基于单片机的瓦斯监测仪的设计本科毕业设计说明书.doc

本科毕业设计说明书基于单片机的井下瓦斯浓度智能传感器的设计BASED ON THE UNDERGROUND GAS DENSITY SINGLE-CHIP MICROCOMPUTER INTELLIGENT SENSE ORQAN DESIGN 学 院： 专业班级： 学生姓名： 指导老师： 年 月 日安徽理工大学毕业设计* * * *毕业设计（论文）开题报告题 目基于单片机的矿井瓦斯检测系统设计学生姓名学 号院 (系)专 业指导教师报告日期2013年1月4日毕业设计（论文）题目基于单片机的矿井瓦斯检测系统设计题目类别（请在有关项目下作记号）设计论文其它题目需要在实验、实习、工程实践和社会调查等社会实践中完成是 否毕业设计（论文）起止时间2012年12月10日 起至 2013年5月19日（共16周）1.课题研究的意义 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求。2.国内外的发展状况2.1在国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仪表工业及电子技术的发展，矿井通风安全仪器也得到了不断的发展，1927年日本制造出光干涉原理甲烷检定器，此后又陆续出现热催化、热导原理、气敏半导体等各种不同原理的甲烷检定器，其测量精度不断提高，检测方式从“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。2.2在国内的发展状况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。煤炭科学研究总院重庆研究院的KJ90NB系统、镇江中煤电子有限公司的KJ101N系统、煤炭科学研究总院沈阳研究院的KJ333系统、天地科技股份公司常州自动化分公司的KJ95N系统在软硬件功能、稳定性和可靠性、专业技术服务能力、企业性质和生产规模等方面基本代表了我国煤矿瓦斯监控系统的技术水平。当前我国矿井正在运行的瓦斯监控系统主要有三类：一是20世纪80年代初，从英、法、美、波兰等国家引进的一批安全监控系统，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。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。3.课题的主要内容本设计利用AT89S52单片机作为硬件电路的核心，结合外围元件设计出煤矿瓦斯监测系统，实现对甲烷的识别、浓度监测以及浓度显示。整个硬件电路采用Protel画出，软件运用C语言编写，编译环境为KeilC51，并利用Proteus软件对系统进行仿真分析,补充实现系统运行所要求的功能,然后动手制作设计。最后总结设计中所遇到的问题及其解决措施。4.本课题的设计方案及步骤4.1设计方案硬件方面，本设计采用ATMEL公司生产的AT89S52单片机作为瓦斯监测系统的核心部件，运用单片机的内部的随机存储器和只读存储器及其引脚资源，外接显示设备，实现数据的处理传输和显示功能；气体通过甲烷传感器检测，将得到的数据与设定值比较处理后，输出控制量，达到对甲烷识别、浓度检测、阈值报警以及浓度显示的目的。因此，控制器的硬件主要由AT89S52单片机、键盘输入设定模块、显示模块、数据采集模块和A/D转换等模块组成。此控制器的的软件方面就是通过C语言程序设计对AT89S52单片机进行控制，实现对甲烷的识别、浓度检测、阈值报警以及浓度显示。整个系统结构紧凑、简单可靠、操作灵活、功能强大、性能价格比高，较好的满足了现代煤矿开采的需要。系统整体框图如下图所示：显示电路 AT89S52报警电路复位电路时钟电路AD转换电路系统整体框图4.2设计步骤（1）对矿井瓦斯检测进行了大量的资料阅读和研究，包括其意义，国内外的发展状况等。（2）课题硬件的设计，选择ATMEL公司生产的AT89S52单片机和其它外围元件并分析它们的工作原理。（3）课题软件电路的设计，包括甲烷的识别、浓度检测、浓度显示以及报警。（4）测试结果的分析以及总结。5.本课题的论文提纲第一部分 介绍基于AT89S52单片机的矿井瓦斯检测系统在现实煤矿生产中的重要性和矿井瓦斯检测系统在国内外的发展状况，及论文要完成的主要内容。第二部分 确定基于AT89S52单片机的矿井瓦斯检测系统的设计方案。第三部分 进行硬件设计。