1矿井瓦斯浓度实时检测报警系统---副本讲解.doc

精品文档测控技术与仪器专业综 合 课 程 设 计设计说明书班 级：11表学 号：2011140402姓 名：指导教师：电气工程学院2015年 01月 07日电气工程学院综合课程设计成绩评定表设 计 题 目矿井瓦斯浓度实时检测报警系统姓 名班级答辩小组成员（职称）：龚瑞昆（教授）、张湧涛（教授）、赵延军（副教授）说明书主要内容：随着采矿技术的不断发展，井下作业的安全越来越有保障，但是仍然有许多采矿企业的机械化程度低，对现场采矿的工作人员的生命安全造成潜在的威胁，特别是针对瓦斯气体的检测和报警仍旧存在隐患，每年由于瓦斯泄露造成的特大事故依然很多。为避免人为因素造成爆炸事故的发生，开发研制出自动监控瓦斯气体的报警器。本课题设计的是用单片机控制瓦斯浓度报警监控仪，综合运用瓦斯浓度实时检测方法、信号采集与传输原理、8031单片机及外围设备设计矿井瓦斯浓度实时检测报警系统。其中8031单片机为核心，通过气体传感器检测瓦斯浓度，经由AD转换送人单片机，并且实时显示瓦斯浓度。通过对瓦斯浓度设定，当矿井中的瓦斯气体浓度达到一定数值的时候及时发出报警信息。 评定成绩： 答辩小组组长： 年 月 日目 次引言11 文献综述21.1本课题的研究背景及意义21.2 国内外发展概况及研究方向32 总体设计方案42.1系统概述42.2 系统框图42.3工作原理53 具体实施方案63.1 瓦斯气体检测电路63.2 中心控制模块73.2.1 8031引脚功能83.2.2 8031程序存储器93.2.3 8031数据存储器103.3 AD模数转换113.4系统检测结果的显示133.5数据通信163.5报警电路173.6看门狗17参考文献19III欢迎下载。精品文档引言能源工业是一个国家经济发展的命脉。近年来，随着石油价格的飙升，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形势却不容乐观，尤其是重、特大煤矿事故屡见报端。随着我国经济的发展，能源的需求量大大增加，刺激了煤炭产业的发展。但是由于井下环境恶劣，近年来，我国煤矿瓦斯爆炸事件频繁发生，瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出等灾害，严重威胁着煤矿的安全生产和数百万名矿工的生命安全，给人民生活和国家经济建设带来巨大影响。在这些事故中，瓦斯爆炸占绝大多数。这其中，固然有很多诱发因素，但是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的重要因素之一。目前，我国所有煤矿均为瓦斯矿井。瓦斯灾害已成为制约我国煤矿安全生产和煤炭工业发展的重要因素。这从一个侧面告诉人们，在我国，只要控制住瓦斯，就可有效减少煤矿事故。多年来的实践证明，煤矿瓦斯监测监控系统是控制瓦斯事故的重要管理工具，它不仅能够准确地检测甲烷含量,当被测气体中甲烷浓度超过预定数值时,自动发出报警，提醒井下人员立刻离开。使煤矿采取有针对性的防范措施，还可立即切断危险区域内的电源，避免事故发生。近年来，国有重点煤矿瓦斯爆炸事故较少的原因之一，就是绝大多数煤矿的高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井安装了瓦斯监测监控系统。所以，设计开发瓦斯浓度实时监测系统是非常有必要的，它能在瓦斯超限时或在矿井中缺少氧气并低于报警限时进行声光报警，并且可以远程显示，告知井下瓦斯和氧气超限的实际情况，使安全局主要负责人对矿主、安检员、某些矿的负责人进行监管，督促他们认真贯彻煤矿安全规程，实现自动监管功能，进而更好的促进工业的发展。19欢迎下载19欢迎下载19欢迎下载19欢迎下载19欢迎下载。精品文档1 文献综述1.1 本课题的研究背景及意义本课题的研究背景及意义从我国煤炭生产的现状及我国能源结构战略规划均可看出，在本世纪中叶以前，煤炭仍将是支持我国国民经济发展的主要能源。煤炭生产 作为我国能源工业的支柱,其地位将是长期的，稳定的。但是，目前煤 炭工业的安全生产状况却很差，其中之一便是有害气体的危害性，包括 CH4，瓦斯，SO2等。 瓦斯(CH4)是煤矿井下危害最大的气体，它是在成煤过程中形成并大量贮存于煤层之中的气体，无色、无味，有易燃、易爆等特点。瓦斯的危害主要表现为三个方面：第一、瓦斯浓度过高，对工人身体健康造成 伤害，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。