（电气工程专业论文）煤矿ch4监测系统的设计研究.pdf

江苏大学工程硕士学位论文 摘要 煤炭工业是国家经济发展的命脉，其行业的重要地位和不可替代性不言而喻。 然而，从近几年的实际情况看来，中国煤炭行业的安全生产形势却不容乐观，其 中因c n 4 含量超标导致事故发生占绝大多数。为此改善煤矿生产企业安全监测设 备、提高管理手段是急需解决的问题。对矿井生产系统安全的监测，国内外先后 研制出多种类型的计算机监测系统，但由于现有监测系统具有成本高、功耗高和 设备庞大等特点，不适应大多数中小型煤矿特别是小型煤矿的需求，不具备普及 性，因此开发低成本煤矿监测系统具有显著的现实意义和实用价值。 本课题采用先进的传感器技术，以m c s - 5 1 单片机为核心控制器，开发出低成 本、低功耗煤矿c r h 监测系统。该系统能实现对c r h 的识别、浓度监测、阈值报警 以及将检测结果实时上传数据至地面监控计算机系统，通过串口通讯软件界面显 示。具有低成本、低功耗、易操作、功能强、可靠性高和易于安装调试等特点。 论文首先阐述了c h 4 监测系统的发展及现状，通过对无火焰燃烧式c h 4 传感器 的原理分析确立了系统的研发方向；接着介绍了监测系统的设计要求，在此基础 上，采用计算机集散控制模式设计c h 4 气体监测系统。课题采用具有较高性价比的 单片机m c s - 5 1 、先进的气体传感器构成煤矿c h 4 监测系统的下位机部分，实现对 c h 4 的成分识别和浓度测量；配有按键面板输入外部命令：采用a t m e l 公司的d a t a f l a s h 存储器a t 2 4 c 0 2 存储设定的参数及大量的测量数据；上位机采用具有强大数 据处理、分析能力的p c 机实现，实时监控煤矿c h 4 监测系统的运行状态，读取系统 存储器中的数据。采用v c + + 编程的可视化界面，通过串口通讯软件将所测量的结 果显示到软件界面，实时显示系统监测到的不同环境下的气体浓度，绘制曲线， 根据需要修改控制参数，便于工作人员更直观地了解井下的工况，实施相应处理 与控制，具备良好的人机对话功能；采用r s 一4 8 5 通信协议，实现数据传送。本文 所设计开发的串口通讯软件，是煤矿c h 4 监测系统标定及其与p c 机之间通讯的配套 工具。 实验结果表明，本课题研发的煤矿c h 4 监测系统在实时性和精确性方面都有比 较大的突破，而且功耗小，成本低，适合中小型煤矿特别是小型煤矿的需求。 关键词：c h 4 ；实时监测；数据采集：集散控制；r s 一4 8 5 通讯 江苏大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t c o a li n d u s t r yi sv i t a l so fs t a t ee c o n o m yd e v e l o p m e n t a la n di t si m p o r t a n c ei sg o e s w i t h o u ts a y i n g i nt h el a s tf e wy e a r s ，t h es i t u a t i o no fc o a li n d u s t r yp r o d u c t i o ns 觚e t yi s n o tw e l l ，o ft h ea c c i d e n th a p p e n e di nt h ec o a l ，a 瞰o c c u p yt h el a r g e s t s o ，i m p r o v e s a f e t ym o n i t o re q u i p m e n to fc o a l m i n ei n d u s t r ya n dm a n a g e m e n tm e a n sa r ei m p o r t a n t i s s u e h o m ea n da b r o a dh a sa l r e a d yd e v e l o p p e dp o l y t y p em o n i t o r i n gs y s t e m sb a s e do n c o m p u t o rf o rm o n i t o r i n gs e c u r eo fp r o d u c t i o ns y s t e mi nc o a lm i n e r b u tm o n i t o r i n g s y s t e mi ne x i s t e n c eh a sm a n yd i s a d v a n t a g e ss u c ha sc o s th i g h ，p o w e rc o n s u m p t i o nh i g h a n de q u i p m e n tb i g ，w h i c h u n a d a p t e dt or e q u i r e m e n to fm a j o r i 哆m i d m i n i t y p e c o a l m i n e ，e s p e c