)設(shè)備的故障或現(xiàn)場(chǎng)瓦斯?jié)舛惹闆r，以及時(shí)采取措施，避免重大事件的發(fā)生。煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)的意義不言而喻。以山西省為例，近幾年，特別是2006年以來，山西省煤炭系統(tǒng)在黨和各級(jí)政府及安全部門的重視下，全省煤礦信息化工作有了新發(fā)展，取得了新成績。特別是由瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)所形成的全省煤礦四級(jí)信息網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及信息技術(shù)用于瓦斯安全治理的一項(xiàng)創(chuàng)舉，極大的促進(jìn)了山西煤炭信息化工作。山西省地方煤礦現(xiàn)有2806座礦井全部安裝了瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，已連網(wǎng)運(yùn)行2671座。這些系統(tǒng)的運(yùn)用，極大的降低了煤礦瓦斯

10、事故。本科生課程設(shè)計(jì)（論文）21.2 本文研究內(nèi)容該檢測(cè)儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煤礦的瓦斯，當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸^閾值時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并啟動(dòng)輸出相應(yīng)的開關(guān)量信號(hào)，可以啟動(dòng)排風(fēng)設(shè)備，檢測(cè)儀由ac220v供電。本設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)內(nèi)容是：1. cpu最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)（包括cpu選擇，晶振電路，復(fù)位電路）2. 傳感器選擇及瓦斯檢測(cè)接口電路設(shè)計(jì)3. 報(bào)警電路以及工作電源設(shè)計(jì)4程序流程圖設(shè)計(jì)及.程序清單編寫本科生課程設(shè)計(jì)（論文）3第 2 章 cpu 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 瓦斯監(jiān)測(cè)儀總體設(shè)計(jì)方案敏 感 元 件小 信 號(hào) 放 大 電 路a/d轉(zhuǎn)換 cpu報(bào)警電路圖2.1 瓦斯監(jiān)測(cè)儀原理框圖在催化元件電源端加上一正電壓，使催化元件開始工作，輸

11、出與甲烷濃度相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，此電壓經(jīng)過放大電路放大后，送到a/d轉(zhuǎn)換，a/d轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入cpu, cpu對(duì)采樣值進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，處理后，驅(qū)動(dòng)顯示器顯示出被測(cè)氣體中的甲烷濃度值，若被測(cè)氣體中甲烷濃度超過報(bào)警電路預(yù)定的數(shù)值時(shí)，報(bào)警電路即發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)，并啟動(dòng)輸出相應(yīng)的開關(guān)量信號(hào)，可以啟動(dòng)排風(fēng)設(shè)備，檢測(cè)儀由ac220v供電。2.2 cpu 的選擇cpu 是監(jiān)控報(bào)警儀的核心，完成數(shù)據(jù)采集、處理、輸出、顯示等功能,是整個(gè)儀器正常工作的基礎(chǔ)，它的選擇直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的工作。選擇通用性強(qiáng)、功耗小、性能穩(wěn)定良好的 8 位 cmos 微處理器芯片 at89c51，它與常用 mcs-

12、51 型單片機(jī)兼容，工作電壓為 2.7v6.ov,具有 32 條可編程 i/o 端口，3 個(gè) 16 位定時(shí)本科生課程設(shè)計(jì)（論文）4計(jì)數(shù)器，2568 位內(nèi)部 ram,內(nèi)帶 8k 字節(jié)快閃 eeprom 的特點(diǎn)，大大簡化了電路的設(shè)計(jì)。引腳圖如圖：e a /v pp31x 119x 218r e se t9in t 012in t 113t 0、 p3.414t 1、 p3.515p1 .01p1 .12p1 .23p1 .34p1 .45p1 .56p1 .67p1 .78p0 .039p0 .138p0 .237p0 .336p0 .435p0 .534p0 .633p0 .732p2 .021