第三、大量的瓦斯排入大气，污染大气环境。 目前我国已经使用的瓦斯报警矿灯具有体积小、结构简单、安装方 便等优点，但存在的问题是传感器漂移大，要定期维护，并且需要维护的周期很短；维护方法复杂，成本较高，抗机械干扰能力较差。为了解决这些问题，本课题在分析模拟式瓦斯报警器特点的基础上，充分利用51单片机的强大功能，对瓦斯浓度进行实时采集、数据处理，对瓦斯传感器进行实时自校零、非线性补偿，对提高瓦斯检测的可靠性和系统的性价比具有十分重要的意义。1.2 国内外发展概况及研究方向仪器不断更新。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；便携式仪器采样方法为泵吸式，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。 世界各国均有煤矿瓦斯气体监测的系统，如波兰的DAN6400、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公司生产的MSN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。 国外的监控系统技术虽然高于国内发展水平，但应用于国内煤矿尚有一定的局限性，如煤矿管理模式生产方式的不同，价格过高等。因此，除在传感器技术方面可供借鉴外，其它仅具一定的参考价值。 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、KJ8、KJ10、KJ13、KJ19、KJ38、KJ66、KJ75、KJ80、KJ92、KJ95、KJ101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。精品文档2 总体设计方案2.1系统概述随着超大规模数字集成电路、单片机技术的飞速发展，利用单片机及其它外围芯片实现对瓦斯的监测成为一种可能，并且成为一种发展趋势。它具有体积小、操作简单、安装方便、功能较齐全等优点，而且性能价格比也很高，应用前景非常广泛。因此此次设计整体上是基于单片机来实现煤矿瓦斯浓度监测报警。我设计的是基于单片机的井下瓦斯浓度检测MQ-5传感器，该系统以单片机8031为核心，包含甲烷浓度采样器、存储器的扩展、AD转换、看门狗、数据输出、拓展借口、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，提醒生产人员离开，避免生产事故。 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，单片机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。2.2 系统框图气体传感器AD转换器8031最小系统看门狗报警电路显示电路数据存储器程序存储器此次设计的瓦斯浓度检测系统是由气体传感器、AD模数转换、8031单片机、外部程序存储器、外部数据存储器、LCD显示电路、报警等电路构成，其系统框图如下：图 1 系统框图2.3工作原理该系统正常工作时，通过控制瓦斯气体传感器对瓦斯气体进行实时的检测，输出与瓦斯浓度相对应的电压信号，送至AD转换器进行转换，AD转换器将模拟信号转换为相应的数字信号后送人8031单片机，单片机对采样的值进行计算、处理、与预先在单片机中设置的报警数值相比较，若被测气体中瓦斯浓度超过报警电路预定的数值时，报警电路即发出声、光报警信号，工作人员即可采取相关措施，以防发生瓦斯爆炸等相关危险。精品文档3 具体实施方案3.1 瓦斯气体检测电路本设计中，主要检测的气体为瓦斯气体的浓度，并且瓦斯爆炸浓度范围为5%-16%，MQ-5测量的浓度范围是2%-50%，所以选取MQ-5气体传感器可以很好的检测出气体的浓度。MQ-5气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。MQ-5气体传感器对丁烷、丙烷、甲烷的灵敏度高，对乙醇烟雾基本不响应，对甲烷和丙烷可较好的兼顾。这种传感器可检测多种可燃性气体，特别是天然气，并且有快速的恢复响应、长期的使用寿命、可靠的稳定性、测试电路简单等特性，是一款适合多种应用的低成本传感器。图 2 MQ-5结构图MQ-5气敏元件的结构和外形如图2所示,由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有只针状管脚，其中个用于信号取出，个用于提供加热电流。