煤矿瓦斯监控系统设计

毕毕 业业 设设 计计 论论 文文 题目 煤矿瓦斯监测系统设计 系 别 电气与电子工程系 专 业 电气工程及其自动化 姓 名 田晓东 学 号 121406158 指导教师 刘晓芳 河南城建学院 2010 年 5 月 27 日 河南城建学院本科毕业设计 论文 目 录 目目 录录 摘 要 I Abstract II 第一章 绪 论 1 1 1 煤矿气体监测系统概述 1 1 2 煤矿气体监测系统的国内外发展状况 2 1 3 本课题的研究意义 3 1 4 本课题的主要工作内容 3 第二章 煤矿气体监测系统设计的特殊要求及设计原理 5 2 1 系统设计要求 5 2 1 1 技术指标要求 5 2 1 2 隔爆仪表设计要求 5 2 1 3 系统的功能 6 2 2 设计原理 6 2 2 1 气体传感器的选择 6 2 2 2 单片机型号的选择 10 2 2 3AT89552 单片机的特点 11 第三章 基于气敏元件的煤矿瓦斯监测系统设计与试验 12 3 1 系统原理框图 12 3 2 系统硬件设计 12 3 2 1 系统电源 12 3 2 2 气体传感器加热及其信号采样 14 3 2 3 传感器信号监测回路及 A D 转换参考电源 16 3 2 4 模数转换芯片 AD7810 的原理及应用 17 3 2 5 MAX7219 显示电路 20 3 2 6 I2C 总线接口电路 24 3 2 7 RS 485 串口通讯 27 3 2 8 看门狗硬件电路 31 3 3 系统软件设计 32 3 3 1 主程序 33 3 3 2 案件中断程序 35 3 3 3 定时器 A 中断程序 36 3 3 4 串行中断程序 37 3 3 5 软件的低功耗设计 37 第四章 总结与展望 40 4 1 研究工作总结 40 4 2 研究工作展望 40 参考文献 42 致谢 43 附录 44 河南城建学院本科毕业设计 论文 摘 要 I 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 特大伤亡事故屡见报端 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 本课题采用镇江中煤电子有限公司研发的无火焰燃烧式气体传感器 以 AT89552 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 的识别 浓度监测 阀值报警以及实时上传数据至地面监控 PC 通过串 口通讯软件界面显示 论文首先阐述了 CH4 监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 接着介绍了监测系统的 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硬件电路设计与系统软件设计 及实用分析 本课题采用具有较高性价比的单片机 AT89552 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 采用 ATMEL 公司的 DataFlash 存储器 AT24C02 存储 设定的参数及大 量的测量数据 采用 RS 一 485 协议 实现数据远传 由地面串 口通讯软件接收处理 串口通讯软件对单片机而言意义重大 不但可以实现将单 片机的数据传输到电脑端 而且能实现电脑对单片机的控制 本文设计开发的串口通讯软件 是煤矿气体监测系统标定及其与 PC 机 之间 通讯的配套工具 基于串口通讯协议 使用该软件可以通过 PC 机实时监控煤矿 气体监测系统的运行状态 读取系统存储器中的数据 并可实时显示系统监测到 的不同环境下的气体浓度 运用 PC 强大的数据处理能力分析保存数据 并通过 串口通讯软件将所测量的结果显示到软件界面 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 关键词关键词 传感器传感器 煤矿煤矿 数据采集数据采集 串口通讯串口通讯 河南城建学院本科毕业设计 论文 Abstract I Abstract Energy industry is the vitals of our country s economy development In recent years in company with petroleum resources shortage petroleum prices grow rapidly The importance and unsubstitutability of coal industry increase everyday But Chinese coal industry safety in production 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 enterprise s lack of safety monitoring equipment ladder of management lag are the one of substantial reasons The dissertation