毕业设计（论文）-智能瓦斯仪表设计.doc

1绪论1.1 本次课题研究的背景与意义在工业生产中有各种各样的控制问题，其解决的程度直接关系到经济效益和管理水平。最初的工业过程控制是通过单元组合仪表进行原始分散控制，各控制回路相互独立，其优点是某一控制回路出现故障时，不影响其它回路的正常工作；其缺点是硬件过多，自动化程度不高，难以实现整个系统的最优控制。随后出现了集中控制，它是通过计算机将控制回路的运算、控制及显示等功能集于一身，其优点是硬件成本较低，便于信息的采集和分析，易实现系统的最优控制；其缺点是危险集中，局部出现故障会影响整体。鉴于以上原因，人们开始研究集中分散控制。随着控制技术、计算机技术、通信技术、图像显示技术的发展，70年代中期，吸收原始分散控制和集中控制两者优点，克服其缺点的集中分散控制系统诞生了。现代集散控制系统应用范围非常广泛，一些高精度、高危险行业相继采用了集散控制系统，均取得了很好的效果。煤炭生产作为现代工业生产中一个危险系数较高的行业，其安全问题一直倍受关注，而且越来越多的人开始重视这一问题。于是煤矿中的安全监控系统就应运而生了，安全监控系统中处核心地位的就是集散控制系统(DCS)了。我国是世界上煤炭资源最丰富的国家之一，不仅储量大，分布广，而且种类齐全，煤质优良，为我国实现工业现代化提供了极为有利的条件。但在我国煤炭生产中，煤矿事故的死亡率一直居高不下。据报导，2005年全国煤矿企业共发生伤亡事故3341起，死亡5986人。其中，因瓦斯造成的事故占绝大多数，只要是因瓦斯发生的事故，非死即伤，形势非常严峻。矿井中的爆炸性气体主要成分是甲烷，是易燃易爆气体中的一种，约占井下易燃易爆气体的85%左右。当甲烷浓度达到5%-15%时，遇到火源或者火花就会发生爆炸；当达到25%-30%时，人就会出现窒息前的症状，头晕、呼吸增快、浑身乏力，注意力不集中，甚至窒息。因此，在煤矿井下，甲烷浓度超出安全范围非常危险，将对矿工的生命安全和生产安全产生巨大的威胁。所以，能否对煤矿中甲烷气体浓度进行有效的监测，直接影响着矿工和生产的安全。而甲烷传感器是煤矿下监测甲烷浓度的主要设备。1.2 本次设计的任务 煤矿安全监控系统需要监测的环境参数很多，其中最重要的就是瓦斯的浓度。监测瓦斯浓度的主要设备是瓦斯传感器系统，目前市面上通用的瓦斯传感器有很多，一般各有各的适用场合。本次设计则是设计一个煤矿安全监控系统中最前端、最重要的设备智能瓦斯传感器，用来监测矿井中瓦斯的浓度。 在传感器的设计中，先提出总体设计方案，然后分别设计各硬件方面、软件方面、通信方面、抗干扰方面。最后，对全文进行总结。 2集散控制系统2.1 集散控制系统概述 集散控制系统又名分布式计算机控制系统，国外最早称为分散控制系统，即DCS( Distributed Control System)。后来又叫做集中(总体)分散控制系统( Total Distributed Control System)，我国习惯上称之为集散控制系统或DCS。它是以微机处理器为基础，继承单元组合仪表及计算机系统的优点，充分利用了控制技术、计算机技术、通信技术、图像显示技术(即4C技术)的应用成果；集中了连续控制、批量控制、逻辑控制和数据采集功能的计算机综合控制系统。其主要特征是:集中管理，分散控制。自1975年第1套集散控制系统TDC- 2000诞生以来，以后的20多年中，各类集散控制系统广泛应用于石油、化工、煤矿、冶金、炼油、纺织、制药等行业，均取得了很好的效果。 计算机控制系统按结构划分，可以分为集中控制和分布式控制。集中控制是指由单一的计算机完成控制系统的所有功能，并对全部被控对象实施控制的一种系统结构。其优点是系统的整体性和协调性好，但对计算机的可靠性和安全性要求甚高；而分布式控制系统（DCS）则以多台计算机分别承担不同的控制功能和处理范围，不仅处理能力大大提高，而且将危及到系统安全的因素降到了最低。 传统意义上的DCS系统的最基本构图式如图2-1所示。图中:C1，C2，Cn为控制；f1，f2，fn为反馈信息。对DCS系统而言，各控制单元之间没有直接的信息联系，各控制单元有自己的性能指标，控制策略和算法，且其性能指标和控制算法等由决策单元按一定优化准则调节给出。如果图2-1中去掉决策单元，就成了分散控制系统(Decentralized Control System)，它并不具备DCS的上述特性和功能。图2-1 DCS的基本构成构图 在工程中，DCS系统除了具有控制功能之外，还要实现监视、管理等其它功能。所以其具体的组成就相对复杂，系统组成框图如图2-2所示。 图2.2 DCS系统组成框图 由图2-2可见，DCS系统实际上是一种分级递阶结构。各控制器完成过程对现场的控制任务，根据控制对象特性，可以分别情况，采用顺序控制，程序控制，模拟量控制等等，其控制策略与控制算法要随被控对象与要求而定。数据采集器用于收集控制信息和被控过程的各种状态信息，数据采集任务不但可由控制器完成，也可由一般仪表和逻辑箱完成。