硬件设计包括AT89S52单片机，显示模块，键盘输入设定模块，报警模块，A/D转换模块，甲烷传感器检测模块。第四部分 画出流程图并进行软件编程。第五部分 进行系统的调试，并分析结果。6.本课题的工作量估计 6.1 完成方案 （1）搜集、整理资料利用图书馆，互联网查找各种资料，信息和相关视频。对所有收集到的资料认真的进行整理和筛选。（2）总体框架设计 对整理和筛选好的资料结合论文的目的，要求确定论文的框架。（3）撰写开题报告 （4）进行硬件设计利用Protel画出硬件电路图，以及PCB图。（5） 接受中期检查，进行软件设计根据硬件电路图编写软件程序，并用Proteus软件画出电路仿真图。（6）进行系统的调试，并分析结果。（7）仔细阅读初稿，对初稿进行修改。（8）完成毕业设计。6.2 拟定的工作进度（以周为单位）第1-3周 接受任务，查阅并搜集相关资料；第4周 整理资料，完成开题报告；第5-8周 完成硬件电路图设计及PCB图；第9-11周 绘制Proteus电路仿真图，接受中期检查；第12-14周 完成程序编写并进行仿真测试；第15周 与指导教师交流，反复修改毕业设计；第16周 完成毕业设计，形式审查。7.现存在的问题及拟采取的解决措施（1）对AT89S52单片机的工作原理和结构不熟悉。应对办法：找相关视频和资料学习，并向导师求助。（2）对软件的程序的编译环境不是很了解。应对办法：向指导老师和同学请教。（3）对单片机编写程序不太熟悉。应对办法：向指导老师请教，或者去图书馆借单片机编程方面的相关书籍或资料，来完成程序的编写。（4）动手搭建硬件模型还不太熟练。应对办法：多加练习。（5）运用C语言编写程序还存在一定的问题。应对办法：找相关资料进行练习，或者向老师和同学请教。参考文献1武军伟,康健.基于51单片机的煤矿瓦斯监控系统研究J.煤炭技术,2012,32(2):103-105.2李鸿燕,张立毅.基于单片机控制的甲烷浓度报警监控仪电脑开发与应用J.2002,(8):29-30.3韩宁.基于ARM的嵌入式煤矿安全生产监控终端J.辽宁工程技术大学学报，2006,25（6）:168-171.4马忠梅.单片机的C语言应用程序设计M.北京:北京航空航天大学出版社,2003.5万国峰.基于专家系统的煤矿安全监测监控系统J.计算机测量与控制，2008,16(10)：1424-1426.6王建校,王建国.51系列单片机及C51程序设计M.北京:科学出版社,2002.7刘西青.论国内煤矿瓦斯监测系统现状与发展M.山西:煤炭出版社,2006.8杨居义.单片机原理与工程应用M.北京:清华大学出版社,2010.9孙育才.ATMEL新型AT89S52系列单片机及其应用M.北京:清华大学出版社,2004.指导教师意见指导教师（签名）： 20 年 月 日院 系意 见院系负责人（签名）： 20 年 月 日备 注基于单片机的井下瓦斯浓度智能传感器的设计摘要随着我国经济的快速发展，各行各业对煤炭的需求急剧增加，而各种矿难事故的发生，使得煤炭安全生产面临严峻的挑战。这篇文章就是针对导致矿难频发的瓦斯浓度进行监控而设计的。在文章里，我针对瓦斯的特点，设计出同时监测高低浓度的瓦斯系统，全天候不间断的对井下瓦斯浓度进行监测。同时采用声光报警系统，一旦瓦斯超标，系统立即提醒正在井下作业的工人紧急撤离，避免人员伤亡，并且还运用红外遥控系统来进行远程监控。设计这种智能传感器采用闭环控制来确保采样的平稳。该传感器以AT87C552单片机为核心，实现对瓦斯的检测、报警和控制，安全可靠，经久耐用，适合各类煤矿瓦斯的监控，可以大大降低煤矿事故的发生，降低企业成本，提高煤炭开采率，为我国煤炭事业做出贡献。 关键词：瓦斯，AT87C552，PID控制器 X安徽理工大学毕业设计BASED ON THE UNDERGROUND GAS DENSITY SINGLE-CHIP MICROCOMPUTER INTELLIGENT SENSE ORQAN DESIGNABSTRACTWith the rapid development of Chinas economy, various industries on the sharp increase in the demand for coal. but each kind of mining accidents occurrence, causes the coal safety in production faced with the stern challenge. This piece