adopt fireless burning gasses sensor that designed by Zhenjiang Zhongmei electronic company developed a instrument that can detect the CH4 aerometry as well as whether econsistency reach the alarm threshold then send the data to the monitoring PC use the powerful data analysis ability of PC and grey theory to the forecast the CH4 aerometry First of all the dissertation expounds the development and actuality of CH4 instrumentation Then introduce the design requirement of the instrumentation because colliery s underground working environment s high humidity has flammable and detonable gasses and smut particularly with other location s working environment so the electric installation must overflow blast protection requirement and must have grounding overflowing creepage protector At third chapter the dissertation elaborated the CH4 detection instrument s hardware and software The whole detection instrument s hardcore is SCM AT89S52 according to the signal detected by the gas sensor to identify the ingredient of the air and the Use eight LED nixie tube to display the gas consistency of CH4 Use keyboard panel to input the external command Adopt Data Flash AT24C02 produced by ATMEL to store the parameters and substantive data Use eight LED nixie tube to display the gas consistency Under the PC controlled mode adopt RS 485 protocol to realize the data being sent to the serial port communication soft ware The serial port communication software means lot to the SCM not only realize data transfer but also realize the SCM be controlled by PC The serial port communication software is the useful tool for the instrument calibration and communication software is the useful tool for the instrument 河南城建学院本科毕业设计 论文 Abstract II calibration andcommunication between SCM and PC Base on the serial portcommunication protocol the using of software could monitoring thestatus of the gas detection instrument all the time fetch stored data in theflash and can show the real time CH4 value so the worker can know the environment s status all the time Key words sensor coal mine data collection serial communication 河南城建学院本科毕业设计 论文 Abstract III 第一章 绪 论 煤矿中含有大量的甲烷 CH4 等易燃易爆气体 发生事故后会造成巨大的经 济损失 危及矿工的生命 