13、p2 .122p2 .223p2 .324p2 .425p2 .526p2 .627p2 .728r d 、 p3.717w r 、 p3.616ps e n29a l e / p30t x d11r x d10v c c40v ss2089 c 5 1.圖2.2 89c51引腳圖部分引腳功能說明：rst：at89c51的復(fù)位信號(hào)輸入引腳，高電位工作，當(dāng)要對(duì)芯片復(fù)位時(shí)，只要將此引腳電位提升到高電位，并持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上的時(shí)間，at89c51便能完成系統(tǒng)復(fù)位的各項(xiàng)工作，使得內(nèi)部特殊功能寄存器的內(nèi)容均被設(shè)成已知狀態(tài)。xtal1：接外部晶振的一個(gè)引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一反相放大器輸入端，這個(gè)放大

14、器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。它采用外部振蕩器時(shí)，此引腳應(yīng)接地。xtal2：接外部晶振的一個(gè)引腳。在片內(nèi)接至振蕩器的反相放大器輸出端和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器輸入端。當(dāng)采用外部振蕩器時(shí)，則此引腳接外部振蕩信號(hào)的輸入。：訪問外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)，低電平有效。在訪問外部程序存儲(chǔ)psen器讀取指令碼時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期產(chǎn)生二次 信號(hào)。在執(zhí)行片內(nèi)程序存儲(chǔ)器指psen令時(shí)，不產(chǎn)生psen 信號(hào)，在訪問外部數(shù)據(jù)時(shí)，亦不產(chǎn)生信號(hào)。psenale/：ale表示允許地址鎖存允許信號(hào)。當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，aleprog信號(hào)負(fù)跳變來觸發(fā)外部的8位鎖存器 (如74ls373)，將端口p0 的地址總線(a0-a7)鎖存進(jìn)入鎖存器中。在非訪問

15、外部存儲(chǔ)器期間，ale引腳的輸出頻率是系統(tǒng)工作頻率的1/16，因此可以用來驅(qū)動(dòng)其他外圍芯片的時(shí)鐘輸入。p0：p0口(p0.0p0.7)是一個(gè)8位漏極開路雙向輸入輸出端口，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)時(shí)，它是地址總線（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用。外部不擴(kuò)展而單片應(yīng)用時(shí)，則作一般雙向i/o口用。p0口每一個(gè)引腳可以推動(dòng)8個(gè)lsttl負(fù)載。p2：p2口(p2.0p2.7)是具有內(nèi)部提升電路的雙向i/0端口(準(zhǔn)雙向并行i/o口)，本科生課程設(shè)計(jì)（論文）5當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，它是高8位地址。外部不擴(kuò)展而單片應(yīng)用時(shí)，則作一般雙向i/o口用。每一個(gè)引腳可以推動(dòng)4個(gè)lstl負(fù)載。p1：p1口(p1.0p1.7)口是具有內(nèi)部

16、提升電路的雙向i/0端口(準(zhǔn)雙向并行i/o口)，其輸出可以推動(dòng)4個(gè)lsttl負(fù)載。僅供用戶作為輸入輸出用的端口。p3：p3口(p3.0p3.7)口是具有內(nèi)部提升電路的雙向i/0端口(準(zhǔn)雙向并行i/o口)，它還提供特殊功能，包括串行通信、外部中斷控制、計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)控制及外部隨機(jī)存儲(chǔ)器內(nèi)容的讀取或?qū)懭肟刂频裙δ?。其特殊功能引腳分配如下：p3.0 rxd 串行通信輸入p3.1 txd 串行通信輸出p3.2 外部中斷0輸入,低電平有效0intp3.3 外部中斷1輸入,低電平有效1intp3.4 t0 計(jì)數(shù)器0 外部事件計(jì)數(shù)輸入端p3.5 t1 計(jì)數(shù)器1 外部事件計(jì)數(shù)輸入端p3.6 外部隨機(jī)存儲(chǔ)器的寫選通，

17、低電平有效wrp3.7 外部隨機(jī)存儲(chǔ)器的讀選通，低電平有效rd在設(shè)計(jì)中用到了多片串行通信的芯片，但選用的單片機(jī)at89c51只有一個(gè)串行口，這給連接帶來了極大的麻煩。在設(shè)計(jì)中，用單片機(jī)未用到的普通i/o口輔之控制軟件來模擬串行口工作，從而解決了串行口不夠用的難題。2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展89c51單片機(jī)片內(nèi)有128b的ram存儲(chǔ)器，在實(shí)際應(yīng)用中僅靠這128b的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。這種情況下可利用89c51單片機(jī)所具有的拓展功能，拓展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。本文利用6264與單片機(jī)進(jìn)行拓展。6264是8k*8位的靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，采用cmos工藝制造，單一+5電源供電，額定功耗200mw,典型存取時(shí)間200