of article aims at the gas to carry on the monitoring to design.In the article, I in view of the gas characteristic, design simultaneously monitor the height density the gas system, all-weather uninterrupted carries on the monitor to the mine shaft gas density. Simultaneously uses the acousto-optics alarm system, once gas exceeding the allowed figure, the system reminds the downhole operation worker to evacuate urgently immediately, avoids the personnel casualty. Also put to use infrared remote-control system carry through long-distence supur risory control. Design this intelligent sensor adopt close-cycle control insure sampling placidity.This system take at87C552 monolithic integrated circuit as a core, realizes to the gas examination, the warning and the control, safe reliable, durable, suits each kind of coal mine gas the monitoring, may reduce coal mining accidents occurrence greatly, reduces the private costs, raises the coal recovery ratio, makes the contribution for our country coal enterprise.KEYWARDS: gas, AT87C552, PID controller 目录摘要（中文）I摘要（英文）II1 绪论11.1引言11.2系统简介22 系统功能介绍32.1性能描述32.2系统框架结构33 硬件电路介绍53.1甲烷传感器53.1.1 KG9701型智能低浓度沼气传感器53.1.2 高浓度瓦斯传感器(国产) 型号:ZR14-GJW4/10063.2 ADC0809引脚图与接口电路83.2.1 A/D转换器芯片ADC0809简介83.2.2. ADC0809的内部结构93.2.3信号引脚103.2.4 MCS-51单片机与ADC0809的接口113.2.5 A/D转换应用举例143.3 AT89C51简介153.3.1 AT89C51概述153.3.2 主要特性163.3.3 管脚说明163.3.4 振荡器特性183.3.5 芯片擦除183.4 8155简介213.4.1 8155各引脚功能223.4.2 8155的地址编码及工作方式233.4.3 8155的定时/计数器263.5 DAC0832介绍263.6 LED显示器293.6.1 LED显示器的结构293.6.2 LED显示器的工作原理324 PID控制334.1 PID控制器介绍334.2 PID控制实现385 软件流程图40总结43参考文献44致谢45ii1 绪论1.1引言随着我国国民经济的不断发展，对煤炭需求量也越来越大，这就使得煤矿的安全生产面临着一个十分严峻的问题。煤矿矿难事故屡屡发生，造成的原因有很多，其中不少是因为瓦斯爆炸引起的。为了防止瓦斯爆炸事故的发生，除了加强井下作业人员的管理，改善井下的作业环境外，还必须建立一个性能可靠的瓦斯监控系统。 煤矿瓦斯是指矿井中主要由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体的总称。有时也单独指甲烷。瓦斯在空气的体积分数达到一定的程度（5%12%）时，在一定条件下可与空气中的氧气发生剧烈的化学反应而形成瓦斯爆炸，对煤矿安全构成严重威胁。 