煤矿瓦斯监测仪设计(共29页)

1、精选优质文档-倾情为你奉上辽 宁 工 业 大 学 单片机原理及接口技术 课程设计（论文）题目： 煤矿瓦斯监测仪设计 院（系）： 新能源学院 专业班级： 光伏应用技术131 学 号： 学生姓名： 曲善民 指导教师： （签字）起止时间：2016.06.20-2016.7.3 专心-专注-专业 学 号 学生姓名曲善民 专业班级电气131课程设计（论文）题目煤矿瓦斯监测仪设计课程设计（论文）任务该检测仪实时监测煤矿的瓦斯，当瓦斯浓度超过阈值时发出报警信号，并启动输出相应的开关量信号，可以启动排风设备，检测仪由AC220V供电。设计任务：1. CPU最小系统设计（包括CPU选择，晶振电路，复位电路）2.

2、 传感器选择及瓦斯检测接口电路设计3. 报警电路以及工作电源设计4程序流程图设计及.程序清单编写技术参数：1瓦斯浓度上限为3%2检测仪的工作电源为220V设计要求：1、分析系统功能，尽可能降低成本，选择合适的单片机、AD转换器、输出电路等；2、应用专业绘图软件绘制硬件电路图和软件流程图；3、按规定格式，撰写、打印设计说明书一份，其中程序开发要有详细的软件设计说明，详细阐述系统的工作过程，字数应在4000字以上。进度计划第1天 查阅收集资料第2天 总体设计方案的确定第3-4天 CPU最小系统设计第5天 传感器选择及瓦斯检测接口电路设计第6天报警电路以及工作电源设计第7天 程序流程图设计第8天 软

3、件编写与调试第9天 设计说明书完成第10天 答辩指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 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。该传感器以89C51单片机为核心，实现对瓦斯的检测、报警和控制，安

4、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：煤矿事故；传感器；89C51目 录第1章 绪论1.1 瓦斯监测仪概况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控系统，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，先后研制出一系列监控系统，在我国煤矿已大量使用。实践表明，安全监控系统为煤矿安全生产和管理起到了十分重要的作用，各局矿已作为一项重大安全装备。由于当时相当一部分监控系统由于技术水平低、功能和扩展性能差、现场维修维护和技术服务跟不上等原因

5、，或者已淘汰、或者停产。因此造成相当一部分矿井无法继续正常使用已装备的系统。特别是近年来由于老系统服务年限将至，已无继续维修维护的必要，系统面临更新改造的机遇。 随着电子技术、计算机软硬件技术的迅猛发展和企业自身发展的需要，国内各主要科研单位和生产厂家又相继推出了一系列监控系统，以及一些煤矿安全综合化和数字化网络监测管理系统。同时，在“以风定产，先抽后采，监测监控”十二字方针和煤矿安全规程有关条款指导下，规定了我国各大、中、小煤矿的高瓦斯或瓦斯突出矿井必须装备矿井监测监控系统。因此，大大小小的系统生产厂家如雨后春笋般的不断出现，为用户提供了更多的选择机会、也促进了各厂家在市场竞争条件下不断提高

6、产品质量和服务意识。瓦斯安全监测监控系统是传感器技术、信息传输技术、计算机应 用技术、电气防爆技术和控制技术等多种技术在矿井安全生产监控领域应用的产物，对保障煤矿安全生产，提高生产效率和机电设备的利用率都具有十分重要的作用。矿井安全监控系统一般由三部分组成:中心站(包括应用软件、计算机及外围设备)；信息传输装置(包括传输接口、分站、传输线、接线盒等)；传感器和执行装置。具体来讲，煤矿安全监控系统是指对煤矿的瓦斯、风速、一氧化碳、烟雾、温度等环境参数和矿井生产、运输、提升、排水等环节的机电设备工作状态进行监测和控制，用计算机分析处理并取得数据的一种系统。安全监控系统可以为各级生产指挥者和业务部门