由于MQ-5传感器对不同种类、不同浓度的气体有不同的电阻值。因此在使用此类传感器时，灵敏度的调整很重要，对于此款传感器可以选用1000ppm异丁烷或氢气来校准。设计的电路图如下：图3 瓦斯浓度检测电路3.2 中心控制模块本次设计所选用的控制芯片为8031单片机，尽管这是一款被淘汰的单片机，但是对其外部拓展的学习设计也是有一定意义的。8031单片机引脚图如下：图4 8031单片机3.2.1 8031引脚功能（1）主电源引脚Vss和Vcc Vss接地 Vcc正常操作时为+5伏电源（2）外接晶振引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1内部振荡电路反相放大器的输入端，是外接晶体的一个引脚。当采用外部振荡器时，此引脚接地。 XTAL2内部振荡电路反相放大器的输出端。是外接晶体的另一端。当采用外部振荡器时，此引脚接外部振荡源。（3）控制或与其它电源复用引脚RST/VPD，ALE/,和/Vpp RST/VPD 当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平（由低到高跳变），将使单片机复位在Vcc掉电期间，此引脚可接上备用电源，由VPD向内部提供备用电源，以保持内部RAM中的数据。 ALE/PROG:引脚30,地址锁存有效信号，其主要作用是提供一个适当的定时信号，在它的下降沿用于外部程序存储器或外部数据存贮器的低8位地址锁存，使总线P0输出/输入口分时用作地址总线（低8位）和数据总线,此信号每个机器出现2次,只是在访问外部数据存储器期间才不输出ALE。所以，在任何不使用外部数据存贮器的系统中，ALE以1/6振荡频率的固定速率 输出，因而它能用作外部时钟或定时。 RST/VpD:引脚9，复位输入信号，振荡器工作时，该引脚上2个机器周期的高电平可以实现复位操作。 /Vpp 、/Vpp为内部程序存储器和外部程序存储器选择端。当/Vpp为高电平时，访问内部程序存储器，当/Vpp 为低电平时，则访问外部程序存储器。 P0.0P0.7:通道0，它是8位漏极开路的双向I/O通道，当扩展外部存贮器时，这也是低八位地址和数据总线，在编程校验期间，它输入和输出字节代码，通道0吸收/发出二个TTL负载。P1.0P1.7:通道1是8位拟双向I/O通道，在编程和校验时，它发出低8位地址。通道1吸收/发出一个TTL负载。P2.0P2.7:通道2是8位拟双向I/O通道，当访问外部存贮器时，用作高8位地址总线。通道2能吸收/发出一个TTL负载。P3.0P3.7:通道3准双向I/O通道。通道3能吸收/发出一个TTL负载，P3通道的每一根线还有另一种功能：P3.0:RXD，串行输入口。P3.1:TXD，串行输出口。P3.2:INT0，外部中断0输入口。P3.3:INT1，外部中断1输入口。P3.4:T0，定时器/计数器0外部事件脉冲输入端。P3.5:T1，定时器/计数器1外部事件脉冲输入端P3.6:WR，外部数据存贮器写脉冲。P3.7:RD，外部数据存贮器读脉冲。3.2.2 8031程序存储器由于8031单片机片内不含程序存储器，必须添用片外程序存储器，再用到地址锁存器，才能构成一台完整的计算机。因此严格说，它称不上是“单片”机。8031本身、片外程序存储器与地址锁存器组成一个真正可用的、未曾拓展的最小系统。本次设计所用的片外程序存储器为2764，2764是8K*8字节的紫外线镲除、电可编程只读存储器，单一+5V供电，工作电流为75mA，维持电流为35mA，读出时间最大为250nS，28脚双列直插式封装外部程序存储器。它的各引脚的含义为：A0-A12为13根地址线，可寻址8K字节；O0-O7为数据输出线；CE为片选线；OE为数据输出选通线；PGM为编程脉冲输入端；Vpp是编程电源；Vcc是主电源。正常工作（只读）时，Vpp=Vcc=+5V,PGM=+5V。编程时，Vpp+25V（高压），PGM端加入宽度为50ms的负脉冲。其引脚图如下：图5 2764这是一块8K8bit的EPROM芯片，它的引线与SRAM芯片6264是兼容的。这给使用者带来很大方便。因为在软件调试过程中，程序经常需要修改，此时可将程序先放在6264中，读写修改都很方便。调试成功后，将程序固化在2764中，由于它与6264的引脚兼容，所以可以把2764直接插在原6264的插座上。这样，程序就不会由于断电而丢失。