矿井瓦斯监测监控技术是伴随着煤炭工业发展而逐步发展起来的。1815年，英国发明的世界上第一种瓦斯监测仪器瓦斯检定灯。利用火焰的高度来检测瓦斯浓度；20世纪30年代，日本发明了光干涉瓦斯检定器，一直沿用至今；20世纪40年代，美国研制了检测瓦斯浓度的敏感元件铂丝催化元件；1954年，英国采矿安全所研制了最早的载体催化元件。电子技术的进展推动了瓦斯检测控制装置的进一步发展，如20世纪70年代后期法国研制的CTT63/40U矿井监控系统、英国的MINOS系统、美国的SCADA系统等。 我国矿井瓦斯监控技术经历了从简单到复杂、从低水平到高水平的发展过程。从新中国成立初期到20世纪70年代，煤矿下井人员主要使用光学瓦斯检定仪、风表等携带式仪器检测井下环境参数。20世纪60年代初期，我国开始研制载体催化元件，随着敏感元件制造水平的提高和电子技术的发展，特别是大规模集成电路、微型计算机的广泛应用，使监控技术进入了新的发展时期。20世纪70年代瓦斯断电仪问世，装备在采掘工作面、回风港道等井下固定地点，实现了对瓦斯的自动连续检测及超限自动切断被控制设备的电源。随后，陆续研制了便携式瓦斯监控检测报警仪、瓦斯报警矿灯。1983年至1985年，从欧美国家先后引进了数十套监控系统及配套的传感器和便携式仪器装备煤矿矿井，并相应地引进了部分监控系统、传感器和敏感元件制造技，由此推动了我国矿井安全监测监控技术的发展。1983年以后，国内有多种型号矿井监控系统通过了技术鉴定，逐步实现了对煤矿矿井安全、生产多种参数的连续监测、监控、数据存储和数据处理。近几年，随着计算机的发明和应用，特别是网络和信息化建设的不断发展，给瓦斯治理提供了机遇条件，煤矿瓦斯监控网络系统应运而生。这些装备和系统的推广与应用，丰富了我国煤矿安全监控 产品的市场，改善了煤矿安全技术装备的面貌，缩小了我国与国外先进技术水平的差距。传统的煤矿瓦斯监控系统大体可以分为两大部分：井下部分和井上部分。井下部分主要通过各种检测设备（各种传感器，如风量传感器、负压（压力）传感器、一氧化碳传感器和矿用设备开停传感器等）来采集井下各种气体的浓度与含量、井下空气状况、设备的运转情况等数据，然后通过现场总线将数据传输到井上。在井上，井下传上来的数据通过专线与煤矿安全管理办公室服务器和更高一级安全主管部门服务器连接。服务器上面运行的是监控软件。上面有井下每一个传感器的标签，所显示的数据通过上传数据的改变而不断刷新。同时，监控软件还可以对这些数据进行汇总、处理、分析和存档，可以作为相关负责人员决策的重要依据。并且监控软件具有超标自动报警功能，用来提示工作人员对设备的故障或现场瓦斯浓度情况，以及时采取措施，避免重大事件的发生。煤矿瓦斯监控系统系统的意义不言而喻。以山西省为例，近几年，特别是2006年以来，山西省煤炭系统在党和各级政府及安全部门的重视下，全省煤矿信息化工作有了新发展，取得了新成绩。特别是由瓦斯监测监控系统建设所形成的全省煤矿四级信息网络平台，是计算机网络及信息技术用于瓦斯安全治理的一项创举，极大的促进了山西煤炭信息化工作。山西省煤炭系统2005年底累计安装使用瓦斯监控系统3868套。目前，该省国有重点煤矿121座矿井全部安装了瓦斯监测监控系统，并全部联网运行，在线运行率达100%。地方煤矿现有2806座矿井全部安装了瓦斯监测监控系统，已连网运行2671座。这些系统的运用，极大的降低了煤矿瓦斯事故。 由此可知，为了最大限度的降低煤矿瓦斯事故的发生，除了对工作人员严格要求外，加紧建设煤矿瓦斯监测监控系统必不可少，它对预防瓦斯事故的发生具有举足轻重的作用。1.2系统简介我设计的是基于单片机的井下瓦斯浓度智能传感器，该系统以单片机AT87C552为核心，包含甲烷浓度采样器、把220V的交流电转换成5V的直流电源、红外遥控系统、存储器的扩展、LCD显示器和报警装置等组成。该传感器可以有效的监测井下低浓及高浓瓦斯，试用范围非常广泛。监测到的信息传输到单片机，经单片机处理后发出指令，如果瓦斯超过规定值，该系统可以立即发出声光报警并自动发出执行指令以降低瓦斯浓度。该系统可有效的降低瓦斯事故发生率，结构灵活，扩展性强，具有较高的性价比，AT87C552的应用实现了电子硬件设计的“软件化”，大大的提高了系统的可靠性和抗干扰能力，非常实用于各种大小煤矿井下瓦斯的监测监控，性能优良，经久耐用，可靠性高。2 系统原理介绍图2.1 原理框图2.1电路简介根据上节所述的变流瓦斯检测原理，设计了如图7所示的变流瓦斯检测电路，该电路主要由电桥不平衡信号取样电路、锯齿波发生电路、电压比较器和脉冲稳幅电路四个部分组成。