18、ns，為28線雙列直插式封裝。如圖：本科生課程設(shè)計(jì)（論文）6d718d617d514d413d38d27d14d03q719q616q515q412q39q26q15q02g111oeoe22we27ce120a122a1123a1021a924a825a73a64a55a46a37a28a19a010i/o719i/o618i/o517i/o416i/o315i/o213i/o112i/o011vcc28ce226gnd141716p2.728p2.425p2.324p2.223p2.122p2.021p0.732p0.633p0.534p0.435p0.336p0.237p0.138p0.

19、039ale3074ls37389c5162641k+5vwrrd+5v圖2.3 89c51與6264的拓展2.4 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)片內(nèi)電路與片外器件就構(gòu)成一個(gè)時(shí)鐘產(chǎn)生電路，cpu的所有操作均在時(shí)鐘脈沖同步下進(jìn)行。片內(nèi)振蕩器的振蕩頻率非常接近晶振頻率，一般多在1.2mhz24mhz之間選取。c1、c2是反饋電容，其值在20pf100pf之間選取，典型值為30pf。本電路選用的電容為30pf，晶振頻率為12mhz。振蕩周期； 機(jī)器周期； 指令周期s121ssm1s41c 130 pfc 230 pf、 、x t a l 1x t a l 2.圖2.5 晶振電路圖本科生課程設(shè)計(jì)（論文）72.5 復(fù)位電

20、路設(shè)計(jì)復(fù)位操作可以使單片機(jī)初始化，也可以使死機(jī)狀態(tài)下的單片機(jī)重新啟動(dòng)，因此非常的重要。在時(shí)鐘電路工作后，只要在單片機(jī)的reset引腳上出現(xiàn)24個(gè)時(shí)鐘振蕩脈沖（兩個(gè)機(jī)器周期）以上的高電平，單片機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)復(fù)位。為了保證系統(tǒng)可靠復(fù)位，在設(shè)計(jì)復(fù)位電路時(shí)，一般使reset引腳保持10ms以上的高電平，單片機(jī)就可以可靠的復(fù)位。本文采用按鍵復(fù)位方式。該方式可以通過按鍵實(shí)現(xiàn)復(fù)位。按下鍵后，通過r1和r2形成回路，使reset端產(chǎn)生高電平。按鍵的時(shí)間決定了復(fù)位的時(shí)間。22 uc a p10 kr e s2d 141 48s1r e se t20 0r e s2v ccr st圖2.4 按鍵復(fù)位電路圖2.6 c

21、pu 最小系統(tǒng)圖根據(jù)上述4節(jié)圖，形成完整的cpu最小系統(tǒng)圖本科生課程設(shè)計(jì)（論文）8d718d617d514d413d38d27d14d03q719q616q515q412q39q26q15q02g111oeoe22we27ce120a122a1123a1021a924a825a73a64a55a46a37a28a19a010i/o719i/o618i/o517i/o416i/o315i/o213i/o112i/o011vcc28ce226gnd1474ls37362641k+5vc1c2y1 sw-10、r51kr4200c422fp2.728p2.627p2.526p2.425p2.324p

22、2.223p2.122p2.021p0.732p0.633p0.534p0.435p0.336p0.237p0.138 p0.039ale470xtal119xtal218vcc40reset9 +5v c?cap89c51圖2.6 cpu最小系統(tǒng)圖第 3 章 瓦斯監(jiān)測(cè)儀輸入輸出接口電路設(shè)計(jì)3.1 瓦斯監(jiān)測(cè)儀傳感器的選擇3.1.1 敏感元件的組成及作用敏感元件是準(zhǔn)確檢測(cè)甲烷氣體含量的核心元件之一，它由工作元件和補(bǔ)償元件組成，將這兩個(gè)元件分別接在惠斯登電橋上，在元件的電源端加入高電平時(shí)元件開始工作，當(dāng)環(huán)境中無甲烷氣體時(shí)，調(diào)整電橋使之輸出為零，當(dāng)有甲烷氣體時(shí)，甲烷氣體以擴(kuò)散方式進(jìn)入儀器原測(cè)量氣室，