控制器和数据采集器在控制现场对信号进行预处理后经高速数据通道送到上级计算机和CRT操作站。CRT操作站是显示操作的装置，监控级(计算机)通过协调各控制器的工作，实现控制过程的动态最优化。管理级(计算机)具有管理功能，又兼具对监控级实现监控的功能。它具有丰富的信息资源，能够对被控对象进行监控，制定计划，进行成本核算，对设备和人员进行管理等，以实现被控过程的静态最优化和综合自动化。2.2 集散控制系统的特点 集散控制系统主要特点有：分级递阶控制、分散控制、功能齐全、易操作、安全可靠性高等，下文就详细介绍这些特点。 （1）分级递阶控制。集散控制系统是分级递阶控制系统，它的规模越大，系统垂直和水平分级的范围也越广。以微处理器为核心的基本控制器，不但能代替模拟仪表完成常规的模拟控制，而且能实现复杂算法控制和程序控制。在基本控制器内可采用固化的应用软件，在控制现场对输入输出数据进行数据处理，减少了信息的传输，大大减少了上级计算机的数据处理量，降低了对上级计算机的要求，使系统程序应用较为简单。（2）分散控制。分散控制是集散控制系统的一个重要特点。分散的含义不单是控制的分散，还包括人员地域的分散、功能分散、设备分散、负荷分散、危险分散。它的目的是将危险分散，提高设备的使用率。在现场就地安装控制器，不仅节省了输入输出电缆的长度，同时减少了传输信号的干扰。在功能上各控制器各自为政，各自独立完成各自的功能，使系统故障分散，从而使系统可靠性大为提高。（3）功能齐全。 可完成简单回路调节、复杂多变量模型优化控制，可执行PID控制算法、前馈反馈复合调节、史密斯预估、预测控制、自适应控制等各种运算。可进行反馈控制，也可进行间断顺序控制、批量控制、逻辑控制、数据采集，可实现监控、显示、打印、输出、报警、历史趋势贮存等各种操作要求。（4）易操作性。集散控制系统根据对宜人学的研究，结合系统组态、结构方面的知识，为操作工提供了一个非常好的操作环境。为操作员提供的数据、状态等信息易于辨认，报警或事件发生的信息能引起操作员的注意，长时间工作不易疲劳，操作方便、快捷。（5）安全可靠性高。为了提高系统的可靠性，确保生产持续运行，集散控制系统在重要设备和对全系统有影响的公共设备上采用了后备冗余装置，并引入容错技术。硬件上包括操作站、控制站、通讯线路等都采用双重化配置，使得在某一个单元发生故障的情况下，仍然保持系统的完整性，即使全局性通信或管理失效，局部站仍能维持工作。从软件上采用分段与模块化设计，积木式结构，采用程序卷回或指令复执的容错设计，使系统安全稳定。（6）可设置多功能的CRT操作站以实现集中监控与操作。3 DCS在煤矿安全监控系统的应用 集散控制系统(Distributed Control System,简称DCS)是以多台微处理器为基础的集中分散型控制系统。DCS以其控制分散、集中管理、系统规模可大可小、配置灵活、组态方便以及高可靠性等优点广泛应用于各个工业领域。是目前工业过程控制中，尤其是大中型生产装置控制中应用最多、可靠性最高的控制系统，如石化企业的各种装置(减压精馏装置、催化裂化装置、乙烯装置等)；冶金企业的高炉、电弧炉、连续加热炉、锅炉、轧机等控制；火力发电机组和各种大型变电站的自动控制；企业的能源控制和管理系统；高级楼宇自动化系统等。下文就着重讲述DCS在煤矿安全监控系统中的应用。3.1 煤矿安全监控系统的产生背景近年来，煤矿矿井开采逐渐增多，自然灾害的威胁也不断突出。不少矿井的瓦斯涌出量增多，粉尘危害变得更加严重，煤炭自然发火也更难于控制。原有的矿井通风系统已不能适应高产高效矿井安全生产的需要。由于这些自然条件和生产环境的变化，使得矿井的不安全因数增加。矿井安全问题已经成为影响煤炭工业生产，保持矿井持续、健康发展以至于影响社会稳定的重大问题。这对矿井安全的科研工作提出了更高的要求，需要进一步研究矿井自然灾害的预防及控制技术，不仅要为国家重点矿井、高产高效矿井提供有效的安全保障系统，同时也要为地方矿井、乡镇矿井提供简易有效的安全保障系统，以便有效的防止和减少灾害的发生和由此带来的损失。矿井监控技术的开发和应用，在国内起步于80年代初期，至今已得到广泛的发展和应用。期间，随着新材料技术、传感技术、数字通信技术、控制技术、计算机技术、软件技术和网络技术的迅速发展，越来越完善。监控系统从其通讯方式上划分，先后经历了三个阶段：第一阶段是每个传感器需一对传输线连接到地面的星型结构；第二阶段是在一对传输线上实现多路频率分割的载波传输；第三阶段是目前应用最多的中心站和分站之间的半双工时分总线方式。此外，还有中心站和分站之间的星型网络结构、环型网络结构，但这两者也分别因使用电缆多和抗故障能力差的缺点，逐步被淘汰。如今，在总线方式结构下，开发了以微处理器为基础，继承单元组合仪表及计算机系统的优点，充分利用了控制技术、计算机技术、通信技术、图像显示技术(即4C技术)的应用成果，集中了连续控制、批量控制、逻辑控制和数据采集功能的计算机综合控制系统集散控制系统被用于各个领域。