图7 变流检测电路Fig7 methane detecting circuit on variable current A部分为电桥不平衡信号取样电路，用此信号去调节C部分电压比较器输出的脉冲电压宽度；B部分为锯齿波发生电路，由555构成的时基电路工作在自激状态，振荡频率为1kHz，即周期为T=1ms，输出的锯齿波电压送到电压比较器的正端；C部分电压比较器的负端接受来自A部分的输出电压Uo2，当锯齿波电压超过控制电压Uo2时，比较器输出电压为高电平，锯齿波回扫时，当其电压值低于Uo2时，比较器输出为低电平，这样将形成一个矩形脉冲电压。在一系列锯齿波作用下，比较器就输出一矩形脉冲电压系列；D部分由高准确度可控稳压管TL431构成的脉冲稳幅电路，当通过TL431的电流在(1100)mA范围内时，只要分压电阻的温度系数相同，则输出电压有很高的稳定性，从而保证了在输入脉冲幅值变化时，输出脉冲的幅值恒定。为保证有足够的电流通过载体催化元件，设置了由三极管组成的脉冲电流放大环节。下面将详细讨论这四部分电路。2.1.1 恒温控制信号取样电路图8为恒温控制信号取样电路：这里没有采用传统的惠斯通电桥来获取瓦斯图8 恒温控制信号取样电路Fig8 constant temperature controlling signal sampling circuit与催化元件反应时产生的不平衡电压，而是用运放集成块组成运算电路，对电压信号进行处理，这样做的好处是抑制共模信号的能力增强了，同时由于黑元件上催化燃烧产生的电压只有毫伏级，不能直接与锯齿波信号进行比较，在Uo1的后面加入了同相比例运算电路，对前面输出的电压进行放大，以使其能与锯齿波电压进行比较从而输出所需的脉冲电压。当有瓦斯气体时，在黑元件上发生催化燃烧，黑元件温度上升，其阻值也随之上升，它上面的电压升高，不难推出： 式中、为无瓦斯时的阻值，、为电流流经元件时温度上升产生的阻值，为瓦斯气体在元件上燃烧时温度上升产生的阻值，前面已经提及，所谓的恒温是指温度在一个很小的范围内波动近似看成的，因此、的值都是非常小的，故U也很小，需要经过放大才能与锯齿波进行比较。在图8中有 则 适当选取电阻值，使m=1，n=2，这样便可获得瓦斯在黑元件上燃烧产生的电压。这里在实验室用QJ23单臂直流电桥对铂丝绕制的黑白元件的阻值进行了测定，当环境温度为1619时，测得的黑白元件的阻值分别为8.236和8.227（实际上这时黑白元件的温度已经大于400，达到了工作状态）。在检测瓦斯时需要将催化元件加热到500左右，给黑白元件提供3V的恒定电压，发生催化燃烧时，假设温度上升10，这时候黑元件阻值变为10左右，电流大概是150mA，则黑元件上产生的电压大概为0.265V。在图8中有： 取为14左右，则可将瓦斯催化燃烧产生的电压放大到合适的幅值与锯齿波电压进行比较。2.1.2 锯齿波发生电路555定时器是一种应用极为广泛的中规模集成电路。该芯片使用灵活方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器，因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。图9为NE555和R2，R3，C1组成的无稳态多谐振荡器： 图9 锯齿波发生电路Fig9 toothed wave generating circuit振荡器的输出频率为： 由此可算得输出频率为1kHz，C2起正反馈作用，即在Q1射级跟随器输出锯齿波的同时，正反馈至R2的上端，故在C1充电期间，R2上的压降保持不变，即C1的充电速率不变，因而极大地保证了锯齿波的线性。其非线性可控制在1%以下，且温度稳定性好。图中在555的电压控制端5脚外接了一个可调的控制电压，用以改变555内部比较器的基准电压值，即比较电平，由此可改变锯齿波的振幅，这里通过调节Rp1使输出锯齿波的最大值为4V。2.1.3 电压比较电路电压比较器可将模拟信号转换成二值信号，即只有高电平和低电平两种状态的离散信号。因此可用电压比较器来产生脉冲方波电压信号。电路如图10所示： 图10 电压比较器电路Fig10 voltage comparing circuit这里选用的电压比较器的型号为AD790，它有同相和反相两个输入端，同相端接锯齿波电压信号，反相端接瓦斯检测电路的输出电压，也就是脉冲电压宽度的控制信号。