23、內(nèi)部接于橋臂的熱催化元件或熱導(dǎo)元件發(fā)生氧化還原反應(yīng)，引起元件溫度升高，阻值增大，使原來平衡的電橋失去平衡，輸出與甲烷濃度相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，測(cè)量該電壓信號(hào)即可知甲烷濃度它的基本測(cè)試電路圖如圖4-2所示。本科生課程設(shè)計(jì)（論文）9r c r p 1k 1k 1k 2.8vm a圖3.1 敏感元件的基本測(cè)試電路3.1.2 熱催化原件的特性本文采用的是熱催化式瓦斯監(jiān)測(cè)儀傳感器。熱催化式是利用甲烷在催化元件上的氧化生熱引起其電阻的變化來測(cè)定甲烷濃度。其優(yōu)點(diǎn)是元件和儀器的生產(chǎn)成本低，輸出信號(hào)大，對(duì)于1%氣樣，電橋輸出可達(dá)15mv以上，處理和顯示都比較方便，所以儀器的結(jié)構(gòu)簡單，受背景氣體和溫度變化的影響小，容

24、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)。其缺點(diǎn)是探測(cè)元件的壽命較短，不能測(cè)高濃度甲烷，硫化氫及硅蒸汽會(huì)引起元件中毒而失效。目前國內(nèi)外檢測(cè)甲烷的儀器廣泛采用這一原理。在選擇敏感元件時(shí)，主要從以下幾個(gè)方面來衡量:(1) 工作點(diǎn)與工作區(qū)間。元件工作點(diǎn)是指元件的標(biāo)準(zhǔn)工作電壓和電流值。實(shí)際使用中，為了便于組成電橋和選定電橋電流，通常是指一對(duì)元件(即一只黑元件和一只白元件)的標(biāo)準(zhǔn)工作電壓或電流值。在工作點(diǎn)上，元件具有較大的輸出，較好的穩(wěn)定性和最小的零點(diǎn)飄移。目前國內(nèi)元件的工作點(diǎn)有:直1.2v, 2.2v, 2.4v, 2.8v及320ma等幾種。當(dāng)元件的工作電壓或工作電流變動(dòng)時(shí)，在同一甲烷濃度下輸出活性大小是不相同的。只有當(dāng)工作

25、電壓或工作電流在某一范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，輸出活性才接近直線。這個(gè)電壓或電流的變動(dòng)范圍稱為元件的工作區(qū)間。區(qū)間越寬越好。目前元件的工作區(qū)間只能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)電壓的10%。 (2) 活性。元件活性是指元件對(duì)甲烷氧化燃燒的速率。元件活性高，通過電橋測(cè)量甲烷時(shí)，可以得到較高的電壓輸出。(3) 穩(wěn)定性。元件的穩(wěn)定性是指元件在新鮮空氣與一定濃度的甲烷中，在規(guī)定的連續(xù)工作時(shí)間里的活性下降率。下降率其值越低越好，活性下降率越低，表明元件工作性能越穩(wěn)定。 (4)輸出特性。元件輸出特性，是指在不同的甲烷濃度下，元件的活性與甲烷濃度的關(guān)系。在0-5%ch4范圍內(nèi)，電橋輸出信號(hào)與甲烷濃度呈線性關(guān)系。當(dāng)甲本科生課程設(shè)計(jì)（論文）10