其主要特征是：集中管理，分散控制。集散控制系统即DCS广泛应用在各种煤矿矿井中，均取得了不错的效果。下面就详细介绍以DCS为基础的煤矿安全监控系统。3.2 煤矿安全监控系统 煤矿安全监控系统将计算机网络技术、监测监控技术、远程控制调度通信技术综合于一体。作为整个矿井网络信息管理系统的一部分，主要监控矿井上下各类安全参数、生产参数及电力参数。其主要工作过程就是：井下分站将所接的各种传感器接收的各种参数一方面传输给地面主机，另一方面根据参数自行判断输出控制信号。而主机接收到信号后，对它们进行判断处理，一方面发出控制信号和其它信号，另一方面进行外设输出显示并存贮，使整个煤矿生产安全中进行。 下图3-1就是一个煤矿安全监控系统的结构图。图3-1 KJ103煤矿安全监控系统结构图3.2.1系统主要功能介绍 （1）可监测监控瓦斯、风速、负压、一氧化碳、烟雾、温度、风门开关等环境参数，煤仓煤位、水仓水位、压风机风压、箕斗计数、各种机电设备开停等生产参数和电压、电流、功率、电度等电量参数。 （2）可以配接胶带集中控制、轨道运输通信集中、电力监测、火灾监测等系统，实现局部环节的自动化。 （3）可以在全监测系统范围内通过便携式调试电话机与地面中心站或分站、传感器进行语音通信。 （4）系统操作平台采用Windows2000软件，所有功能操作均具有在线帮助，在中文菜单提示下完成 。并可方便的点击图形，即点即得所需信息。可随时显示监测数据、图形、曲线和报警点及数值。 （5）通过主机CRT可显示以下几大类信息： 系统生成及操作； 测点生成及操作； 时钟和日期显示； 工艺流程模拟图形显示； 各测点数据表格显示； 模拟量参数的实时值表格、二维或三维、变化曲线显示； 开关量的实时、开/停时间显示； 累计量的实时值显示； 各类报警表格显示； 系统相关设备及软件操作说明显示。 （6）系统支持多种图形格式，配备简单的绘图工具，可以方便地在屏幕上绘制各种模拟图形。绘制时不影响系统传输。 （7）可方便地由用户自行生成各类表格，打印所要求的各类数据表格、图形及曲线。 （8）通过主机串行口实时的与分站级设备进行广播式通信。 （9）通过主机串行口实时的与模拟盘进行广播式通信。 （10）可以配接大屏幕或投影机，以便在更大的面积上显示更多的工艺模拟图、监测曲线、表格和文字，以及主机CRT上所能显示的全部内容。 （11）对各类报警信息进行处理，并实时地存储和报警。传感器超限时有声光报警显示，并在主机屏幕上有醒目报警条，显示传感器的数值、地点及报警时间。 （12）传感器报警断电点通过软件设定或修改，也可以在分站上直接设定。具有局部区域断电和全矿范围内异地断电多种形式。 （13）对监测到的实时数据进行处理，并采用数据库进行存储。模拟量每2min存一个平均值，开/停信息按小时计时，累计量按小时累计。存储时间可以根据要求调整。 （14）高智能分站具有风电瓦斯闭锁功能，可单独使用。大显示屏能够显示所配接的各类模拟量和开关量状态，红外遥控或键盘设定及存储有关参数和显示瓦斯数据曲线。还可以作为主站挂接小分站。 （15）系统能进行扩展，并可与其他系统连网，形成全矿井的监测信息管理中心。监测主机以工作站的形式方便地接入网络，实现资源共享。 (16)系统提供多种诊断功能，包括系统的传输校验、误码率测试、传感器故障统计、分站故障统计等监测系统的自身诊断，还可以通过Modem进行远程诊断。3.2.2 系统组成及工作原理 系统将计算机网络、光纤高速通道、矿井安全和生产监控及其他子系统综合在一起，形成一个完整、实用的矿井综合监控系统。根据需要各部分既可以集成在一起，既可以单独使用，可满足各个矿井的不同需求。由于矿井下工作环境的要求，系统为集散型结构，其信息检测及分站等设备的布置完全按照矿井特点设置，使各部分设备都能被充分合理地运用，以满足矿井管理的实际要求。系统组成如下图3-2所示。 系统主要由监测主机及外设、传输接口、传输电缆、分站和各种传感器组成。主机连续不断地轮流与各个分站进行通信，每个分站接受到主机的询问后，立即将该分站接收的各测点的信号传给主机，各分站又不停地对接收到的各传感器信号（开关量、模拟量和累计量）进行检测变换和处理，时刻等待主机的询问，以便把检测的参数送到地面。需要对井下设备进行控制时，主机将控制命令与分站巡检信号一起传给分站，由分站输出通过远动开关控制设备。监测主机将接收到的实时信号进行处理和存盘，并通过本机显示器、大屏幕、模拟盘等外设显示出来。可显示各种工艺过程模拟盘、测量参数表、各种参数的实时或历史曲线、柱状图、圆饼图等，也可通过打印机打印各种报表，或通过绘图仪绘制各种图表和曲线。 系统在地面建立了一套局域网络，配置服务器和若干台工作站。中心站都插有网卡，作为计算机网络的一个工作站，监测主机的信息可以全部上网。其余工作站分别放置在矿领导和有关职能部门。