i a l l ym i n i t y p ec o a l m i n e e x p l o i t a t i n gl o wc o s tm o n i t o r i n gs y s t e mo f c o a l m i n ei sn o t a b l ep r a c t i c a lm e a n i n ga n dv a l u e a d v a n c e ds e n s o rt e c h n o l o g ya n d s i n g l ec h i pc o m p u t e r ( m c s 5 1 ) a r ea d o p t t e da sk e r n e lc o n t r o li nt h et h e s e s ，al o w - c o s t a n dl o w - p o w e rd i s s i p a t i o nc h 4m o n i t o r i n gs y s t e mo fc o a i m i n ei se x p l o i t a t e d t h e s y s t e mc a l lr e a l i z ed i s c r i m i n a t i n gc h 4 ，m o n i t o r i n gd e n s i t y , c o n s t i t u t i n gt h r e s h o l dv a l u e o fa l a r m ，h a n d i n go nd e t e c t i o nr e s u l tt ou p p e rm o n i t o r i n gs y s t e ma n dd i s p l a y i n gd a t ab y s e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o ns o f t w a r e t h es y s t e mh a sm a n y a d v a n t a g e ss u c ha sl o wc o s t , l o wp o w e rd i s s i p a t i o n ，o p e r a t i n g s i m p l y ，r e l i a b i l i t ya n d l i a b l ei n s t a l l a t i o na n d d e b u g g i n g f i r s to fa l l ，d e v e l o p m e n ta n da c t u a ls t a t eo fc i - 1 4m o n i t o r i n gs y s t e mi s e x p o u n d e d ，r & d d i r e c t i o no fs y s t e mi se s t a b l i s h e d b ya n a l y z i n ga 瞰s e n s o r f u n d a m e n t a l so ff i r e l e s sb u r n i n gt y p e f o l l o w , d e s i g nr e q u i r e m e n to fm o n i t o r i n gs y s t e m i si n t r o d u c e d l a s t ，c h 4m o n i t o r i n gs y s t e mi sd e s i g n e db a s e do nc o m p u t o rd i s t r i b u t i o n c o n t r o lm o d e 1 1 1 et h e s e su s es i n g l ec h i pc o m p u t e rw i t hh i g h e rh i g hp e r f o r m a n c e - p r i c e r a t i oi 口a d v a n c e dg a s s e ss e n s o rt oc o n s t i t u t el o w e rc o m p u t e ro fc h 4m o n i t o r i n gs y s t e m ， r e a l i z ed i s c r i m i n a t i n gc h 4i n g r e d i e n ta n dm e a s u r i n gd e n s i 哆，f i xk e y s t r o k ep a n e lt o i m p o r t e x t e r n a lc o m m a n d s e t t e dp a r a m e t e ra n ds u b s t a n t i v em e a s u r e dd a t ai s m e m o r i s e db yd a t af l a s hm e m o r ya t 2 4 c 0 2 p ci su e s e dt ou p p e rc