26、烷濃度在9.5%處時(shí)，曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，以后隨著甲烷濃度的增大，電橋輸出信號(hào)不斷下降，出現(xiàn)了高濃度和低濃度輸出信號(hào)相同現(xiàn)象。產(chǎn)生的原因是由于高濃度甲烷氣體中缺氧使燃燒不完全所造成的。所以，這種原理的甲烷檢測(cè)儀只能測(cè)量低濃度甲烷。(5) 元件的“中毒現(xiàn)象”。礦井空氣中的硫化氫、二氧化硫等氣體會(huì)使元件產(chǎn)生中毒現(xiàn)象，使活性降低。其原因主要是由于這些毒性氣體元件活性下降。此外，井下電氣設(shè)備用的硅油、硅絕緣材料等揮發(fā)物，也會(huì)使元件中毒。這主要是由于硅分子量大，一旦吸附在元件表面，就會(huì)阻止甲烷進(jìn)入而影響元件氧化速率，致使活性下降。為防止元件中毒，可以加過濾器，例如用活性炭吸收管，1 cm厚活性炭的吸收管，可使

27、工作在有毒環(huán)境中的元件壽命延長數(shù)百倍。經(jīng)過一段時(shí)間工作的元件，遇到較高濃度，工作數(shù)分鐘后，元件的活性將升高，高濃度消失后，元件在幾十小時(shí)內(nèi)活性才會(huì)逐步下降到原值附近，以后又保持穩(wěn)定的活性。這種現(xiàn)象稱為元件被濃甲烷激活。元件的激活特性是一個(gè)缺點(diǎn)，因?yàn)楸患せ畹脑谝欢螘r(shí)間內(nèi)會(huì)造成輸出不穩(wěn)，這是在使用中應(yīng)該加以注意和調(diào)整的。載體催化元件與純鉑絲元件相比，其抗毒性能較弱，在有毒氣體的環(huán)境中，宜采用鉑絲元件。(6) 元件的壽命。元件的壽命是指元件在使用過程中，其活性下降到某一規(guī)定值的時(shí)間。(7)反應(yīng)速度。反應(yīng)速度是工作元件的一個(gè)重要指標(biāo)。特別是當(dāng)元件應(yīng)用到各種運(yùn)動(dòng)機(jī)械上時(shí)，就更為突出。在井下空氣中，當(dāng)

28、甲烷濃度發(fā)生變化時(shí)，元件的反應(yīng)速度由兩個(gè)因素決定，一是元件本身的時(shí)間常數(shù):，二是甲烷向元件擴(kuò)散的速度。元件的時(shí)間常數(shù)可由下式確定:aritsase234式中: :元件的時(shí)間常數(shù); e:元件的熱容量; a:等效熱導(dǎo)系數(shù); s:元件的表面積; :常數(shù); t:元件的工作溫度;本科生課程設(shè)計(jì)（論文）11 i:工作電流; r:元件電阻; :鉑絲電阻溫度系數(shù)ar通過對(duì)上式的分析，可以合理地選擇元件參數(shù)，以提高工作元件的反應(yīng)速度。本設(shè)計(jì)中選擇的敏感元件型號(hào)為:fwc-2。參數(shù)為:測(cè)量介質(zhì):甲烷工作電流:直流穩(wěn)壓工作點(diǎn):2. 8v/175ma測(cè)量范圍:0-4%ch4穩(wěn)定性:靈敏度變化0.1%ch4響應(yīng)時(shí)間:2

29、0s3.2 小信號(hào)放大電路目前有許多型號(hào)的單片測(cè)量放大器集成芯片可供選擇，因此不再用分立的運(yùn)算放大器來構(gòu)成測(cè)量放大器。采用單片測(cè)量放大器芯片與用分立的運(yùn)算放大器相比具有性能優(yōu)異、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、成本低的優(yōu)點(diǎn)。在本設(shè)計(jì)中選擇集成芯片ina128 儀用放大器。其特點(diǎn)如下： 低偏置電壓最大 50v，低溫度漂移最大0.5v/，低輸入偏置電流最大 5na，高共模抵制 cmr 最小 120db，輸入保護(hù)至40v，寬電源電壓范圍2.25 至18v，低靜態(tài)電流 700a，8 引腳塑料dip 和 so-8 封裝。電路圖如圖所示： 10 0 0.1 fc 0.1 fino u tr g a 128 v +185