比较器采用单电源供电，引脚8接逻辑电平，其取值决定于负载所需高电平，这里接+5V，此时比较器输出高电平为4.3V。引脚5为锁存控制端，当它为低电平时，锁存输出信号。图10中C4、C5均为去耦电容，用于滤去比较器输出产生变化时电源电压的波动，R8是输出高电平时的上拉电阻。2.1.4 脉冲电压稳幅电路电路中选用TL431芯片对比较器输出的脉冲电压进行稳幅。电路如图11所示：图11 脉冲稳压电路Fig11 range of pulse stabilitating circuitTL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源, 它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V的任何值，工作电流范围为1mA100mA，K、A脚两端输出电压为： 改变Rp2的阻值，就可以改变输出基准电压大小，这里通过调节Rp2使输出的脉冲电压的幅值稳定在3V。2.1.5 声光报警电路上述是本设计瓦斯传感器的声光报警电路，有图可以看出是以555为核心的电路由555电路组成一单稳态触发电路，上电打开开关S1后，C1两端电压为0，555电路的输出脚输出高电平，报警器电路工作，进入报警状态。此时若水银开关断开，电源经R2向C1充电，当C1两端的电压充到高于2/3Vcc时，电路翻转，输出端变为低电平输出，报警电路失电停止工作。此时报警器便进入报警守候状态。这时若报警器受到振动，就会使水银开关中的水银一起振动，当开关接通时，555电路的2脚便输入一个低电平信号，这个低电平信号使得单稳电路输出状态改变，输出端变为高电平，报警电路工作，另一方面通过7脚将充于电容C1上的电荷放完，这时就算水银开关再次断开，由于C1两电压低于2/3Vcc，电路也将保持输出高电平，使报警电路工作，若一直有振通信号使水银开关接通，系统将一直报警，若报警后报警器不再振动，则当C1上的电充到大于2/3Vcc时，报警将自动停止，因此每次报警的自动关断时间为R2和C1的充电常数值。该报警器由直流稳压电源、定时开关电路和声控脉冲产生器三部分组成。图中S为话筒，它将脚步声或其他声响转换为电信号，且放大后加至555时基电路的触发端脚。555与R6、C2组成一个单稳态触发器，调节电阻R6使脚的电压略高于l/3VDD。555 3脚输出低电平。当有情况发生时，BG2输出一定幅值的负脉冲，使555翻转，相应脚输出高电平，信号经BG2缓冲放大后使可控硅SCR触发导通，将报警器的电源电路接通，发出报警信号。报警时间长短取决于电容器C2的充电时间常数td=1.1R6C2的大小。当C2上的充电电压超过2/3VDD时，555复位，3脚输出低电平，BG2相应截止，可控硅SCR断开。在C2充电期间，即报警定时结束之前，应使555脚通过R5和D1将输出高电平反馈到触发端脚，以免后继脉冲或其他干扰影响定时精度。定时的长短可通过改变时间常数R6C2的大小来调节。常见故障现象与查找方法 ：1)发光二极管不亮：，用万用表测12V供电电源是否正常；，用数字万用表检测电阻R1、发光二极管VDl、三极管VT2是否损坏；测lCl所构成单稳态电路，若ICl的脚始终输出低电平，VT2将一直处于截止状态，发光二极管不亮，可采用代换法判断555集成电路的好坏。 2)发光二极管亮但不闪烁：测三极管VT2，若VT2击穿，更换VT2故障即可排除；测ICl、脚的电平，若为低电平，查RP1及连线是否有断线或虚焊，查C1是否击穿及ICl脚是否悬空。在外围元件检查无误后，可采用代换法判断lCl是否损坏；用上述方法，查找IC2、IC3及其外围元器件。 3)发光二极管闪烁频率不正常：主要查单稳态电路ICl，当单稳态电路工作不正常时会造成发光二极管闪烁频率不正常，其主要原因是由于电容C2造成的，可调当调整C2的大小。 4)扬声器不响：查供电电源电压及检测三极管VT3、扬声器是否损坏；测量IC4第5脚的控制信号电压，不正常查IC3第3脚信号及R4，也可通过示波器测量输出波形判断故障部位。2.1.62.2变流瓦斯检测方法的原理2.2.1变流瓦斯检测方法的基本思想为了解决上节所提到催化传感器存在的问题，就必须抛开连续电流供电的传统方法，以保证测量元件与参比元件温度永远相等，设计出真正的恒温检测桥路。实现方法是通过一个硬件电路构成的闭环反馈系统，强迫检测元件与参比元件保持在平衡状态，使测量元件工作在恒温状态下。