随着煤矿开采技术手段的不断改进和开采规模的扩大 及开采深度的不断延伸 安全隐患越来越多 瓦斯事故特别是重 特大瓦斯事故 在煤矿事故中所占的比例也越来越高 如果不把瓦斯事故控制住 就不能实现煤 矿安全生产状况的稳定 也就无法保障煤炭工业的持续健康发展 所以 对煤矿 井下瓦斯气体进行快速准确的监测显得尤其重要 对易燃易爆混合气体监测系统 的研究和开发也成为人们一直关注的问题 1 1 煤矿气体监测系统概述 煤矿气体监测系统是能够监测矿井环境中瓦斯气体的浓度 具有报警功能并 能实现数据远传至地面监控室 PC 的系统 本课题中完整的煤矿气体监测系统山 以下五个部分组成 l 气体传感器 能感知环境中甲烷气体及其浓度的一种敏感元件 它能将 与气体种类和浓度有关的信息转换成电信号 2 显示单元 根据测量信号 由单片机将待显示数据按相应方式进行数据 传输给显示处理模块显示于仪表 3 声光报警单元 当监测气体浓度超出设定报警值时 发出声光报警 4 时通讯单元 将采集数据通过 RS 485 通讯方式进行数据通信 5 数据采集分析软件 运用 VC 编写串口通讯软件 实现气体数据的采集 分析及保存 煤矿气体监测系统其他的技术参数还有存储数据性能 传输数据性能 使用 寿命与可靠性等 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 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 河南城建学院本科毕业设计 论文 绪 论 2 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 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 主要包括 MOS 二极管式 结型二极管式和场效应管式 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等 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 光千涉式气体监测仪表是利用了光的干涉原理实现对已知待 监测气体浓度的测量 比较典型的产品有矿用光干涉型 CH4 气体监测仪 它是利 用不同种类 不同浓度的气体对光的折射率不同这一性质 针对 CH4 气体设计适 当的光路系统 把 CH4 气体浓度的变化转换成光的干涉条纹的位置变化 具体地 说 就是采用一个光源 经过适当的光学设计 使其分解为两列光波 一路通过 标准空气室 另一路穿过采样气室后在某处相遇 此时由于满足光的相干条件 从而产生下涉条纹 把两气室都充有空气时的干涉条纹作为初始位置 当 CH4 气 体充入采样室后 由于光程差的结果 干涉条纹会相对于原位置移动一段距离 并且这个距 离将随 CH4 气体浓度的不同而产生相应的变化 因此只要测量该位 移量 就可以获得 CH4 在空气中的含量 该测量仪测量范围大 使用寿命长 但 仪器设备大 价格高 测量不直观 而且无法与监控系统连接 因此在煤矿中的 使用量逐年减少 在这二种气体监测仪表中 载体催化燃烧方式监测可燃气浓度 的方法因其线性和稳定性较好 以爆炸下限百分体积浓度为单位的浓度标度方法 能统一衡量各种可燃气浓度所呈现的爆炸危险度 且量程符合工业要求 故被较 多的用于爆炸危险场所可燃性气体的测量 该监测方式使用催化载体型气体传感 器作浓度的检知器 该元件由铂丝上烧结一层陶瓷载体 如 A12 仇 后再涂覆催化 活性物 Rh Pd 等 构成 当 Pt 丝中通以工作电流使之达到临界反应温度 320 一 350OC 时 可燃气在元件表面催化燃烧使 Pt 丝电阻增加 在完全燃烧且热辐射 可忽略时 电阻增量 凡与可燃气浓度 C 成正比 即有 R a a c Q Cp ktC Kt a a Q Cp l 1 a a Q q 分别为 Pt 电阻温度系数 催化剂性能常数 可燃气燃烧热 元 件热容 故 k 是仅与元件及可燃气种类有关的常数 将 RF 转换成电信号 通过 这一阻值变化 转换为电压变化 从而通过 A D 转换可得到被测气体的浓度值 1 2 煤矿气体监测系统的国内外发展状况 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 河南城建学院本科毕业设计 论文 绪 论 3 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 世界各国也均有煤矿瓦斯气体监测的系统 如波兰的 DAN640O 法国的 TF200 德国的 MINOS 和英国的 Senturion 200 等 其中全矿井综合监测控制系 统有代表性的产品有美国 MSA 公司生产的系统 德国 BEBRO 公司的 PROMOS 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 我国监测监控技术应用较晚 80 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 结合我国煤矿的实际情况 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 