30、67432in -in +圖3.2 小信號(hào)放大電路本科生課程設(shè)計(jì)（論文）123.3 瓦斯監(jiān)測(cè)儀檢測(cè)接口電路設(shè)計(jì)3.3.1 a/d 轉(zhuǎn)換器選擇因?yàn)閱纹瑱C(jī)不能直接接收模擬量信號(hào)，所以電壓測(cè)量信號(hào)，必須通過 a/d 轉(zhuǎn)換后方可以輸入單片機(jī)進(jìn)行處理。a/d 轉(zhuǎn)換器芯片有很多種,在此選擇比較熟悉的adc0809。adc0809 是 8 路 8 位逐次逼近行 a/d 轉(zhuǎn)換 cmos 器件，能對(duì)多路模擬信號(hào)進(jìn)行分時(shí)采集和 a/d 轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)字信號(hào)通過三態(tài)緩沖器，可直接與微處理器的數(shù)據(jù)總線相連接。adc0809 的主要特性如下：分辨率為 8 位最大不可調(diào)誤差小于ulsb可鎖存三態(tài)輸出，能與 8 位微處理器接

31、口輸出與 ttl 兼容不必進(jìn)行零點(diǎn)和滿度調(diào)整單電源供電，供電電壓為+5v轉(zhuǎn)換速率取決于芯片的時(shí)鐘頻率，時(shí)鐘頻率范圍是：101280khz，當(dāng)時(shí)鐘頻率為 500khz 時(shí)，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換時(shí)間為 125usra b2- 1212- 2202- 3192- 4182- 582- 6152- 714ts b2- 817b o c7a d d -a25a d d -c23a d d -b24a l e22e n a bl e9st a r t6c l o ck10in -026in -127in -228in -31in -42in -53in -64in -75re f(+)12re f(-)16 a d

32、 c 08 09圖3.3 adc0809引腳圖本科生課程設(shè)計(jì)（論文）133.3.2 模擬量檢測(cè)接口電路圖p0.039p0.138p0.237p0.336p0.435p0.534p0.633p0.732p2.021p2.122p2.223p2.324p2.425p2.526p2.627p2.728a le/p30rxd10txd11psen29p1.01p1.12p1.23p1.34p1.45p1.56p1.67p1.78in t113in t012t115t014ea/vpp17x 119x 218reset9rd17wr16ls?a t89c51q 02q 15q 26q 39q 412q

33、515q 616q 719d 03d 14d 27d 38d 413d 514d 617d 718o e1le11ls?74ls373rab2-1212-2202-3192-4182-582-6152-7141sb2-817ref(-)16ref(+)12in -026in -127in -228in -31in -42in -53in -64in -75eoc7a dd -a25a dd -b24a dd -c23a le22ena ble9start6clo ck10ls?a dc0809u ?n oru ?n or圖3.4 adc0809與單片機(jī)連接3.4 瓦斯監(jiān)測(cè)儀輸出接口電路設(shè)計(jì)報(bào)警

34、電路由 npn 三極管、蜂鳴器、led 和限流電阻組成，如圖 4-10 所示。由單片機(jī)兩個(gè) i/0 口控制聲報(bào)警方式和光報(bào)警方式，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可以通過軟件設(shè)置選擇其中一種報(bào)警方式，也可以兩種都選擇。8050 是一種常用的小功率開關(guān)三極管，它的最大負(fù)載電流為 700ma, vceo=20v,飽和壓降為 0.5v。 q1 和 q2 分別作為蜂鳴器和發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)器，蜂鳴器的正常工作為 3v，聲音強(qiáng)度為 80db，發(fā)光二極管的額定電流為5loma。當(dāng)單片機(jī) i/o 口信號(hào)為高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲音，發(fā)光二極管則給出光指示信號(hào)，其中，r2, r3 和 r1 均為限流電阻。本科生課程設(shè)