该检测环路使测量元件的温度与参比元件的温度进行比较，当环境中的CH4气体在测量元件表面燃烧时，测量元件的温度将很快上升使电桥失去平衡，硬件电路构成的闭环反馈系统监测到偏移信号后，输出控制脉冲信号，将已经偏移的桥路“矫正”回来，使回路周而复始地工作在偏移/校正的振荡之中。测量元件的温度是以微小的锯齿波形状的轨迹在恒温区波动26，如图6所示：图6 传统的检测桥路与恒温桥路的浓度温度特性曲线Fig6 contrasting curve between two methods这个波动的温差很小，只有零点几度的差别，基本上可以认为参比元件和测量元件的温度是相等的。这种方法保证了在任何CH4浓度下，测量元件的温度不变，彻底有效地杜绝了高浓CH4的燃烧，大大延长了催化元件的使用寿命，也使仪器的零点稳定性、精度稳定性得到了的提高。本研究所研制的脉冲供电检测桥路与传统的测量机理截然不同，检测元件工作于间歇脉冲供电状态，不随CH4温度变化，反馈环路中的脉冲频率与CH4浓度呈正比关系。从微观的角度上看，单片机检测的是测量元件上温度的上升速率，而传统方法则是检测元件上的绝对温度。测量桥路是恒温的，无论检测多高浓度的瓦斯，检测元件的温度都不变，所以它能够抗高浓冲击，能够拥有更长的寿命和极好的稳定性。2.2.2变流瓦斯检测方法的原理变流检测方法是一种使载体催化传感元件在检测瓦斯气体时保持恒温状态的新型检测方法。它的基本原理是：在瓦斯浓度升高时，通过闭环反馈电路，使工作电流相应减少，以保持催化元件的温度不变，利用电流的减少量和瓦斯含量间的对应关系，实现瓦斯含量的检测。载体催化元件的静态热平衡方程是47： 式中 I载体催化元件的工作电流； r载体催化元件的电阻； 瓦斯氧化反应燃烧热系数； 空气中瓦斯体积分数； 载体催化元件温度；环境温度；热传导系数；B元件面积；A辐射系数；角系数。方程式左边是单位时间内工作电流所产生的热量和瓦斯气体在载体催化传感元件表面发生氧化反应所产生的热量之和，后者与瓦斯体积分数成正比；方程式右边是催化传感元件在单位时间内热传导和热辐射损失的热量之和，其中传导热是催化传感元件通过导线和空气传递的热量之和，由于催化传感元件工作在一个半封闭的气罩内，其同空气的对流散热很小，可忽略不计。方程两边在催化传感元件达到热平衡时是相等的。在变流瓦斯检测中，工作电流随着瓦斯浓度增加而减小，元件处于恒温状态，载体催化元件工作温度和阻值保持不变。故在环境温度一定的情况下，方程式右边为一常数，设对于该种检测方法，因保持不变，即当无瓦斯()时，；当有瓦斯时 式中I、分别为有瓦斯、无瓦斯的工作电流，即 此式表明电流变化与瓦斯体积分数不是线性关系。因此，在设计检测电路时，为使电流大小能反映瓦斯体积分数，不能采用一般的可控直流电源，而需采用宽度可调的脉冲电流源，即脉冲电流的幅值恒定，但其宽度可由反馈信号调节。当瓦斯体积分数增加时，减少脉冲的宽度T以减少通过元件的平均电流。由式（3-3）知，瓦斯体积分数为 与电流平方成线性关系，脉冲电流有效值为 式中T为脉冲电流周期，为脉冲电流幅值。在一定的条件下与占空比的平方根成线性关系，即其平方与占空比成线性关系。又脉冲电流平均值为，与占空比成线性关系，故脉冲电流的平均值可以线性地反映瓦斯体积分数，即瓦斯浓度。2.2.3智能瓦斯监测仪原理框图3 硬件电路介绍3.1甲烷传感器3.1.1 KG9701型智能低浓度沼气传感器KG9710型智能低浓度沼气传感器主要用于监测煤矿井下环境气体中的瓦斯浓度，是煤矿预防瓦斯突出和瓦斯爆炸必不可少的测量仪表。它可以连续自动地将井下沼气浓度转换成标准电信号输送给关联设备，并具有就地显示瓦斯浓度值，超限声光报警等功能。采用国家科技“九五”攻关项目成果：高稳定性、长寿命热催化元件，通过改变制作工艺及催化剂配方(自制)等，大大提高了催化元件的性能指标，利用人工智能技术对信息进行处理分析，增强了仪器抗高瓦斯冲击的能力，将稳定性能指标由一周提高至一月，使用寿命由一年延长至一年半。具有性能稳定、测量精确、响应速度快、结构坚固、易使用易维护等特点，增加了遥控调校、断电控制、故障自校自检等新功能，大大节约了使用与维护费用。目前该传感器已广泛应用于全国大、中、小型煤矿，在国内市场占有率超过60，在煤矿预防瓦斯灾害方面经常发挥重要作用，产生了可观的经济效益和良好的社会效益。 