KJ2 KJ4 KJS KJ10 KJ13 KJ19 KJ38 KJ66 KJ75 KJ80 KJ92 KJ95 K J101 等煤矿有害气体监测系统 在我国煤矿己有大量使用 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 1 3 本课题的研究意义 我国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 SO2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 认识并研制监测这种气 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 密度为 0 7167kg m3 对人体 的危害是超限时能引起人窒息死亡 其有易燃 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 第二 煤中瓦斯突出 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 河南城建学院本科毕业设计 论文 绪 论 4 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 日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监测 系统对煤矿工业安全生产 减少事故发生和生命财产损失有重要意义 市场应用 前景十分广阔 1 4 本课题的主要工作内容 日前国内有一些用于煤矿中 CH4 气体的监测系统 但是很少有能实现数据上 传 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 阅读了大量 文献及资料 研发了煤矿气体监测系统 主要工作包括 l 甲烷气体传感器的选用 2 单片机的选用 3 系统硬件电路的设计 4 系统软件的设计 5 通讯方式及通讯协议设计 河南城建学院本科毕业设计 论文 绪 论 5 第二章 煤矿气体监测系统设计的特殊要求及设计原理 本课题的研究目标 是设计一种能够有效监测煤矿瓦斯气体的监测系统 并 可以将实时数据上传至地面监控电脑 实施控制 为此 应根据煤矿工作环境及 煤矿巷道中气体监测系统使用的特殊要求进行系统设计 2 1 系统设计要求 2 1 1 技术指标要求 本课题对煤矿气体监测仪表及其所用气体传感器在技术指标上的要求如下 1 应用环境 煤矿气体监测 2 监测对象 监测甲烷气体 3 测量范围 甲烷 O 10 4 灵敏度 0 01 5 响应时间 30s 6 功耗 100mW 7 环境工作温度范围 一 20 一 70C 8 环境工作湿度范围 95 RH 2 1 2 隔爆仪表设计要求 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 煤矿电器同一般电器有较大的区别 这就对煤矿电器有特殊要求 如体积要 小 易于搬运 坚固 防潮防水 防爆 属于煤矿安全标志管理目录内的矿用产 品应有安全标志 电气设备必须符合防爆要求 应有接地 过流 漏电保护装置 隔爆型仪表的主要特点是有一个可靠的隔爆外壳 它将把可能产生火花和危 险温度的仪表传感器 电阻电路及接线端子等 都放在隔爆外壳里 达到外壳内 河南城建学院本科毕业设计 论文 煤矿气体监测系统设计的特殊要求及设计原 理 6 可能发生的爆炸不影响周围易燃易爆物质 它的设计方法与隔爆型电器和电机基 本相类似 如外壳的各配合面 隔爆面 的间隙大小和长度要符合 GB3836 2 标准 规定要求 另一方面外壳要有一定的机械强度 须达到外壳内部爆炸参考压力的 1 5 倍压力不损坏和变形等 隔爆型仪表设计须注意如下几个方面 l 确定合理的外壳结构 根据仪表的特点 专门设计与原结构相适应的外壳 达到既不损害仪表原来 使用特征又经济合理的外壳 外壳腔内有细长通道 避免腔内发生压力重叠现象 外壳的材质采用新型的工程塑料和优质轻合金 结构轻巧 2 接线盒结构 隔爆型仪表设计带有接线盒的隔爆外壳 且接线盒的防爆类型为隔爆型 由 于隔爆型仪表具有低电压 小电流特点 隔爆型仪表的主腔和接线盒贯通部分 可以尽量采取橡胶密封结构 使隔爆型仪表结构简单 加工方便 3 指示表结构 为了使井下工作人员及时地了解瓦斯浓度数据 隔爆型仪表带有指示表 指 示表设计在仪表的主腔室 透明窗面积不大于 100mm2 透明玻璃厚度大于 8mm 与外壳密封采用橡胶密封措施 2 1 3 系统的功能 在本项目中 煤矿气体监测系统的功能是能够监测 CH4 同时本着方便应用 的原则 还应具备声光报警 人机界面操作 数据存储以及与 PC 机通讯等功能 基于这些要求 仪表应由敏感探头 A D 转换 单片机 数据存储器 显示器 按键面板及报警模块 通讯模块等组成 由于在标定和更新系统参数的时候 需 要大量的实验数据 这就需要扩展仪表外设功能模块 采用串口通讯实现数据的 远传 2 2 设计原理 本项目采用 CH4 气体传感器 研制无火焰燃烧式 CH4 气体传感器应用系统 实现对 CH4 的识别 浓度的测量 