下面介绍2764各引脚的含义:A0一A12：13根地址输入线。用于寻址片内的8K个存储单元。D0D7：8根双向数据线，正常工作时为数据输出线。编程时为数据输入线。OE：输出允许信号。低电平有效。当该信号为0时，芯片中的数据可由D0D7端输出。CE：选片信号。低电平有效。当该信号为0时表示选中此芯片。PGM:编程脉冲输入端。对EPROM编程时，在该端加上编程脉冲。读操作时该信号为1。VPP：编程电压输入端。编程时应在该端加上编程高电压，不同的芯片对VPP的值要求的不一样，可以是+12.5V，+15V，+21V，+25V等。EPROM的一个重要优点是可以擦除重写，而且允许擦除的次数超过上万次。一片新的或擦除干净EPROM芯片，其每一个存储单元的内容都是FFH。要对一个使用过的EPROM进行编程，则首先应将其放到专门的擦除器上进行擦除操作。擦除器利用紫外线光照射EPROM的窗口，一般经过1520min即可擦除干净。擦除完毕后可读一下EPROM的每个单元，若其内容均为FFH，就认为擦除干净了。3.2.3 8031数据存储器一片比较复杂的单片机应用系统当然有可能兼有片外ROM和片外RAM，8031片内不含程序存储器的机型要拓展片外RAM也必然既有片外ROM,又有片外RAM。本次设计采用的片外数据存储器为6264。 6264的容量为8KB，是28引脚双列直插式芯片，采用CMOS工艺制造。其各引脚功能为A12A0（address inputs）：地址线，可寻址8KB的存储空间。D7D0（data bus）：数据线，双向，三态。OE（output enable）：读出允许信号，输入，低电平有效。WE（write enable）：写允许信号，输入，低电平有效。CE1（chip enable）：片选信号1，输入，在读/写方式时为低电平。CE2（chip enable）：片选信号2，输入，在读/写方式时为高电平。VCC：+5V工作电压。GND：信号地。6264的操作方式由OE,WE, CE1 , CE2的共同作用决定 写入：当WE和CE1为低电平，且OE和CE2为高电平时，数据输入缓冲器打开，数据由数据线D7D0写入被选中的存储单元。 读出：当OE和CE1为低电平，且WE和CE2为高电平时，数据输出缓冲器选通，被选中单元的数据送到数据线D7D0上。 保持：当CE1为高电平，CE2为任意时，芯片未被选中，处于保持状态，数据线呈现高阻状态。8031单片机最小系统及片外拓展存储器电路图如下：图6 单片机最小系统及拓展由上图所示，这类的扩展电路地址总线和数据总线共用，控制线中除了ALE外，片外ROM用到PSEN,片外RAM用到了RD与WR;片选的接法则与存储器芯片地址有关，图中2764和6264地址都是自0000H至1FFFH,程序存储器和片外数据存储器的寻址范围都是64K个单元，地址都自0000H编至1FFFH，二者完全重叠。由于访问片外ROM和片外RAM所用的控制线不同，且PSEN与RD、WR不会同时有效，虽然地址总线与数据总线共用，不会引起混乱。3.3 AD模数转换由于传感器检测出的数据输出的是模拟信号，所以需要进行模数转换后才能输入单片机进行计算处理。ADC0804是属于连续渐进式的A/D转换器，这类型的A/D转换器除了转换速度快（几十至几百us）、分辨率高外，还有价钱便宜的优点，普遍被应用于微电脑的接口设计上。它的主要电气特性如下：工作电压：5V，即VCC5V。模拟输入电压范围：05V，即0Vin5V。分辨率：8位，即分辨率为1/28=1/256，转换值介于0255之间。转换时间：100us（fCK640KHz时）。转换误差：1LSB。参考电压：2.5V，即Vref2.5V。以输出8位的ADC0804动作来说明“连续渐进式A/D转换器”的转换原理，动作步骤如下表示（原则上先从左侧最高位寻找起）。第一次寻找结果：10000000（若假设值输入值，则寻找位假设位1）第二次寻找结果：11000000（若假设值输入值，则寻找位假设位1）第三次寻找结果：11000000（若假设值输入值，则寻找位该假设位0）第四次寻找结果：11010000（若假设值输入值，则寻找位假设位1）第五次寻找结果：11010000（若假设值输入值，则寻找位该假设位0）第六次寻找结果：11010100（若假设值输入值，则寻找位假设位1）第七次寻找结果：11010110（若假设值输入值，则寻找位假设位1）第八次寻找结果：11010110（若假设值输入值，则寻找位该假设位0）这样使用二分法的寻找方式，8位的A/D转换器只要8次寻找，12位的A/D转换器只要12次寻找，就能完成转换的动作，其中的输入值代表图1的模拟输入电压Vin。