o m p u t e rt om o n i t o r r e a l - t i m er u n n i n gs t a t u so fc i - 1 4m o n i t o r i n gs y s t e m ，r e a dd a t ao fs y s t e ms t o r a g e i th a s m a n ya d v a n t a g e ss u c ha sg o o dd a t ap r o c e s s i n g i9 a n a l y s i sc a p a b i l i 哆v i s u a l i z a t i o n i n t e r f a c ei sp r o g r a m m e dw i t hv c + + ，m e a s u r i n gr e s u l ti sd i s p l a y e dt oi n t e r f a c eb ys e r i a l p o r t c o m m u n i c a t i o ns o f t w a r e m o n i t o r e dg a sd e n s i t yi nd i f f e re n v i r o n m e n ti sr e a l d i s p l a y e d ，i t sc u l v ei sp l o t t e d ，c o n t r o l l i n gp a r a m e t e ri sa m e n d e d ，w h i c hf a c i l i t a t es t a f ft o i n t u i t i v e l yu n d e r s t o o dc o n d i t i o ni nt h ec o a l ，c o n d u c tc o r r e s p o n d i n gc o n t r 0 1 a l lt h e s e 江苏大学工程硕士学位论文 h a v eg o o dm a l l - m a c h i n ec o n v e r s a t i o nf u n c t i o n r s - - 4 8 5c o m m u n i c a t i o ni sa d o p t e dt o r e a l i z ed a t at r a n s f e r s e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o ns o f t w a r et h a ti sd e s i g n e di nt h et h e s i si s s t a n d a r d i z a t i o no fc h 4m o n i t o r i n gs y s t e mi nt h ec o a lm i n ea n dc o m p l e m e n ti n s t r u m e n t e x p e r i m e n t a lr e s d td e m o n s t r a t e so - 1 4m o n i t o r i n gs y s t e mt h a td e s i g n e di nt h et h e s i s i sg r e a tb r e a k t h r o u g hi n t h ea s p e c to fr e a lt i m ea n da c c u r a c y ，f u r t h e r m o r ep o w e r c o n s u m p t i o n i ss m a l l ，c o s ti sl o w ，a n di ti sf i tf o rd e m a n do fm i d m i n i t y p ec o a lm i n e ， e s p e c i a l l ym i n i t y p ec o a lm i n e k e y w o r d s ：c h 4 ；r e a l t i m ed e t e c t i n g ；d a t ac o l l e c t i o n ；d i s t r i b u t i o nc o n t r o l ；r s - 4 8 5c o m m u n i c a t i o n i n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囹。 一轴如 签字日期：伽7 年- 堋妊 导师签名： 签字醐：习年f2 月2 7 日 ? 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：一年陟月，日 江苏大学工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 煤矿安全生产监测系统概述 随着煤矿开采规模的扩大及开采深度的不断延伸，安全隐患越来越多，个别 地区重、特大事故时有发生。事故的发生充分暴露了煤矿安全专项整治和安全管 理工作中的差距和漏洞，煤矿安全生产隐患依然存在。