35、計(jì)（論文）14r310kr210kr1470q28050q18050d4ls1speaker+3.3v+3.3v+3.3vp1.0p1.1圖3.5報(bào)警裝置電路圖本科生課程設(shè)計(jì)（論文）15第 4 章 瓦斯監(jiān)測(cè)儀軟件設(shè)計(jì)4.1 軟件實(shí)現(xiàn)功能綜述該系統(tǒng)軟件主要由主程序、a /d 轉(zhuǎn)換子程序和報(bào)警子程序等模塊組成,因?yàn)閏 語言編寫的軟件易于實(shí)現(xiàn)模塊化,生成的機(jī)器代碼質(zhì)量高、可讀性強(qiáng)、移植好。1) 報(bào)警的同時(shí)啟動(dòng)排風(fēng)裝置。2) 比較監(jiān)測(cè)到的瓦斯?jié)舛戎抵岛蛨?bào)警設(shè)置值,發(fā)現(xiàn)超限則蜂鳴器報(bào)警提示流程圖設(shè)計(jì)4.1.1 主程序流程圖設(shè)計(jì)主程序功能是將 a/d 轉(zhuǎn)換主程序與數(shù)據(jù)處理主程序結(jié)合在一起檢驗(yàn)數(shù)據(jù)是否大于閾

36、值，若大于則報(bào)警，反之則不報(bào)警，主程序流程圖如圖：開 始讀 取 瓦 濃 度 值讀 取 成 功約 定 值 進(jìn) 行 比 較是否超限返 回發(fā) 送 報(bào) 警 信 號(hào) 并 啟 動(dòng) 通 風(fēng)ny是 否圖3.5 主程序流程圖本科生課程設(shè)計(jì)（論文）164.1.2 模擬量檢測(cè)流程圖設(shè)計(jì)a/d 轉(zhuǎn)換子程序流程圖如下圖所示。adc0809 初始化后，把 0 通道輸入的 0-5v 的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)字量 00h-ffh，然后將對(duì)應(yīng)數(shù)值存儲(chǔ)到內(nèi)存單元。程序框圖如圖：開 始啟 動(dòng) adc0809，并 延 時(shí) 100s轉(zhuǎn) 換 完 ？讀 出 a/d 轉(zhuǎn) 換 結(jié) 果結(jié) 果 存 入 內(nèi) 存 單 元返 回ny圖3.6 a/d轉(zhuǎn)換

37、子程序流程圖4.1.3 報(bào)警裝置流程圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)定閾值并保存在以 50h 開始的 3 個(gè)單元，為了便于比較和顯示，閾值的千位放入 50h 中，百位和十位放入 5lh，個(gè)位放人 52h 中。報(bào)警電路分為蜂鳴器報(bào)警電路和 led 發(fā)光報(bào)警電路組成。當(dāng)輸入端 p3.5 為低電平時(shí)，有電流通過蜂鳴器，蜂鳴器發(fā)出聲音報(bào)警。而當(dāng)輸入端為高電平時(shí)不報(bào)警。報(bào)警子程序執(zhí)行之前，將報(bào)警閾值轉(zhuǎn)換為壓縮的 bcd 碼并存放在兩個(gè)存儲(chǔ)單元中。傳感器輸入值 a/d 轉(zhuǎn)換后，調(diào)用比較程序，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后顯示的測(cè)量值與閾值比較，小于閾值則繼續(xù)執(zhí)行顯示程序。若大于閾值則將單片機(jī)的 p3.5 口清零進(jìn)行聲光報(bào)警。40h、4lh、

38、42h 單元存放 a/d 轉(zhuǎn)換后，并進(jìn)行十進(jìn)制轉(zhuǎn)換后本科生課程設(shè)計(jì)（論文）17的結(jié)果。40h 和 50h 分別存放的是處理后的測(cè)量值與閾值的千位的壓縮 bcd 碼，41h 和 51h 分別存放的是處理后的測(cè)量值與閾值的百位、十位壓縮的 bcd 碼，42h 和 52h 分別存放的是處理后的測(cè)量值與閾值的個(gè)位的壓縮 bcd 碼。程序首先對(duì) 40h、50h 中的值進(jìn)行比較大小，如果 40h 中的值大于 50h 中的值，則進(jìn)行報(bào)警。依此類推，比較 41h 和 51h，42h 和 52h。程序框圖如圖 4-3：開 始40h 中的 bcd 碼50h 中的 bcd 碼？與閾值相等？41h 中的 bcd 碼5