是否达到报警阑值的判断以及数据的远传 2 2 1 气体传感器的选择 本文在实验阶段 采用 7 只 CH4 气体传感器进行参数测量 其催化元件是采 用一种全新高活性的纳米级过渡金属合金低温反应催化剂作为新的敏感元件 取 代传统的瓦斯燃烧催化剂 这种新的合金催化剂不仅对瓦斯催化反应的活性极高 临界反应温度低 而且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 同时因反应可在较低温度进行 催化剂性能稳定 因而大大延长了催化剂 河南城建学院本科毕业设计 论文 煤矿气体监测系统设计的特殊要求及设计原 理 7 的使用寿命 这种敏感元件的外观图见图 2 2 1 其具有抗气体干扰能力强 选择性好 反 应速度快 灵敏度高 线性和稳定性好 功耗低 寿命长等特点 适用于煤矿井 下作业环境测量空气中的甲烷气体浓度 检测元件标志 单位 mm 20 13 10 图 2 2 1 元件外观图 1 元件使用环境条件 温度 20 十 70 湿度 95 RH 风速 2mV M 灵敏度 4 传感器对多种可燃气体的敏感特性 图 2 2 2 表示 CH4 气体敏感元件对各种气体的反应关系 从图上我们可以看 出敏感元件输出电压与对各种气体浓度之间具有较好的线性关系 河南城建学院本科毕业设计 论文 煤矿气体监测系统设计的特殊要求及设计原 理 8 5 4 3 2 1 0 氢 丁烷 丙烷 甲烷 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 Vo V 图 2 2 2 输出 Vo 在不同气体及浓度下的变化曲线 5 温湿度的影响 1 恒定湿热试验 40 95 RH 小时 见图 2 2 4 Y 轴表示 Vo 的输出电压值 0 20Min 60Min4h 24h 48h96h 2 4 6 8 10 12 14 16 18 输出电压 mV 图 2 2 3 恒定湿热实验图 2 低温实验见表 2 气敏元件在 00C 一 400C 的环境下维持 4 小时的数据 表 2 1 低温实验记录 河南城建学院本科毕业设计 论文 煤矿气体监测系统设计的特殊要求及设计原 理 9 空气中 25 C 80 0C 7C 10C 15C 20C 25C 40C 维持4 小时 9 2 9 2 9 2 9 2 9 2 9 2 8 7 10 1 10 1 10 1 10 1 10 1 10 1 9 6 9 3 9 3 9 3 9 3 9 3 9 3 9 3 7 6 7 5 7 6 7 6 7 5 7 6 7 2 7 8 7 8 7 8 7 8 7 8 7 8 7 3 8 2 8 1 8 2 8 2 8 2 8 2 7 3 8 3 8 3 8 3 8 3 8 3 8 3 7 8 6 6 6 5 6 6 6 6 6 6 6 6 6 4 mV mV mV mV mV mV mV 代表传感器输出出现振幅在0 2 5之间的震荡波形 见图2 2 5 5V 2 5 0 04 清洁空气中 注入 气体 图 2 2 4 40C 传感器震荡曲线图 6 高浓度甲烷实验 将 0 7 传感器置于 10 的甲烷环境中 2 小时 放气前后的数据状态 表 2 2 高浓甲烷实验放气前后的数据 0 1 2 3 4 5 6 7 单位 空气 0 6 CH4 10 62 CH4 10 CH4 五小时 后 9 16 5 16 5 01 10 18 5 18 5 02 9 17 5 13 5 00 7 15 4 98 5 00 3 13 4 82 4 78 8 19 5 13 5 03 8 20 5 11 5 02 5 14 5 02 4 98 mV mV V V 河南城建学院本科毕业设计 论文 煤矿气体监测系统设计的特殊要求及设计原 理 10 7 稳定性 1 初始稳定性 a 在空气中的初始稳定性 贮存一周到一年的元件初始零点输出可能不为零 只需在工作点电压稳定十 分钟后输出零点将归零 b 在气体中的稳定性 贮存一周到一年的元件刚开始下作时灵敏度可能达不到最佳点 只需在工作 点电压稳定二十分钟后输出灵敏度将复原 2 长期稳定性 5 0 5 10 15 20 25 零点输出 通0 2 甲烷气体的输出 图 2 2 5 长期稳定性 2 2 2 单片机型号的选择 随着计算机技术的发展 单片机因具有集成度高 体积小 速度快 价格低 等特点而在许多领域如过程控制 数据采集 机电一体化 智能化仪表 家用电 器以及网络技术等方面得到广泛应用 从而使这些领域的技术水平 自动化程度 大大提高 正因为如此国内外多家电子生产厂商把目光投向了单片机的生产 其 中最为著名的当数 INTEL 公司生产的 MCS 51 系列单片机 单片机根据本课题的实际情况 单片机型号的选择主要从以下两点考虑 一 是要有较强的抗干扰能力 由于甲烷气体监测传感器处于煤矿矿井巷道中 一下 作环境比较恶劣 以及实际的运行工况比较复杂 这些都对单片机的干扰较大 所以应采用抗干扰性能较好的单片机机型 二是要有较高的性价比 由于 51 系列 在我国使用最广泛且该系列的资料和能够兼容的外围芯片也比较多 特别是 ATMEI 副公司 2003 年推出的新一代 895 系列单片机 其典型产品 AT89552 单片机 具有较高的性能价格比 