7、提供环境安全参数动态信息，为指挥生产提供及时的现场资料和信息，便于提前采取防范措施。另外通过对被测参数的比较和分析，系统可以实现自动报警、断电和闭锁，便于制止事故的发生或扩大；在发生事故的情况下，能及时指示最佳救灾和避灾路线，为抢救和疏散人员、器材，提供决策信息。1.2 本文研究内容该检测仪实时监测煤矿的瓦斯，当瓦斯浓度超过阈值时发出报警信号，并启动输出相应的开关量信号，可以启动排风设备，检测仪由AC220V供电。本设计主要设计内容是：1. CPU最小系统设计（包括CPU选择，晶振电路，复位电路）2. 传感器选择及瓦斯检测接口电路设计3. 报警电路以及工作电源设计4程序流程图设计及.程序清单编

8、写第2章 CPU最小系统设计2.1 瓦斯监测仪总体设计方案催化元件小信号放大电路A/D转换CPU报警电路图2.1 瓦斯监测仪原理框图在催化元件电源端加上一正电压，使催化元件开始工作，输出与甲烷浓度相对应的电压信号，此电压经过放大电路放大后，送到A/D转换，A/D转换电路将模拟信号转换为数字信号送入CPU, CPU对采样值进行数值计算，处理后，驱动显示器显示出被测气体中的甲烷浓度值，若被测气体中甲烷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，并启动输出相应的开关量信号，可以启动排风设备，检测仪由AC220V供电。2.2 CPU的选择CPU是监控报警仪的核心，完成数据采集、处理、输

9、出、显示等功能,是整个仪器正常工作的基础，它的选择直接关系到整个系统的工作。选择通用性强、功耗小、性能稳定良好的8位CMOS微处理器芯片AT89C51，它与常用MCS-51型单片机兼容，工作电压为2.7V6.OV,具有32条可编程I/O端口，3个16位定时计数器，256×8位内部RAM,内带8K字节快闪EEPROM的特点，大大简化了电路的设计。引脚图如图：图2.2 89C51引脚图部分引脚功能说明：RST：AT89C51的复位信号输入引脚，高电位工作，当要对芯片复位时，只要将此引脚电位提升到高电位，并持续两个机器周期以上的时间，AT89C51便能完成系统复位的各项工作，使得内部特殊功

10、能寄存器的内容均被设成已知状态。XTAL1：接外部晶振的一个引脚。在单片机内部，它是一反相放大器输入端，这个放大器构成了片内振荡器。它采用外部振荡器时，此引脚应接地。XTAL2：接外部晶振的一个引脚。在片内接至振荡器的反相放大器输出端和内部时钟发生器输入端。当采用外部振荡器时，则此引脚接外部振荡信号的输入。：访问外部程序存储器选通信号，低电平有效。在访问外部程序存储器读取指令码时，每个机器周期产生二次 信号。在执行片内程序存储器指令时，不产生PSEN 信号，在访问外部数据时，亦不产生信号。ALE/：ALE表示允许地址锁存允许信号。当访问外部存储器时，ALE信号负跳变来触发外部的8位锁存器 (如

11、74LS373)，将端口P0 的地址总线(A0-A7)锁存进入锁存器中。在非访问外部存储器期间，ALE引脚的输出频率是系统工作频率的1/16，因此可以用来驱动其他外围芯片的时钟输入。P0：P0口(P0.0P0.7)是一个8位漏极开路双向输入输出端口，当访问外部数据时，它是地址总线（低8位）和数据总线复用。外部不扩展而单片应用时，则作一般双向I/O口用。P0口每一个引脚可以推动8个LSTTL负载。P2：P2口(P2.0P2.7)是具有内部提升电路的双向I/0端口(准双向并行I/O口)，当访问外部程序存储器时，它是高8位地址。外部不扩展而单片应用时，则作一般双向I/O口用。每一个引脚可以推动4个L