39、1h 中的 bcd 碼？與閾值相等？40h 中的 bcd 碼50h 中的 bcd 碼？返 回報(bào)警ynynynyynn圖3.7 報(bào)警子程序流程框圖4.2 程序清單1.初始化子程序清單本科生課程設(shè)計(jì)（論文）18private sub form_load0窗體過程，設(shè)置串口屬性mscomm1.commport=1設(shè)置串口 1mscomm1.settings=9600,n,8,1 以字符串形式設(shè)置或返回波特率等參數(shù)mscomm1.inputlen=0 用 input 可讀出整個(gè)接收緩沖區(qū)中的內(nèi)容mscomm1.rthreshold=1 每當(dāng)接收到一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)就引發(fā) oncomm 事件mscomm1.in

40、buffercount=0 清空接收緩沖區(qū)mscomm1.outbuffercount=0 清空發(fā)送緩沖區(qū)mscomm1.inbuffersize=1024 設(shè)置接收緩沖區(qū)大小為 1024 個(gè)字符mscomm1.outbuffersize=1024 設(shè)置發(fā)送緩沖區(qū)大小為 1024 個(gè)字符mscomm1.rthreshold=1 當(dāng)緩沖區(qū)每接收到 1 個(gè)字符就引發(fā)一次 oncomm事件mscomm1.sthreshold=0 任何一次發(fā)送操作都觸發(fā) oncomm 事件mscomm1.rtsenable=false 允許 pc 機(jī)發(fā)送命令mscornm1.inputmode=cominputmod

41、ebinary 接收二進(jìn)制數(shù)據(jù)if mscomm1.portopen=false then mscomm1.portopen=true 打開串口 1end ifend sub2.發(fā)送命令子程序清單private sub timer1_timer() 定時(shí)器定時(shí)發(fā)送命令子程序dim fs(0 to 4) as byte 定義發(fā)送變量if isempty(numberofxwj) then 初始化下位機(jī)地址編號(hào)numberofxwj = -1end ifnumberofxwj = numberofxwj + 1 從 0 號(hào)下位機(jī)開始發(fā)采集命令if mscomm1.portopen = true t

42、hen 打開串口mscomm1.portopen = falseend ifmscomm1.settings = 9600,d,8,1 發(fā)送地址fs(0) = numberofxwj 取地址編號(hào)mscomm1.outbuffercount = 0 情輸出緩沖區(qū)mscomm1.output = fs(0) 發(fā)送地址幀mscomm1.settings = 9600,s,8,1 發(fā)送數(shù)據(jù)本科生課程設(shè)計(jì)（論文）19mscomm1.output = fs(1) 7 發(fā)送標(biāo)識(shí)符mscomm1.output = fs(2) 發(fā)送命令mscomm1.output = fs(3) 發(fā)送命令參數(shù)mscomm1.o

43、utput = fs(4) 發(fā)送結(jié)束符mscomm1.rtseable = true 串口接收使能end sub3.接收數(shù)據(jù)子程序清單private sub mscomm1_oncomm() 串口接收中斷子程序dim i as integer 定義字節(jié)變量dim js as variant 定義接收變量select case mscomm1.commevent 返回通訊事件代碼case comevreceive 緩沖區(qū)接收到信息 js = mscomm1.input 接收數(shù)據(jù) i = i + i 變量遞增 if i = 21 thentextl.text = js 顯示數(shù)據(jù) i = 0 變量清

44、零 elsemscomm1.inbuffercount = 0 清輸入緩沖區(qū)mscomm1.rtsenable = false 發(fā)送使能end ifend selectend sub本科生課程設(shè)計(jì)（論文）20第 5 章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析5.1 系統(tǒng)原理圖p0.039p0.138p0.237p0.336p0.435p0.534p0.633p0.732p2.021p2.122p2.223p2.324p2.425p2.526p2.627p2.728ale/p30rxd10txd11psen29p1.01p1.12p1.23p1.34p1.45p1.56p1.67p1.78int113int012t115t014ea/vpp17x119x218reset9rd17wr16u1at89c51rab2-1212-2202-3192-4182-582-6152-7141sb2-817boc7add-a25add-c23add-b24ale22enable9start6clock10in-026in-127in-22