本文采用 ATMEL 公司生产的 AT89552 单片机作为监测系 统的核心部件 AT89552 单片机是 AT89S 系列单片机中的一种 它是在现己广泛 河南城建学院本科毕业设计 论文 煤矿气体监测系统设计的特殊要求及设计原 理 11 应用于工业控制等各领域的 AT89C52 系列单片机的换代产品 它具有 89C52 的全 部功能 是 8OC51 的增强型并且指令完全兼容 AT89S52 新增加的功能由特殊功 能寄存器完成 相信日后它将更广泛地应用于工业控制 汽车控制 智能仪器仪 表及电机控制等应用领域 2 2 3AT89552 单片机的特点 l 兼容 MCS 51 单片机 2 SK 字节 FLASll 存贮器支持在系统编程工 SP1000 次擦写周期 3 256 字节片内 RAM 4 256 作电压吐 4 0V 到 6 0V 5 动全静态时钟 OHZ 到 33MHZ 6 二级程序加密 7 32 个可编程 l 0 口 8 3 个 16 位定时 计数器 9 6 个中断源 10 上电复位标志 11 完全的双工 UART 串行口 12 低功耗支持 Idle 和 Power down 模式 13 Powerdown 模式支持中断唤醒 14 看门狗定时器 L5 动双数据指针 此外 与 AT89C52 相比 AT89S52 新增加了许多功能 这将使单片机在工作 过程中具备史高的稳定性和电磁抗千扰性 首先 AT89S52 内部增加了片内看门 狗定时器 这将有利于坚固用户应用系统 提高系统可靠性 其次 AT89S52 独有 的双数据指针使数据操作更加快捷方便 再次 AT89S52 运行速度更高 最高晶振 可达到 33MHZ 最后 AT89S52 支持工 ISP In 一 System Programming 在线下载 功能 AT89S52 中 ISP 引脚共有 4 个 RST MOSI MI50 和 SCK 用户可以直接替 换应用系统中的 AT89C51 52 而软件硬件均不需作任何修改 这给正使用 AT89C52 单片机的用户史新换代带来许多方便 正因为 AT89S52 单片机增加了高可靠性 安全性的功能 所以能避免因外部 芯片扩展过多或传感器输入信号过多而引起的信号失真 电磁千扰等现象的发生 因此 用它作为甲烷气体测量可以满足监控 信息传送的要求 而且 从经济性 的角度来看 AT89S52 不但硬件结构简单 而且价格低 功能强 性价比高 符合我国工业设计制造的要求 河南城建学院本科毕业设计 论文 基于气敏元件的煤矿瓦斯监测系统设 计 12 第三章 基于气敏元件的煤矿瓦斯监测系统设计 本章将介绍基于甲烷气体传感器的气体监测系统的系统原理框图 及其整体 协调丁作实现的功能 系统的硬件电路设计及其主要功能模块 系统程序流程等内 容 3 1 系统原理框图 基于气体传感器的甲烷气体监测系统主要由气体传感器 单片机 数据存储 器以及 LED 显示器以及 RS 485 通讯接口等部分组成 其原理框图如图 3 1 所示 采用单片机 AT89S52 构成煤矿气体监测系统的核心部分 根据气体传感器及测量 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 采用 ATMEL 公司的 DataFlash 存储器 AT24CO2 存储设定的参数及大量的测量数据 通过 8 只 8 段 LED 数码管显示气体浓度 也可以在 PC 机控制模式下 采用 RS 485 协 议 实现数据远传 电源电路 气体传感器 A D LED驱动LED显示 时钟模块 声光报警 Data Flash 按键面板 RS 485 计算机 AT89S52 图 3 1 系统硬件原理框图 3 2 系统硬件设计 系统硬件设计原理图见附录 下面介绍其主要组成部分以及它们实现的功能 3 2 1 系统电源 河南城建学院本科毕业设计 论文 基于气敏元件的煤矿瓦斯监测系统设 计 13 该系统系统电源电路图如图 3 2 所示 Vin 是外部输入电源 采用的是 12V 3A 的直流电源 CZ C4 的作用是对 LM317 电压调节端 ADJ 的电压进行滤 波 以提高输出电压的稳定性 Dl D2 起保护作用 当有意外情况使得 LM317 的 Vin 电压比 Vout电压还低的时候 防止从 C3 C4 上有电流倒灌入 LM317 引 起其损坏 整个系统用电可以划分为两部分 HVCC 是 LED 显示器模块 气体传 感器加热 传感器信号监测回路及 A D 转换参考电源模块输入需要的 9 58V 工作 电压 VCC 是单片机等集成芯片需要 5V 的下作电压 电源部分的核心器件是二端可调输出集成稳压器 LM317 LM317 是美国国 家半公司的三端一可调整流稳压器集成电路 输出电压范围是 1 25v 至 37v 负 载电流最人为 1 5A 它的使用非常简单 仅需两个外接电阻来设置输出电压 此 外线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好 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 25V 的参考电压 Vref 并且引脚 3 为正端 当调节端接地时 