图3-2 煤矿安全监控系统组成框图3.2.3 系统软件工程流程 （1）系统主程序安全监控系统将计算机网络、光纤高速通道、矿井安全和生产监控及其他子系统中和在一起，形成一个完整、实用的矿井综合监控系统。根据需要可以选择不同的配置，组成不同类型的系统，以满足各个矿井的不同需求。但是其主要的工作流程都基本相同。系统主要由监测主机及外设、传输接口、传输电缆、分站和各种传感器组成。主机连续不断地轮流与各个分站进行通信，每个分站接受到主机的询问后，立即将该分站接收的各测点的信号传给主机，各分站又不停地对接收到的各传感器信号进行检测变换和处理，时刻等待主机的询问，以便把检测的参数送到地面。需要对井下设备进行控制时，主机将控制命令与分站巡检信号一起传给分站，由分站输出通过远动开关控制设备。监测主机将接收到的实时信号进行处理和存盘，并通过本机显示器、大屏幕、模拟盘等外设显示出来。其主要工作流程图如图3-3所示。 （2）分站子程序 在整个系统中，监控分站是一个非常重要的组成部分，具有数据采集、控制输出、键盘输入、遥控输入、液晶显示和与下一级数据采集站通信的功能。主要用作信息采集、信息传输、控制输出。由于其功能比较多，所以将它分为四个模块分别设计，分站与主机通讯软件，分站与下一级分站通讯软件，分站与各传感器通讯软件，分站与控制器通讯软件。分站与主机通讯：分站接收主机的各命令信号，根据命令信号发送数据信号或应答信号。分站与下一级分站通讯：根据主机命令对下一级分站进行巡检，同时存贮各数据信号，等待命令向主机发送。分站与各传感器通讯：分站收到各传感器信号后，判断是否需要自动输出控制信号，同时把数据信号存贮，等待命令后向主机发送。分站与各传感器通讯：分站收到各传感器信号后，判断是否需要自动输出控制信号，同时把数据信号存贮，等待命令后向主机发送。图3-3 系统主要工作流程图3.2.4 系统主要应用设备煤矿安全监控系统的重要应用设备有：矿用水位传感器、负压传感器、机电设备开停传感器、矿用温度传感器、烟雾传感器、智能遥控瓦斯传感器、一氧化碳传感器、电量变送器、数据传输光端机、数据传输光端机、传输接口、隔爆兼本质安全型电源箱、隔爆兼本质安全型不间断电源箱、远动开关、远动开关、声光报警器、电力参数变送器、通用监控分站、串行扩展器、矿用双工调试电话。而本设计中主要涉及的是智能遥控瓦斯传感器，下一章就着重介绍。4 智能瓦斯传感器的设计 工业控制中使用的传感器种类和型号有很多，下图就是一种常见的在煤矿中使用的瓦斯传感器，它由遥控器、挂钩、外壳、显示部分、蜂鸣器、光报警装置、黑白件、传输线及内部主板等组成。图4-1 GJ4低浓度甲烷传感器4.1 智能瓦斯传感器概述4.1.1智能瓦斯传感器的功能 （1）显示功能：实时显示瓦斯浓度。 （2）测量范围：04。 （3）测量误差：O1。 （4）安全浓度报警点设置：由上位机监控分站自动设置。 （5）检测到瓦斯浓度超过设置的安全值时，声光报警，并记录下发生的时间。 （6）将检测到的瓦斯浓度通过RS485总线向监控分站传输数据。4.1.2 GJ4型智能遥控瓦斯传感器的参数 以下为GJ4型智能遥控瓦斯传感器的一些参数。 （1）工作环境要求：温度：0+40；相对湿度：95%（+25）；大气压力：80110kPa；浓度9.6ppm，含瓦斯、煤尘等爆炸性混合物的场所；无淋水和明显振动和冲击的场合； （2）技术参数：测量范围：04%；测量误差：01%CH4时0.1%； 12%CH4时0.2%；24%时0.3%；响应时间：小于30s； 遥控范围：距离不小于5 m ，角度不小于120度；报警点及报警方式：0.51.5%CH4可任意设置；灯光闪烁，蜂鸣器振荡；断电点：0.53%可任意设置（出厂时调至1.5%）；断电信号输出：电压5V ，电流大于4mA；复电点：0.52.5%可任意设置（出厂调至1.0%）；输出信号： GJ4-1型 频率2001000Hz，负载电阻大于1.5k 输出高电平大于3V；GJ4-2型 恒流15mA，负载电阻0500； GJ4-3型 RS485接口，传输速率 1200 bps； 工作电压：DC918V；标定流量：300ml/min；工作电流：GJ4-1、2型： DC18V时不大于80mA；GJ4-3型： DC18V时不大于120mA 。4.1.3智能传感器特点 智能传感器的特点概括起来主要有以下9个： （1）自校零、自标定、自校正。（2）自补偿和计算功能。 （3）信息的存储和传输。（4）能自动采集数据，并对数据进行预处理；能自动进行检验，自选量程，自寻故障；双向通讯、标准化数字输出或符号输出。 （5）精度高。 （6）可靠性与稳定性好。（7）信噪比高、分辨力强。 （8）自适应性强。 （9）价格性能比低。 传感器本身是一个系统，随着科学技术的发展，这个系统的组成及其研究内容也在不断更新早期人们曾简单片面地认为只要在工艺上将传感器与微处理器两者结合、将敏感元件及信号调理电路与微处理器集成在一块芯片上就是智能传感器。