本次设计的AD转换电路如下：图7 AD转换电路此次转换电压为MQ-5的输出电压，并经以下4个步骤转换完成：步骤S0：CS0、WR0、RD1（由CPLD发出信号要求ADC0804开始进行模拟/数字信号的转换）。步骤S1：CS1、WR1、RD1（ADC0804进行转换动作，转换完毕后INTR将高电位降至低电位，而转换时间100us）。l步骤S2：CS0、WR1、RD0（由CPLD发出信号以读取ADC0804的转换资料）。l步骤S3：CS1、WR1、RD1（由CPLD读取DB0DB7上的数字转换资料）。3.4系统检测结果的显示本次设计的系统显示部分是由74hc595和lcd1602构成的。由于8031的I/O口的限制所以选用了74hc595实现串行输入并行输出连接1602以节约8031的I/O口的使用。74HC595是硅结构的CMOS器件，兼容低电压TTL电路，遵守JEDEC标准。 74HC595具有8位移位寄存器和一个存储器，三态输出功能。移位寄存器和存储器是分别的时钟。数据在SHcp（移位寄存器时钟输入）的上升沿输入到移位寄存器中，在STcp（存储器时钟输入）的上升沿输入到存储寄存器中去。如果两个时钟连在一起，则移位寄存器总是比存储寄存器早一个脉冲。移位寄存器有一个串行移位输入（Ds），和一个串行输出（Q7）,和一个异步的低电平复位，存储寄存器有一个并行8位的，具备三态的总线输出，当使能OE时（为低电平），存储寄存器的数据输出到总线。它具有8位串行输入 /8位串行或并行输出 存储状态寄存器，三种状态。1602是字符型液晶，它是16*2的显示的。1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码。1602的功能引脚图如下：图8 1602的引脚功能第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：D0D7为8位双向数据线。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。1602的控制命令如下图：图9控制命令1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明：1为高电平、0为低电平）指令1：清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置。指令2：光标复位，光标返回到地址00H。指令3：光标和显示模式设置I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效。指令4：显示开关控制。D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。指令5：光标或显示移位S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。指令6：功能设置命令DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示F:低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符。指令7：字符发生器RAM地址设置。指令8：DDRAM地址设置。指令9：读忙信号和光标地址BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。指令10：写数据。指令11：读数据。本次设计的显示部分电路图如下：图10 1602显示要实现74hc595驱动1602显示一般用有3个步骤：第一步：目的：将要准备输入的位数据移入74HC595数据输入端上。方法：送位数据到P3.3。第二步：目的：将位数据逐位移入74HC595，即数据串入。方法：P3.4产生一上升沿，经过8次后，将P3.3上的数据完全移入74HC595中.从低到高。第三步：目的：并行输出数据。即数据并出。方法：P3.5产生一上升沿，将由P上已移入数据寄存器中的数据送入到输出锁存器，进而送给1602进行显示。3.5数据通信本次设计的通信所用的芯片为MAX232，MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5v单电源供电。其引脚