输出端输出 1 25V 由 Vin 端提供工作电 压以后 便可以保持 out端 3 脚 比 ADJ 端 1 脚 的电压高 1 25V 因此 只需要 用极小的电流来调整 A 川端的电压 便可在 Vout 端得到比较大的输出电流 并 且输出电压比 ADJ 立品电压高出恒定的 1 25V LM317 的输出电压二 1 25X I ADJ 端到地的电阻 ADJ 端到 Vout 端的电阻 通过调整接入 ADJ 端和 Vout 端电阻的比值 来改变输出电压 值得注意的是 LM317 有一个最小负载电流的问题 即只有负载电流超过某一值时 才能起到稳 压作用 这个电流随器件的生产厂家而有所差异 一般在 3 8mA 不等 可以通 过在负载端接一个合适的电阴来解决 依据 LM317 的输出电压计算公式 可以 得到图 3 2 中 LMI 的输出 HVCC Vref 1 R1 R2 其中 Vref 1 25V R1 1000 R2 10 数据代入上式得 HVCC 9 58 另外 LM2 的输出 VCC Vref 1 R3 R4 其中 Vref 1 25V R3 460 R4 150 数据代入公式得到 VCC 5 08v 河南城建学院本科毕业设计 论文 基于气敏元件的煤矿瓦斯监测系统设 计 14 Vin C1 16V 22u C2 104 D1 2 1 R1 1K R2 150 Vin ADJ Vout LM1 LM317 HVCC C3 16V 22u C4 104 R3 460 R4 150 2 1 D2 Vin ADJ Vout C5 16V 22u 33 C6 16V 22u Vss Vcc LM2LM317 图 3 2 系统电源电路图 3 2 2 气体传感器加热及其信号采样 气体传感器加热及其信号采样电路图如图 3 3 所示 由 LM317 提供加热电 压 其中 llVCC 是输入电压 V 巨是气体传感器的力 I 热电压 VH 是监测回路 的工作电压 G 刚 为气体传感器加热地 VSS 为信号采样地 RS 为气体传感器的 敏感体电阻 R 为取样电阻 传感器加热电压高 加热丝的电阻值小 这样势 必导致流经加热回路的电流大 另外 为了方便测量 传感器探头电路与仪表数 据处理电路不在同一个电路板 而是用了比较长的数据线相连 如果采样地 与加热地共用一条回路 采样地就会流过较大的电流 这样就能在信号采样线上 产生很大的压降 从而导致采集的信号受信号采集线的长短影响较大 必须把加 热地与信号地分离开 才能降低干扰 依据 LM317 的输出电压一计算公式 可以得到 VE Vref 1 R1 R2 其中 Vref 1 25V R 470 R2 150 数据代入公式得到 VE 5 17 河南城建学院本科毕业设计 论文 基于气敏元件的煤矿瓦斯监测系统设 计 15 HVCC D3 C7 104 R5 470 R6 150 Vin ADJ 2 1 Vout LM3LM317 C8 16V 22u SENSOR RL VH A D Vss VE 3 图 3 3 气体传感器加热及信号采样电路图 模数转换芯片选用的是美国模拟器件公司 AnalogDeviceS 生产的一种低功耗 10 位高速串行 A D 转换器 AD7810 其转换精度为 模数转换时 10 11 211023 参考电源的稳定性很重要 在本系统中外部电源是由 TL431 及其外围电路供给 根据欧姆定律 得到气体传感器的输出电压 0 S SL R VVH RR 经 A D 转换后 换算出气体传感器输出电压 0 10 21 AD V VVH 其中 VAD是 A D 的转换结果 由以上两式联立得 0 10 21 SAD SL RV VVHVH RR 上式简化得到 10 21 AD SL AD V RR V 从上式可以看出 Rs与采样回路电压 VH 无关 只要保证参考电压 VH 稳定就 河南城建学院本科毕业设计 论文 基于气敏元件的煤矿瓦斯监测系统设 计 16 可以 如果确定了采样电阻 R 以及 A D 转换结果 就可以得到气体传感器得敏 感体电阻 3 2 3 传感器信号监测回路及 A D 转换参考电源 传感器信号监测回路及 A D 转换参考电源电路图如图 3 4 所示 主要由三极 管和 TL431 组成 TL431 是 Tl 公司生产的一个有良好的热稳定性能的三端可调精 密电压基准集成电路 引脚分别为 阴极 CATHODE 阳极 ANODE 和参考端 REF 输 出电压范围是 2 5v 到 36v 典型动态阻抗为 0 2 输出杂波低 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 源等等 该器件内部有一个的 2 5V 基准源 V 工 接在内部运放的反相输入端 由运放的特性可知 只有当 REF 同相端 的电压非常接近 VI 时 三极管中才会有 一个稳定的非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 TL431 工作的必要条件 即通过阴极的电流要大于 lmA 图 3 4 中 R8和 R6对 VH 的分压引入反馈 若输出增大 则反馈量增大 TL431 的分流也就增加 从而又导致 VH 下降 可见 