后来在实践中发现这是不必要和不经济的，成为智能传感器的关键是传感器（通过信号调理电路）与微处理器微型计算机赋予智能的结合，兼有信息检测与信息处理的功能。4.2 瓦斯传感器的分类及比较常用的瓦斯传感器，按其工作原理可以分为光干涉型，载体催化型，热导型，气敏半导体型，红外型等。各种瓦斯检测方法的比较如下表4-1所示。在实际应用中，根据使用场所、测量范围等要求，可以选择不同检测原理的甲烷传感器。目前，国内煤矿生产中普及的是催化型甲烷传感器。 表4-1我国煤矿主要瓦斯传感器性能比较名称原理精度零点漂移稳定性选择性矫正周期使用面光干涉折射率不同中好好中气敏半导体气体吸附差大差差小载体催化热效好中中差很短广红外吸收气体吸收好小好好自矫正小我国目前的煤矿安全监控系统中几乎全部采用热催化型来检测瓦斯。热催化型瓦斯传感器有一定的局限性，但是却具有价格低廉的特点，易于煤矿中大面积广泛使用，载体催化元件检测占据了矿井瓦斯和多种易燃易爆气体检测领域的首位。这种传感器的优点是精度较高，输出信号较大(1时，输出电压可达2025mv)，且不易受其它燃气和灰尘的影响。4.3 瓦斯传感器总体设计方案CPU在测量中是核心部件，选择好CPU是设计中关键的部分。本次设计的任务是准确测量瓦斯的浓度，具有自动报警功能，并且能与井下监控分站进行通信。从经济性和使用性角度来考虑，数据处理量不是很大，通用的8位51单片机即可满足功能需求。本次设计采用ATMEL公司生产的AT89C52单片机。根据系统要求，确定该系统总体设计方案如图4-2所示：4-2 瓦斯传感器硬件结构图 当空气中存在瓦斯时，瓦斯催化传感元件组成的检测电桥就会输出一个电压小信号，经两级放大电路放大，再经AD转换，转化为对应的数字量，成为能被单片机识别的电压信号，串行输入至单片机。单片机根据存储在EEPROM24C16中的线性补偿数据和零位修正系数进行瓦斯浓度校正处理，获得较高精度的测量结果，送至数码管显示。如果瓦斯超限，发出声光报警提示。测量的结果通过RS485总线上传给井下监控分站，实时监控瓦斯的浓度状况。当瓦斯浓度高于4时，为了防止对催化传感元件的冲击，对传感元件进行断电保护。当电源干扰或程序等原因造成系统故障时，CH451启动看门狗电路功能，系统自动恢复运行。4.4瓦斯传感器的主板瓦斯传感器主板电路主要组成部分有：电源芯片、探头装置、输出信号电路、比较放大电路、A/D转换电路、CPU、锁存器为、数码显示管、看门狗电路、报警电路等。电源芯片：为传感器主板提供工作电压。探头装置：此传感器探头采用催化燃烧技术，瓦斯气体在黑白元件表面燃烧，使之产生阻值变化，从而破坏检测电桥平衡，产生正比于瓦斯浓度的直流电压输出信号。输出信号电路：传感器探头产生的直流电压信号被输出，使之与设定的信号相比较，从而检测瓦斯浓度是否超标。比较放大电路：传感器探头产生的正比于瓦斯浓度的直流电压信号非常微弱，需要经过放大后才能进行A/D转换。A/D转换电路：将模拟信号转换为单片机可识别、储存、运算的数字信号。CPU：此传感器系统选用AT89C52芯片。AT89C52采用增强型CPU，片内ROM 最大容量为8KB，片内RAM容量为256B，定时器/计时器个数为316，中断源为6个。CPU芯片接受到比较放大电路传递的信号进行处理，一方面通过RS485通信接口向上位机传送数据，另一方面通过计算后在数码管上显示瓦斯浓度值，同时还要与程序中设定的警戒值相比较，一旦达到或超过警戒值，则发出声光报警，起到早期预警的作用。锁存器：对单片机输出的信号进行锁存。此系统选用的锁存器为74HC573。数码显示管：此系统采用的是LED显示器。数码显示管接到CPU传送过来的指令后显示当前瓦斯浓度。看门狗电路：单片机应用系统受到干扰后，都要进行复位，因此一定要有一个可靠的复位电路来提高单片机系统的性能。看门狗电路是用来检测微处理器CPU是否工作正常的，如果单片机应用系统工作不正常，看门狗电路就会产生一个复位脉冲，使系统复位。此外，看门狗还可以在程序陷入死循环的时候，让单片机复位而不用整个系统断电，从而保护硬件电路。报警电路：此报警电路分成两部分，一部分为蜂鸣器报警电路，另一部分为闪烁信号电路。当探头检测到的瓦斯浓度达到或超过预设的警戒值时，蜂鸣器报警装置和闪烁电路接受到CPU传达的指令而启动报警行动，蜂鸣器发出报警响声，而闪烁电路则通过其LED显示管发出闪烁信号，达到报警效果。4.5 瓦斯检测过程中的因素影响分析 催化燃烧型瓦斯检测的主要性能特征是由热催化敏感元件的技术性能所决定的。它直接关系到瓦斯检测的性能特征质量。以下主要对元件的技术性能及影响因素简要分析。1.瓦斯传感器的灵敏度瓦斯传感器的灵敏度是指某一浓度的瓦斯在敏感元件上反应时，电桥输出电压值与瓦斯浓度之比值，它取决于敏感元件对瓦斯催化燃烧的速率。一般敏感元件应不低于1015mW(1)。性能好的可达30mV(1)以上，这一指标是衡量敏感元件活性和使用寿命的重要指标，它是决定元件寿命的一个重要参数。