探索一条适合煤矿安全生 产的途径迫在眉睫。目前，资深专家都普遍认为，整合煤矿资源，强化安全管理， 加大安全生产投入，采取现代化采煤技术，提高工人操作水平，是实现国内煤矿 安全生产最根本的发展之路n ，。 在引起煤矿事故的众多因素中，甲烷( c h 4 ) 事故特别是严重，据国家煤炭 部统计，在每年煤矿事故中因c h 4 含量超标引起的事故约占到7 0 瞳3 。煤矿中含 有大量的c m ，它是一种易燃易爆气体，发生事故后会造成巨大的经济损失，危 及矿工的生命。如果不把c h 4 事故控制住，就不能实现煤矿安全生产状况的稳定。 所以，研制一种现代化的、小型的、价格低廉的煤矿安全监测系统，对煤矿井下 c 地气体进行快速、准确的监测势在必行。 1 2 煤矿安全生产监测系统的国内外发展状况 气体传感器是煤矿气体监测系统的重要组成部分，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h 1 。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畸1 。伴随气体传感器的发展，气体监测仪器不断更新， 其类型根据监测对象可分为可燃性气体监测仪、毒性气体监测仪和氧气监测仪等。 从仪器结构和方法上分为袖珍式、便携式和固定式。袖珍式仪器的采样方法为扩 散式，用于在危险环境中的工作人员随身携带；便携式仪器用泵吸式采样，用于 监测人员定期安检；固定式仪器用于煤矿井下固定地点气体监测n 。 世界各国也均有煤矿c h 4 气体监测的系统，如波兰的d a n 6 4 0 0 、法国的t f 2 0 0 、 德国的m i n o s 和英国的s e n t u r i o n 一2 0 0 等，其中全矿井综合监测控制系统有代表 江苏大学工程硕士学位论文 性的产品有美国m s a 公司生产的系统，德国b e b r o 公司的p r o m o s 系统。但是这两 种系统只是基于井下监测，并无数据上传，不能实现智能化监控。 中国监测监控技术应用较晚，8 0 年代初，从波兰、法国、德国、英国和美国 等引进了一批安全监测系统，装备了部分煤矿；在引进的同时，通过消化、吸收 并结合国内煤矿的实际情况，先后由重庆煤科院、辽宁抚顺煤科院等国内知名煤 矿科学研究所研制出k j 2 、k j 4 、k j 8 、k j i o 、k j l 3 、k j l 9 、k j 3 8 、k j 6 6 、k j 7 5 、 k j 8 0 、k j 9 2 、k j 9 5 、k j l 0 1 等煤矿有害气体监测系统，在国内煤矿已有大量使用， 但其中很大一部分仪表的传输数据是模拟方式，将气体浓度转化为脉冲量，易受 矿井下强电磁设备干扰，造成监测结果不准确，易出现误报警等现象。 目前市场上存在的煤矿监测系统虽然在一定程度上满足了煤矿监测的要求， 但这些系统采用通用瓦斯传感器( 最低价格约2 0 0 0 元) ，增加了系统成本，不具有 智能化特点：系统未采用低功耗设计，电流大，电压高，不易实现，致使系统功 耗高；设备庞大，不易安装调试，维护困难。这使得有些使用这些监测系统的中 小型煤矿的经济效益明显下降，特别是小型煤矿大多数没有能力承担该费用，致 使当前发生的矿难大多集中在小型煤矿中。 1 3 本课题的研究意义 综上所述，煤矿的安全问题是困扰煤矿生产的一个重大问题。基于国内中小 型煤矿多的现状，考虑到目前市场上存在的监测系统由于自身的各种局限性( 如成 本高、功耗大、不易安装等特点) ，不适应中小型煤矿特别是小型煤矿的需求，因 此研究一种低成本低功耗的监测系统具有一定的实用价值和实际意义。 本课题采用计算机集散控制模式设计c h 4 气体监测系统。采用具有较高性价 比的单片机m c s 一5 1 、先进的气体传感器构成煤矿c h 4 监测系统的下位机部分，实现 对c f a 的成分识别和浓度测量；配有按键面板输入外部命令；采用a t m e l 公司的 d a t af l a s h 存储器a t 2 4 c 0 2 存储设定的参数及大量的测量数据；上位机采用具有强 大数据处理、分析能力的p c 机实现，实时监控煤矿c h 4 监测系统的运行状态，读 取系统存储器中的数据。采用v c + + 编程的可视化界面，通过串口通讯软件将所测 量的结果显示到软件界面，实时显示系统监测到的不同环境下的气体浓度，绘制 曲线，修改控制参数，便于工作人员更直观地了解井下的工况，实施相应处理与 2 江苏大学工程硕士学位论文 控制，具备良好的人机对话功能。采用r s 一4 8 5 通信协议，实现数据传送，本文所 设计开发的串口通讯软件，是煤矿c h 4 监测系统标定及其与p c 机之间通讯的配套 工具。 该系统采用集散控制技术，与前述国内现有的其它安全监测产品相比，可节 省投资，使工程造价大大地降低，同时，基于单片机的系统成木低、功耗小，而 且抗干扰能力较强，所以该系统具有较高的性价比，特别适合在资金不太充足、 设备不够先进的中小型煤矿中推广使用。 1 4 本课题的主要工作内容 目前国内煤矿中c h 4 气体的监测系统，很少能做到实时监测，本文针对煤矿 气体监测系统的现状及发展趋势，在查阅大量文献及资料的基础上，研发了煤矿 气体监测系统。