主要技术指标：测量范围：04.00%CH4(010.00%CH4)测量精度：0.001.00%CH4 0.10%CH41.002.00%CH4 0.20%CH42.004.00%CH4 0.30%CH44.0010.00%CH4 8.00%真值(相对误差)元件检测反应速度：20s调校周期：1个月使用寿命：1.5年信号带负载能力：0400报警方式：二级间歇式声光报警，85dB(声强)，能见度20m(光强)报警点范围：0.52.5连续可调采样方式：限制扩散式整机工作电压：924V DC传输距离：3km(供电18V DC使用1.5mm2截面铜芯电缆)输出信号：2001000Hz、15mA DC防爆型式：Exibd矿用本安兼隔爆型3.1.2 高浓度瓦斯传感器(国产) 型号:ZR14-GJW4/100基本参数工作环境条件:温度: 040相对湿度: 98%大气压力: 86kPa116kPa风速: 0m/s8m/s测量范围:高浓： 0%CH4100%CH4温度： 040测量范围（%CH4）高浓：4.00-10.010.0基本误差（%CH4）1.0测量上限的10% 温度：基本误差：2分辨率: 高浓0. 1%CH4， 温度0.1显示方式: 六位LED，其右三位显示甲烷，左三位显示温度响应时间: 20s报警点: 可调,仪器出厂时设定在1.00%CH4；在0.3%CH4-3.5%CH4内可调断电点: 可调,仪器出厂时设定在1.50%CH4复电点: 可调, 仪器出厂时设定在1.00%CH4高低浓度转换点：1）从低到高：3.5% CH42）从高到低：2.5% CH4调节方式：使用本公司生产的FYF型遥控器防爆标志：ExibI防爆合格证号：1044440安全标志证号：20042726报警方式:声光，其中:音量: 85dB光可见度: 20m工作方式:扩散式防爆型式:矿用本安兼隔爆型；防爆标志：ExibdI。输出信号: 两路 200Hz1000Hz频率输出。 甲烷：200600Hz对应甲烷浓度为04%6001000Hz对应甲烷浓度为4100%。 温度：200Hz1000Hz对应040。Ui：DC 20V；Ii：90mA。关联设备:本公司生产的DJ4G-2000固定式甲烷断电仪防爆型式：矿用隔爆兼本质安全型防爆标志：ExdibI，传感器到断电仪的距离不大于2000米。防爆合格证号：1042460安全标志证号：20042728。配接设备：本公司生产的KJF33通用监控分站防爆型式：矿用本质安全型，防爆标志：ExibI 防爆合格证号：1034356 ，安全标志证号：20033034传感器到分站的距离不大于2000米。传输电缆:电缆最大长度：2000m分布电容0.1Fkm分布电感1mHkm外形尺寸：200 mm110 mm35mm质量：1.1kg3.2 ADC0809引脚图与接口电路3.2.1 A/D转换器芯片ADC0809简介 8路模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道抵制锁存用译码电路，其转换时间为100s左右。 图3.2.1ADC0809引脚图3.2.2. ADC0809的内部结构ADC0809的内部逻辑结构图下图所示： 图3.2.2ADC0809内部逻辑结构图中多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。地址锁存与译码电路完成对A、B、C 3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连。表3.2.1为通道选择表。表3.2.1 通道选择表 3.2.3信号引脚ADC0809芯片为28引脚为双列直插式封装，其引脚排列见图9.8。对ADC0809主要信号引脚的功能说明如下：IN7IN0模拟量输入通道ALE地址锁存允许信号。对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。START转换启动信号。START上升沿时，复位ADC0809；START下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持低电平。本信号有时简写为ST.A、B、C地址线。通道端口选择线，A为低地址，C为高地址，引脚图中为ADDA，ADDB和ADDC。其地址状态与通道对应关系见表9-1。CLK时钟信号。ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。通常使用频率为500KHz的时钟信号EOC转换结束信号。EOC=0,正在进行转换；EOC=1,转换结束。使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。D7D0数据输出线。为三态缓冲输出形式，可以和