催化燃烧型瓦斯检测仪器灵敏度下降是个逐渐变化的过程，这个变化过程越缓慢说明仪器稳定性越好。2.瓦斯传感器的线性度催化燃烧型瓦斯检测仪由于敏感元件输出特性在04范围内近似呈线性，随着瓦斯浓度的升高，输出电压不断下降。3.瓦斯传感器的响应时问这是仪器的一个重要指标，它标志着仪器与瓦斯催化反应的快慢，井下瓦斯检测要求实时性强，响应时间短。影响催化敏感元件响应时间的因素主要有两个方面：一是瓦斯通过扩散(烧结金属孔)充满气室并到达元件表面的整个扩散过程所占用的时间；二是瓦斯在元件上的催化反应产生热量，使温度上升，并和周围进行热交换，元件最终达到平衡所需要的时间。4.6 传感头 传感头是瓦斯传感器的重要部分，它在传感器的最前端，与瓦斯气体直接反应，它影响着整个传感器的功能。下面就详细介绍。4.6.1瓦斯了解瓦斯的特点和性质是做好瓦斯检测和管理的先决条件。矿井瓦斯是指从煤体和围岩中逸出的以及在生产过程中产生的多成分的混合气体，包括、等。主要成分是甲烷（）、一氧化碳（）和二氧化碳（）、硫化氢（）等。 甲烷是矿井瓦斯的主要成分，是一种无色无味的气体。不助燃，但当与空气混合到一定浓度时，遇火能燃烧或爆炸，爆炸界限为5165；空气中甲烷浓度超过40时，空气中的氧含量将下降到12以下，此时空气与甲烷的混合气体不再发生爆炸，但将使人窒息。瓦斯爆炸须具备3个条件：的浓度、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516时具有爆炸性；浓度为95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，遇火就会爆炸。催化燃烧技术是一种发展较早、应用较广泛的瓦斯传感技术。由于瓦斯()本身特殊的四面体结构,使之性能特别稳定,破坏碳氢键需要很大的能量,所以气体除燃烧外,不易发生化学反应。催化燃烧型瓦斯传感器的原理是利用瓦斯在传感元件表面无焰燃烧所产生的热量,由测温元件测量,从而得出瓦斯浓度。4.6.2黑白件的工作原理传感头由气室、黑白元件等组成。黑元件是一种对甲烷气体很敏感的载体催化元件,而白元件是补偿元件,对瓦斯不起反应。黑白元件作为检测电桥的一臂,另一臂由电阻和电位器组成。将黑白元件置于同一气室中,施加工作电压。无瓦斯时,电桥处于平衡、输出为零,当瓦斯气体进入气室,接触到黑元件表面时,就在其表面无焰燃烧,元件的温度升高，阻值增大，而白元件不发生反应，阻值不变，于是破坏了检测电桥平衡，在一定的瓦斯浓度范围内，产生正比于瓦斯浓度的直流电压输出信号。催化燃烧式气体传感器的特点： 对所有可燃气体的响应有广谱性，在空气中对可燃气体爆炸下限浓度（%LEL）以下的含量，其输出信号接近线性（60%LEL以下线性度更好）； 对非可燃气体没有反应，只对可燃气有反应，无干扰； 传感器结构简单、成本低； 不受水蒸气影响，对环境的温湿度影响不敏感，适于野外使用。 利用敏感元件(俗称黑白元件)对瓦斯的催化作用使瓦斯在元件表面上发生无焰燃烧，放出热量使元件温度上升，增加了敏感元件铂丝的电阻值。通过电桥测量电路，可以测量其敏感元件电阻值变化量，如图4-3所示。催化反应的方程式为：+2+2+ （4-1） 4-3 传感器的检测电桥 图中，是催化传感元件，是补偿元件。将和置于同一测量环境中，由稳压电源供电。在无瓦斯的新鲜空气中，=，调整电桥使之平衡，信号输出端电压U=0；当瓦斯存在时，在催化传感元件表面发生无焰催化燃烧，阻值随温度上升而增加为+，而补偿元件阻值不变，从而电桥失去平衡。当采用恒压源E供电时，输出不平衡电压为： （4-2）由于=，则 = （4-3）电桥输出电压取决于敏感元件的阻值变化量。对于铂丝元件，其电阻变化量可以用下式表示： =a（）=a（） (4-4)其中，a、h、与敏感元件的材质、性质、结构尺寸有关，扩展系数D和瓦斯的分子燃烧热都是常数，可以用一个常数代表这些因素，因而上式可以写为=，则= （4-5）即在理想情况下，电桥输出电压与瓦斯浓度成正比，在一定浓度范围内，电桥输出电压与瓦斯浓度呈线性关系。4.6.3 黑白件的选取在选用催化传感元件时，选用重庆北碚干果建材有限公司电子元件厂生产的MJC4T系列黑白元件(煤矿甲烷检测用载体催化元件)。重庆北碚干果建材有限公司电子元件厂是煤矿甲烷检测用载体催化元件(黑白元件)的专业厂家。MJC4T系列煤矿甲烷检测用载体催化元件是最新研制的具有自主知识产权的产品本产品黑元件采用新型。催化剂取代传统的瓦斯燃烧催化剂，它不仅活性极高，临界反应温度低，而且具有良好的催化选择性。元件具有如下特点：l、优异的稳定性。2、优良的可重复性和精度。3、极佳的线性输出特性。4、极好的响应特性。5、低功耗、长寿命。基于以上特点，本次设计采用MJC4T系列载体催化元件。满足了瓦斯检测必须具备的测量精度高、工作可靠、工作条件能适应恶劣环境的要求。47 放大器部分 (1)第一级放大电路的设计用直流电桥来测量，电桥的输出电压是很低的(mv级)，需要通过放大电路进行信号放大处理，在这里选择了AD623和CA3140这两个放大器。