主要工作包括： 1 ) 传感器的选用 2 ) 系统硬件电路的设计 3 ) 系统软件的设计、通讯方式及通讯协议设计 4 ) 终端数据采集及显示软件的设计 3 江苏大学工程硕士学位论文 第二章煤矿c h 4 监测系统硬件设计 2 1 系统功能概述 根据煤矿特殊的工作环境及煤矿巷道中气体监测的特点，课题将设计一种能 够有效监测煤矿c h 4 气体的监测系统，并可以将监测数据实时上传至地面监控电 脑，实施控制。 根据要求，课题采用计算机集散控制模式设计c h 4 气体监测系统。下位机部 分采用具有较高性价比的单片机m c s - 5 1 、先进的气体传感器为核心部件，实现对 c h 4 的成分识别和浓度测量，配有按键面板输入外部命令，采用a t m e l 公司的d a t a f l a s h 存储器a t 2 4 c 0 2 存储设定的参数及大量的测量数据；上位机采用具有强大数 据处理、分析能力的p c 机实现，实时监控煤矿c h 4 监测系统的运行状态，读取系 统存储器中的数据。采用v c + + 编程的可视化界面，通过串口通讯软件将所测量的 结果显示到软件界面，实时显示系统监测到的不同环境下的气体浓度，绘制曲线， 修改控制参数，便于工作人员更直观地了解井下的工况，实施相应处理与控制， 具备良好的人机对话功能。采用r s 一4 8 5 通信协议，实现数据传送。 2 2 系统总体方案的设计 基于气体传感器的c h 4 监测系统主要由气体传感器、单片机、数据存储器、 l e d 显示器以及r s 一4 8 5 通讯接口等部分组成，其原理框图如图2 1 所示。 4 江苏大学工程硕士学位论文 2 3 系统电源模块的设计 图2 1 系统硬件原理框图 整个监控系统所需要的电源电压等级有两个：一是l e d 显示器模块、气体传感 器加热、传感器信号监测回路及a d 转换参考电源模块需要的9 5 8 v 工作电压；另 一个是单片机等集成芯片需要5 v 的工作电压。为此在设计系统电源时，必须考虑 到双路输出电压。 本文设计的电源电路，其核心器件是三端可调输出集成稳压器l m 3 1 7 。l m 3 1 7 输出电压范围是1 2 5 v - - - 3 7 v ，负载电流最大为1 5 a 。通过两个外接电阻来设置输 出电压。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1 之 间保持1 2 5 v 的参考电压v r e _ f , 并且引脚3 为正端，如图2 2 所示。 m 图2 2l m 3 1 7 ) 围电路 5 江苏大学工程硕士学位论文 电源电路主要由滤波电路和稳压电路所组成，如图2 3 所示。玎力是外部输入 电源，采用的是1 2 v 的直流电源，电容c 1 、c 3 的作用是对l m 3 1 7 电压调节端( a d j ) 的电压进行滤波；d 1 、d 2 是保护二极管，防止输出电压高于输入电压，引起电流 从c 3 ，c 5 倒灌入l m 3 1 7 ，使之损坏。 当调节端接地时，输出端输出1 2 5 v 。由玎揣提供工作电压，保持v o u 瑞比 a d j 端电压高1 2 5 v 。因此，只需要用极小的电流来调整a d j 端的电压，便可在v o u t 端得到l t ；较大的输出电流，并且输出电压l e a d j 端电压高出1 2 5 v 。 由图2 2 可知， ：1 2 5 r 1 + 里 ( 2 1 ) l坞 调整惫，就可以改变输出电压。依据l m 3 1 7 的输出电压计算公式，可得 l = ( 1 + 瓦e i ) = 1 2 5 ( 1 + 1 1 0 5 0 0 0 ) = 9 8 5 v ( 2 2 ) = ( 1 + 鲁) = 1 2 5 ( 1 + 篙) = 5 0 8 v ( 2 3 ) l m 3 1 7 有- - 个最小负载电流，只有负载电流超过某一值时，才能起到稳压作用。 这个最小电流一般在3 8 m a ，可以通过在负载端接一个合适的电阻来解决。 2 4 气体传感器的选型 图2 3 系统电源电路图 气体传感器是用来检测矿井下c i - h 气体的浓度，是监测系统的重要组成部分。 6 江苏大学工程硕士学位论文 目前国内外c h 4 气体传感器大致可以分为四类：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和电学类气体传感器h 1 。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、固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1 。利用材料的电学参量随气体浓度的变化 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h 1 ，主要包括m o s 管式、结型场效应管式，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。 