这个深度的负反馈电路必然 在 VI 等于基准电爪处稳定 此时 TL431 的输出 6 8 1 ref R VHV R 其中 Vref 2 5V R6 200 R8 1000 数数据代入公式得到 VH 3V 为了降低系统功耗 用单片机 I O 口控制该电源的工作状态 当 I O 为高电 平 1 时 NPN 三极管 Q1导通 其集电极为低电平 从而使 PNP 三极管 Q2基极 拉低 其射极输出高电平 这样就能满足 TIJ431 的工作条件 从而可以得到 VH 3V 的输出电压 当 I O 为低电平 0 时 NPN 二极管 Q1截止 其集电极为高 电平 从而使 PNP 三极管 Q2基极为高 Q2截止 这样不能满足 TL431 工作条件 得到 VH 0V 输出电压 河南城建学院本科毕业设计 论文 基于气敏元件的煤矿瓦斯监测系统设 计 17 P14 R7 10K Q1 8050 R9 150 R8 22K R10 10K Q2 8550 R11 240 R12 200 R13 200 2 1 R14 1K Q3 8550 3Vin ADJ Vout C9 104 C10 16V 22u VH LM317 图 3 4 传感器信号监测回路及 A D 转换参考电源电路图 3 2 4 模数转换芯片 AD7810 的原理及应用 AD7810 是美国模拟器件公司 AnalogDeviCeS 生产的一种低功耗 10 位高速 串行 A D 转换器 该产品有 8 脚 DIP 和 SOIC 两种封装形式 并带有内部时钟 它的外围接线极其简单 AD781O 的转换时间为 2us 采用标准 SPI 同步串行接口 输出和单一电源 2 7V 一 5 5V 供电 在自动低功耗模式下 该器件在转换吞 吐率为 1kSPS 时的功耗仅为 27uW 1 AD7810 引脚功能 AD7810 引脚排列如图 1 所示 各引脚的功能如下 1 脚 CONVST 转换启动输入信号 2 脚 VlN 模拟信号同相输入端 3 脚 VIN 模拟信号反相输入端 4 脚 GND 接地端口 5 脚 Vref 转换参考电压输入端 6 脚 DOUT 串行数据输出端 7 脚 SCLK 时钟输入端 8 脚 VDD 电源端 河南城建学院本科毕业设计 论文 基于气敏元件的煤矿瓦斯监测系统设 计 18 CONVST Vin Vin GND 1 2 3 4 8 7 6 5 AD7810 图 3 5 AD7810 引脚功能 2 AD7810 主要参数 l 分辨率 10 位二进制 2 转换时间 2uS 3 非线性误差 1LSB 4 时电源电 长范围 2 7 5 5V 5 电源功耗 高速方式时为 17 5mW 低功耗方式时为 5uW 6 参考电压 Vref 范围 1 2V VDD 7 模拟电压输入范围 0V 一 Vref 8 输出形式 SPI 同步串行输出 与 TTL 电平兼容 3 D7810 的工作模式 3 1 高速模式 图 3 6 是 AD7810 工作在高速模式时的时序图 在此模式下 启动信号 CONVST 一般处于高电平 在 CONVST 端输入一个负脉冲 其下降沿将启动一次转 换 若 采用内部时钟 那么 转换需要 2uS 的时间 图中 tl 当转换结束时 AD7810 会自动将转换结果锁存到输出移位寄存器中 此后 在每一个 SCLK 脉冲的上升 沿 数据按由高到低的原则 首先发送 DB8 最后发送 DBO 依次出现在 DOUT 上 如果在转换还未结束之前就发出 SCLK 信号来启动数据输出 那么 在 DOUT 上出 现的将是上一次转换的结果 河南城建学院本科毕业设计 论文 基于气敏元件的煤矿瓦斯监测系统设 计 19 CONVST SCLK Dout t1 t2 DB9DB0 图 3 6 AD78l0 高速模式时序图 启动信号 CONVST 应在转换结束前变为高电平 即 t2 应小于 tl 否则器件将 自动进入低功耗模式 另外 串行时钟 SCLK 的最高频率不能超过 20MHz 3 2 自动低功耗模式 图 3 7 是 AD7810 下作在自动低功耗模式时的时序图 在此模式下 启动信 号 CONVST 为低电平时 器件处于低功耗休眠状态 当在 CONVST 端输入一个正脉 冲时 可在其上升沿将器件从休眠状态唤醒 唤醒过程需要 1uS 的时间 图中 t2 当器件被唤醒后 系统将自动启动一次转换 转换时间也是 2uS 图中 tl 转换 结束时 AD7810 将转换结果锁存到输出移位寄存器中 同时自动将器件再一次置 于低功耗状态 CONVST SCLK Dout t2 DB9DB0 t1 图 3 7 AD781O 自动低功耗模式 启动信号 CONVST 正脉冲的宽度 图 3 7 中 t2 应小于 1ps 否则器件被唤 河南城建学院本科毕业设计 论文 基于气敏元件的煤矿瓦斯监测系统设 计 20 醒后将不会自动启动转换 而是将 A D 转换的启动时间顺延至 CONVST 的下降沿 处 自动低功耗模式是 AD7810 的一大特色 一般当数据吞吐率小于 100kSPS 时 应使器件工作在此模式下 在 5V 电源电压下 当数据吞吐率为 100kSPS 时 器 件的功耗 2 7mW 而当数据吞吐率为 10kS 时 功耗为 270 W 若数据吞吐