AD623是一种单电源精度适中的仪表放大器，CA3140是一种BI-MOS高性能单电源运算放大器，电路采用AD623和CA3140两级放大，是考虑到瓦斯传感器输出灵敏度较低，两级放大可以有效的提高灵敏度，有效提高抗干扰能力。对于被测信号来说，由输入通道引入的干扰可分解为串模干扰和共模干扰。串模干扰是指干扰电压与有效信号串联叠加后作用到仪表上的干扰。本系统中，共模干扰是指输入通道两个输入端上共有的干扰电压，它们并联叠加，大小相位完全一样。对于两根并行的信号输入线，两根线上的信号大小相位差不多，所以共模干扰大，串模干扰小。由于系统中主要存在的是共模干扰，电压是小信号，低于100mV，需要经过放大才能测量。对于工业现场中的放大器，要求放大倍数要大。并且根据情况要可调，输入电阻要非常大，输出电阻要小。AD623是一个三运放放大器，也称仪表放大器，主要用于工业现场微弱的信号。其原理如图4-4所示：4-4 三运放原理图由于两个输入端都接在同相端，所以输入电阻非常高，所以适合工业现场微弱信号的放大。这是一种性能优良的仪表放大器，它可以放大两输入信号电压之差而抑制对两输入端共模的任何信号。因此，仪表放大器在从传感器和其它信号源提取微弱信号对提供非常重要的功能。另外，该芯片还有一个特点，它具有一个增益调节器，接不同电阻即可以得到不同的增益。4-5 测量放大器连接电路如图所示，是由AD623构成的放大电路，旁路电容C1起电源解耦的作用，典型值为01uF。通过改变RG的大小来改变放大器的增益。AD623允许使用单个增益设置电阻进行增益编程。以得到更好的用户灵活性，且符合8引脚的工业标准引脚配置。在无外接电阻条件下，AD623被设置为单位增益(G=1)，在接入外接电阻后，AD623可编程设置增益，其增益最高可达1000倍。AD623的增益由RG进行电阻编程，即由l脚和8脚之间的阻抗来决定，使用O11容限的电阻提供精确的增益。对于任意增益值，外加电阻可由以下公式计算： 本设计是通过AD623将传感元件测量的电压小信号放大25倍，故RG=4K。 (2)第二级放大电路的设计 精密运算放大器CA3140是美国RCA公司开发的一种通用型放大器：它采用BIMOS工艺制成，输入级为MOSFET结构，输出级为CMOS结构，具有选通功能，输入失调电流为0.5pA，输入偏置电流为10pA，输出电阻为60，共模抑制比为90db。可用于采样保持电路、有源滤波器、峰值检测器、电压比较器、稳压电源系统、告警电路、电池供电便携式仪器以及自动控制系统器等领域。 引脚说明： IN+：为同相输入端； IN-：为反相输入端； ：为电压输出端；OA1、OA2：两端间接调零电阻，是为了补偿电路元件的不对称等引起的平衡失调。当为反相端输入时，同相端接地，共模电压为0，但输入电阻不高。当为同相端输入时，反相端接地，输入电阻非常高，但共模电压较高。本设计采用同相输入端，接法如图4-6所示：4-6 CA3140放大器连接电路 虽然共模电压存在，但共模抑制比非常高，所以不会影响差模信号的放大。=2K，=2K, 是一个平衡电阻，目的是使输入端对地的静态电阻相等。=/，=lK。根据公式所以信号通过放大器CA3140放大2倍。这样小信号经过两极放大器得到了一个放大50倍的一个电压信号。即由原来的0100mv得到了一个O5V的放大信号，能被AD转换器转换。4.8 AD转换器部分 目前应用较广泛的主要有三种类型：逐次逼近式AD转换器、双积分式AD转换器和VF变换式AD转换器。双积分式AD转换器一般精度高，对周期变化的干扰信号积分为零，因而抗干扰性好，但转换速度慢；逐次逼近式AD转换器转换速度较快，精度也比较高；V/F型AD转换器的突出优点是精度高，但转换速度不高。 随着技术的进步，逐次逼近型AD转换器的性能价格比有了很大的提高，特别是带串行控制的模数转换器的出现，为逐次逼近型AD转换器的应用创造了方便条件。对于本设计所研究的瓦斯传感器而言，体积的小型化、高可靠性、强抗干扰能力则是首要追求的目标，所以我们选用美国德州仪器公司生产的lO位模数转换器TLCl549。 TLC1549有6种基本的串行口定时方式可供使用，这些方式由I/O CLOCK的速度和CS的操作所决定。本设计选用方式2，即lO个时钟传送，CS连续有效的快速方式。TLC1549的工作原理：(1)当CS为高电平时，AD转换结果的串行输出端DATA OUT端处于高阻状态；当CS为低电平时，此端有效，可以数据输出。(2)在芯片选择有效的情况下，DATA OUT脱离高阻状态并被驱动至与前次转换结果的MSB值相对应的逻辑电平。IO CLOCK的下一个下降沿把DATA OUT驱动至与次最高有效位相对应的逻辑电平，其余的位被依次移出，LSB出现在I/O CLOCK的第九个下降沿。在IO CLOCK的第lO个下降沿，在第10个IO CLOCK下降沿之后的21us之内，AD转换，并使前次转换的MSB出现在DATA OUT端上。 (3)在I/O CLOCK的第3个下降沿，模拟输入电压开始对电容数组充电并一直充电到IO CLOCK的第lO个下降沿，此为取样保持阶段。片选信号CS由P1.5引脚提供，当CS脚电平被置为0时，AD转换器输出端有效，数据输出过程开始。时钟信号由P1.3引脚提供，每产生一个时钟脉冲，由P1.4引脚读出一位转换数据，直到经过lO个时钟脉冲，读取lO位由高位到低位元的数据之后，CS置为低电平。延迟21us以上，再将CS脚电平拉低，开始新的AD输出过程。其连接电路如图4-7所示。4-7 TLC1549A/D转换连接电路49 单片机部分的设计微处理器在系统硬件设计方面具有很大的影响力，选择一个适当的微处理器作为系统的核心，才能使系统兼具低成本以及高效率。单片机自身的复位电路、时钟电路等也是非常重要的。4.9.1 单片机的选择CPU在测量中是核心部件。确定好CPU是关键的部分。本设计的任务是准确测量瓦斯的浓度，具有自动报警功能，并且能与井下分站进行通信。数据处理量不是很大，通用的8位5l单片机即可满足功能需求。目前8位单片机主要有MCS51系列、80C51系列、PIC单片机系列等。PIC系列单片机编译器价格比较昂贵。从经济性和使用性角度来考虑，本设计采用了ATMEL公司生产的AT89C52单片机。AT89C52单片机是一个低电压、高性能8位CMOS单片机，属于MCS51系列的单片机。其片内含8KB的可反复擦写的只读程序存储器和256B的随机存取数据存储器（RAM）。元件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS51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。功能强大的89C52单片机适合在许多控制较为复杂的场合应用。89C52单片机由中央处理器（CPU）、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、串行接口、并行I/O接口、定时/计数器、中断系统及数据总线、地址总线和控制总线等组成。片内资源主要有4个并行口，1个全双工串口，3个16位定时/计数器，6个两级中断。2个外部中断源。本程序总共字节数在2K左右，远远低于8K。所以本设计不用扩展片外存储器。单片机AT89C52是整个硬件系统的核心，所有外围接口电路的配置都必须围绕它来展开。设计所用的外围芯片大都是串行口，占线比较少，数据传输更安全可靠，抗干扰更强。相比于并口，虽然传输速度稍慢，但并不影响速度，所以用具有串口的芯片更合适。 本次设计采用双列直插式封装的AT89C52芯片，给出引脚配置如图4-9所示。现给出各芯片与所用到的AT89C52的引脚配置：（1） 电源引脚和。 （引脚40）：电源端，为+5V。（引脚20）：接地端GND。（2） 控制信号引脚RST、ALE/PROG、PSEN、EA/。RST（引脚9）：复位输入，高电平有效。ALE/PROG（引脚30）：地址锁存允许信号端。PSEN（引脚29）：程序储存允许输出信号端。EA/（引脚31）：外部程序储存器地址允许输入端/固化编程电压输入端。（3） 外接晶体振荡器引脚XTAL1和XTAL2。XTAL1（引脚19）：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。在采用外部时钟时，该引脚输入外部时钟脉冲。XTAL2（引脚18）：振荡器反相放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体振荡器的固有频率。若采用外部时钟电路，则该引脚悬空。（4） I/O端口P0、P1、P2和P3。P0P3端口的功能见表4-2：表4-2 P0P3端口的功能端口名称引脚标记功能描述P0端口P0.0P0.7开漏结构的准双向接口，51系列单片机并行总线的数据总线和低8位地址总线，不作总线使用时，也可用作普通I/O端口P1端口P1.0P1.7带内部上拉电阻的准双向端口P2端口P2.0P2.7带内部上拉电阻的准双向端口，51系列单片机并行总线的高8位地址总线，不作总线地址线使用时，也可用作普通I/O端口P3端口P3.0P3.7带内部上拉电阻的准双向端口，除用作普通I/O端口外，还有复位功能4-9 AT89C52引脚配置图4.9.2 复位电路的设计 复位信号是高电平有效，有效时间应持续24个振荡脉冲周期(即两个机器周期)以上。复位电路包括内、外两部分。片内复位电路在每个机器周期内对斯密特触发器进行采样，得到内部复位所需要的信号。1.按键复位按键复位电路如图4-10所示：4-10 AT89C52按键复位图2.看门狗复位单片机的RST端接在CH451的RST端，启动看门狗复位。只要CH451的清除输入引脚DCLK的电平没有变化，看门狗计时器就会计时，当计时满溢出时，就会产生看门狗复位脉冲信号。正常供电电压偶尔