本文采用一种高活性纳米级过渡金属合金低温反应催化剂作为c i - h 气体传感 器敏感元件，这种合金催化剂对c h 4 催化反应的活性极高，临界反应温度低，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。适合煤矿井下作业 环境测量c i - h 气体浓度。其主要性能指标如下表2 i 1 3 ： 表2 1 过渡金属合金敏感元件主要性能指标 温度一2 0 。c 一+ 7 0 。c大气压8 0 一i 1 6k p a 湿 度 9 5 r h 零点输出o m v _ 斗2 0 m v 风速 2 m v 为了验证合金催化剂传感器的性能，在淮北矿务局朔里煤矿七个煤窑进行了 现场测试，分别检验合金催化剂传感器的敏感特性、温度的影响以及稳定性。 1 、敏感特性试验 在嘴、1 撑、错、3 撑煤窑中选用h 2 、c 3 h 8 、c 4 h l o 、c h 4 气体进行试验，测量 数据，并绘制c u 图，如图2 4 所示。 7 江苏大学工程硕士学位论文 00 51 01 52 02 6 x 图2 4 输出v o 在不同气体及浓度下的变化曲线 图中曲线反映了合金催化剂对各种气体的敏感程度，可以看出合金催化剂的 输出电压与对于各种气体浓度之间具有较好的线性关系。 2 、温度影响试验 在七个煤窑中进行温度影响试验，温度选择范围在0 4 0 ，相对湿度为 8 0 i m ，模拟矿下恶劣环境，记录数据如表2 2 ： 表2 2 温度实验记录 温度 o 撑l 捍2 j | 3 撑4 撑5 撑6 撑7 拌 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 考虑深井工作环境，模拟在4 0 温度区中检测合金催化剂受低温的影响程 度，测量时间持续两个小时。记录数据绘制v - t 关系图，如图2 5 所示。 5 o 2 5 口0 4 图2 50 - 4 0 传感器震荡曲线图 8 t 2 l 2 2 2 l 2 2 2 2 2 2 7 7 7 7 7 7 4 4 6 9 9 6 4 4 4 3 3 4 8 8 8 8 8 8 6 o 9 9 9 5 3 3 2 2 2 3 8 8 8 8 8 8 1 o l 9 1 l l l l 0 l l 8 8 8 8 8 8 2 4 2 2 2 2 2 2 2 2 2 7 7 7 7 7 7 6 8 6 6 8 7i 9 9 9 9 9 9 8 8 9 7 o 5 9 9 9 9 8 9 9 9 9 9 9 9 7 8 7 7 8 8 9 9 9 9 9 9 8 8 8 8 8 8 江苏大学工程硕士学位论文 从图中可以看出，在深井4 0 。c 温度区中，合金催化剂传感器的输出出现振荡， 而且振幅在0 。2 5 v 之间的不定，不为恒值。 3 、高浓度c h 4 实验 将合金催化剂传感器置于0 一硝七个煤窑0 5 、1 0 、1 5 的c h 4 环境中1 小 时，分h , j 澳o 量，记录数据如表2 3 所示。 表2 3 高浓c h 4 实验放气前后的数据 僻1 静笳獬错5 聋错7 襻 0 5 c h , 1 5 51 5 51 6 21 5 51 4 81 5 51 5 5 1 5 5 10 c r t , 5 2 25 2 05 2 35 2 25 2 25 2 35 2 35 2 0 15 c h 45 0 05 0 25 0 05 0 05 0 05 0 35 0 25 0 2 7 、稳定性试验 合金催化剂传感器在深井环境下工作，稳定性是检测精度保证的首要条件。 分别选择1 撑、错、硝三个煤窑进行稳定性试验，温度设置1 5 ，相对湿度为 8 0 r h ，c h 4 浓度为0 2 ，测量周期为2 个月，记录数据并绘制u t 图。如图 2 6 所示。 历 约 1 5 l o 5 o _ 5 ) o仇5ll 。52 图2 6 长期稳定性 从图2 6 可以看出，在0 2 月的时间内传感器的零点输出基本是一条水平直线， 且仍维持在0 m v 左右；通0 2 c h 4 的输出在0 2 月的时内也基本维持在2 0 m y 左右。 2 5 信号采集系统设计 2 5 1合金催化剂传感器信号检测电路 合金催化剂传感器检测电路如图2 7 所示。l m 3 1 7 提供加热电压，v o u t l 是输入 电压，v e 是合金催化剂传感器的加热电压，v h 是监测回路的工作电压，g n d 为合金 9 江苏大学工程硕士学位论文 催化剂传感器加热地，v s s 为信号采样地，r s 为合金催化剂传感器的敏感体电阻， r 。为采样电阻。 图2 7 气体传感器加热及信号采样电路图 由l m 3 1 7 的输出电压计算公式，可得： 陋= ( 1 + 叁) = 1 2 5 ( 1 + 等) 5 1 7 v ( 2 4 ) 2 5 2 a d 转换电路 模数转换芯片选用美国模拟器件公司( a n a l o gd e v i c e s ) 生产的逐次逼近式 模数转换芯片a d l 6 7 4 ，a d l 6 7 4 是美国a d 公司推出的一种完整的1 2 位并行模数 转换单片集成电路，其转换精度为虿b = 示基。该芯片内部自带采样保持器 ( s h a ) 、1 0 伏基准电压源、时钟源以及可以和微处理器总线直接接口的暂存三态 输出缓冲器。与原有同系列的a d 5 7 4 a 1 6 7 4 a 相比，a d l 6 7 4 的内部结构更加紧凑， 集成度更高，工作性能( 尤其是高低温稳定性) 也更好，而且可以使设计板面积大大 减小，因而可降低成本并提高系统的可靠性。 1 、a d l 6 7 4 的基本特点和参数如下： ( 1 )带有内部采样保持的完全7 2 位逐次逼近( & 讯) 型模数转换器； ( 2 ) 采样频率为1 0 0 k h z ；： ( 3 ) 转换时间为l o w s ： ( 4 ) 具有1 2 l s b 的积分非线性0 n l ) p 及1 2 位无漏码的差分非线性( d ； ( 5 ) 满量程校准误差为0 1 2 5 ； ( 6 )内有i o v 基准电源，也可使用外部基准源；： ( 7 )四种单极或双极电压输入范围分别为+ 5 v ，1 0 vo l o v 和o 一2 0 v ； 1 0 江苏大学工程硕士学位论文 ( 8 ) 数据可并行输出，采用8 1 2 位可选微处理器总线接日； ( 9 ) 内部带有防静电保护装置( e s d ) ，放电耐压值可达4 0 0 0 v ； ( 1 0 ) 采用双电源供电：模拟部分为1 2 v 1 5 v ，数字部分为+ 5 v ； ( 1 1 ) 使用温度范围： a d l 6 7 4 j k 为o0 c 一7 00 c ( c 级) ； a d l 6 7 4 a b 为一4 0o c 一850 c ( i 级) ； a d l 6 7 4 t 为一5 5 - - + + 1 2 5 c ( m 级1 。 ( 1 2 ) 采用2 8 脚密封陶瓷d 工p 或s o 工c 封装形式；。 ( 1 3 ) 功耗低，仅为3 8 5 m w o 2 、内部结构及引脚说明 图2 8 所示为a d l 6 7 4 的内部结构框图，图2 9 为a d l 6 7 4 引脚排列。 图2 8a d l 6 7 4 的内部结构框图 mt吼s l 玉噜d b 。 岱 册镕 d氐 r c n b | c e朋， v c c d 取 砸胃阻丌 舶。 a g r o 肿 r 掰1 喁明。 d b ， b 珥o e r腑 1 0 v , 衄h 巩啪 图2 9a d l 6 7 4 引脚排列 1 1 江苏大学工程硕士学位论文 a d l 6 7 4 的引脚按功能可分为逻辑控制端口、并行数据输出端口、模拟信号 输入端口和电源端口四种类型。 ( 1 ) 逻辑控制端口 1 2 届：数据输出位选择输入端。当该端输入为低电平时，数据输出为双8 位字 节；当该端输入为高电平时，数据输出为单1 2 位字节。 c s ：片选信号输入端； 刚c ：读转换状态输入端。在完全控制模式下，输入为高电平时为读状态；输入 为低电平时为转换状态；在独立工作模式下，在输入信号的下降沿时开始转换。 c e ：操作使能端：输入为高电平时，芯片开始进行读转换操作。 a 0 ：位寻址短周期转换选择输入端。在转换开始时，若a 0 为低电平，则进 1 2 位数据转换；若a 0 为高电平，则进行周期更短的8 位数据转换；当r c = 1 且 1 2 8 = 0 时，若a 0 为低电平，则在高8 位( d b 4 d b l l ) 作数据输出；若a 0 为高电 平，则在d b 0 一d b 3 和d b 8 。d b l l 作数据输出，而d i m d b 7 置零。 s t s ：转换状态输出端。输出为高电平时表明转换正在进行；输出为低电平时 表明转换结束。 ( 2 ) 并行数据输出端口 d b l l d b 8 ：在1 2 位输出格式下，输出数据的高4 位；在8 位输出格式下， a o 为低电平时也可输出数据的高4 位。 ( 3 ) 模拟信号输入端口 1 0 v i n ：1 0 v 范围输入端，包括0 。1 0 v 单极输入或5 v 双极输入； 2 0 v i n ：2 0 v 范围输入端，包括0 。2 0 v 单极输入或1 0 v 双极输入； 应当注意的是：如果己选择了其中一种作为输入范围，则另一种不得再连接 合作。 r e fi n ：基准电压输入端，在1 0 v 基准电源上接5 0 1 2 电阻后连于此端： r e fo u t ：+ 1 0 v 基准电压输出端；b i po f f ：双极电压偏移量调整端，该端 在双极输入时可通过5 0 5 2 电阻与r e fo u t 端相连；在单极输入时接模拟地： v c c ：+ 1 2 w + 1 5 v 模拟供电输入； v e e ：1 2 v 八1 5 v 模拟供电输入； v l o g i c ：+ 5 v 逻辑供电输入； 江苏大学工程硕士学位论文 a g n d d g n d ：模拟数字接地端； 3 、a d l 6 7 4 控制逻辑关系 a d l 6 7 4 控制逻辑逻辑真值表如表2 4 所示 表2 4a d l 6 7 4 控制逻辑真值表 c ec s r c1 2 8a 0执行操作 0 无操作 1 无操作 1000 启动1 2 位数据转换 1001 启动8 位数据转换 10 11 允许1 2 位并行输出 101 10 允许高8 位并行输出 101o 1 允许低4 位并行输出 4 、工作时序 a d l 6 7 4 的工作模式可分为全控( f u l l c o n 仃0 1 ) 模式和独立( s t a i l d - a l o n e ) 模式，这 两种模式的工作时序是相同的。独立模式主要用于具有专门输入端系统，因而不 需要有全总线的接i s i 能力。采用全控工作模式则有利于和c p u 进行总线连接。图 2 1 0 、图2 1 1 分别是a d l 6 7 4 在全控工作模式下的转换启动时序和读操作时序。 转换启动时，在c e 和c s 有效之前，r c 必须为低电平，如果r c 为高电平，则 立即进行读操作，这样会造成系统总线的冲突。一旦转换开始，s t s 立即为高电 平，系统将不再执行转换开始命令，直到这次转换周期结束。而数据输出缓冲器 将比s t s 提前0 6 u s 变为低电平，且在整个转换期间内不导通。 江苏大学工程硕士学位论文 j l ：默球 vt 墩：。缴掣 e 、l u f ft 瀚t ， v 一一耳 ，t 畦一t 眦积 i l 一 f jr i i - 脯o t 妫c 图2 1 0a d l 6 7 4 在全控工作模式下的转换启动时序 7 乙 ， p 一t 舷乒 i 卜 ! 一 , m - - t $ 翱t 嘲隧叫 肾，1 风t s 暖氘取 卜t 瞒 噜 l -l 劾_ o l 一嬲0 丘1 3 - t t a l 高疆态 1 i v a l i d 7 t高阻； - - t 嚣卜 卜一l 扎一 图2 1 1a d l 6 7 4 在全控工作模式下的读操作时序 2 5 3 合金催化剂传感器信号a d 转换参考电源电路 合金催化剂传感器输出电压a d 转换参考电源电路图如图2 1 2 所示，主要由三 极管和t l 4 3 1 组成。 1 4 江苏大学工程硕士学位论文 图2 1 2 传感器信号a d 转换参考电源电路图 t l 4 3 1 是t i 公司生产的有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源，外部引脚 分别为：阴极( c a t h o d e ) 、阳极( a n o d e ) 和参考端( r e f ) ；如图2 1 3 所示。 它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从至l j v r e f ( 2 5 v ) 调至3 6 v 范 围内的任意值；该器件的典型动态阻抗为0 2q ，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。 嘲莎 i 柚。傀峥一舢 图2 1 3t l 4 3 1 外部引脚图 该器件内部有一个的2 5 v 基准源v i ，接在内部运放的反相输入端。如图2 1 4 所示。由运放的特性可知，只有当r e f 端( 同相端) 的电压非常接近v i 时，三极管中 才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着r e f 端电压的微小变化，通过三极管 的电流将从1 到1 0 0 m a 变化。当在r e f 端引入输出反馈时，器件可以通过从阴极到阳 极很宽范围的分流来控制输出电压。需要注意的是，在选择电阻时必须保证t l 4 3 1 工作的必要条件，即通过阴极的电流要大于l m a 。 江苏大学工程硕士学位论文 图2 1 4t l 4 3 1 内部结构图 图2 1 2 中，r 6 和r 8 对v h 的分压引入反馈。若输出增大，则反馈量增大，t l 4 3 1 的分流也就增加，从而又导致v h 下降。可见，这个深度的负反馈电路必然在v i 等 于基准电压处稳定，此时t l 4 3 1 的输出： 阴= ( 1 + 瓦r 6 ，2 5 ( 1 + 1 2 0 0 0 0 0 ) 3 v ( 2 5 ) 为了降低系统功耗，用单片机p 1 0 口控制该电源的工作状态。当p 1 0 口为高 电平“1 ”时，n p n t 三极管q ，导通，其集电极为低电平，从而使p n p = 极管q 。基极拉 低，q 。导通，其射极输出高电平，可得输出电压v h = 3 v ；当p i 0 为低电平“0 时， n p n - - - 极管q 。截止，其集电极为高电平，从而使p n p 三极管q 。基极为高，q 。截止，得 到v h = o v 的输出电压。 根据欧姆定律，合金催化剂传感器的输出电压： = 志 ( 2 6 ) a d 转换后，传感器输出电压： = 是 ( 2 7 ) 其中：v 如是a d i 拘转换结果。 由以上两式联立得： = 志= 是 ( 2 8 ) 匙= 惫琏 ( 2 9 ) 可见，r s 与采样回路电压v h 无关，如果确定了采样电阻r i 、a d 转换结果，就 1 6 江苏大学工程硕士学位论文 可以得到合金催化剂传感器的敏感体电阻r s 。 2 6 单片机的选型 2 6 1 单片机系统结构 以单片机m c s 5 1 为主组成的基本模块是该系统的核心部分，主要完成对系 统采集到的信号进行相关的处理，协调其他模块，使整个系统步调一致