12、STL负载。P1：P1口(P1.0P1.7)口是具有内部提升电路的双向I/0端口(准双向并行I/O口)，其输出可以推动4个LSTTL负载。仅供用户作为输入输出用的端口。P3：P3口(P3.0P3.7)口是具有内部提升电路的双向I/0端口(准双向并行I/O口)，它还提供特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部随机存储器内容的读取或写入控制等功能。其特殊功能引脚分配如下：P3.0 RXD 串行通信输入P3.1 TXD 串行通信输出P3.2 外部中断0输入,低电平有效P3.3 外部中断1输入,低电平有效P3.4 T0 计数器0 外部事件计数输入端P3.5 T1 计数器1 外部事件计数

13、输入端P3.6 外部随机存储器的写选通，低电平有效P3.7 外部随机存储器的读选通，低电平有效在设计中用到了多片串行通信的芯片，但选用的单片机AT89C51只有一个串行口，这给连接带来了极大的麻烦。在设计中，用单片机未用到的普通I/O口辅之控制软件来模拟串行口工作，从而解决了串行口不够用的难题。2.3 数据存储器扩展89C51单片机片内有128B的RAM存储器，在实际应用中仅靠这128B的数据存储器是远远不够的。这种情况下可利用89C51单片机所具有的拓展功能，拓展数据存储器。本文利用6264与单片机进行拓展。6264是8K*8位的静态随机存储器，采用CMOS工艺制造，单一+5电源供电，额定功

14、耗200mW,典型存取时间200ns，为28线双列直插式封装。如图：图2.3 89C51与6264的拓展2.4 时钟电路设计片内电路与片外器件就构成一个时钟产生电路，CPU的所有操作均在时钟脉冲同步下进行。片内振荡器的振荡频率非常接近晶振频率，一般多在1.2MHz24MHz之间选取。C1、C2是反馈电容，其值在20pF100pF之间选取，典型值为30pF。本电路选用的电容为30pF，晶振频率为12MHz。振荡周期； 机器周期； 指令周期C130pFC230pF晶振XTAL1XTAL2.图2.4 晶振电路图2.5 复位电路设计在时钟电路工作后，只要在单片机的RESET引脚上出现24个时钟振荡脉冲

15、（两个机器周期）以上的高电平，单片机就可以实现复位。为了保证系统可靠复位，在设计复位电路时，一般使RESET引脚保持10ms以上的高电平，单片机就可以可靠的复位。本文采用按键复位方式。该方式可以通过按键实现复位。按下键后，通过R1和R2形成回路，使RESET端产生高电平。按键的时间决定了复位的时间。VCC22uCAP10kRES2D14148S1RESET200RES2RST图2.5 按键复位电路图2.6 CPU最小系统图图2.6为完整的CPU最小系统图图2.6 CPU最小系统图第3章 瓦斯监测仪输入输出接口电路设计3.1 瓦斯监测仪传感器的选择3.1.1 敏感元件的组成及作用敏感元件是准确检

16、测甲烷气体含量的核心元件之一，它由工作元件和补偿元件组成，将这两个元件分别接在惠斯登电桥上，在元件的电源端加入高电平时元件开始工作，当环境中无甲烷气体时，调整电桥使之输出为零，当有甲烷气体时，甲烷气体以扩散方式进入仪器原测量气室，内部接于桥臂的热催化元件或热导元件发生氧化还原反应，引起元件温度升高，阻值增大，使原来平衡的电桥失去平衡，输出与甲烷浓度相对应的电压信号，测量该电压信号即可知甲烷浓度它的基本测试电路图如图3.1所示。图3.1 敏感元件的基本测试电路3.1.2 热催化元件的特性本文采用的是热催化式瓦斯监测仪传感器。热催化式是利用甲烷在催化元件上的氧化生热引起其电阻的变化来测定甲烷浓度。

17、其优点是元件和仪器的生产成本低，输出信号大，对于1%气样，电桥输出可达15mV以上，处理和显示都比较方便，所以仪器的结构简单，受背景气体和温度变化的影响小，容易实现自动检测。其缺点是探测元件的寿命较短，不能测高浓度甲烷，硫化氢及硅蒸汽会引起元件中毒而失效。目前国内外检测甲烷的仪器广泛采用这一原理。在选择敏感元件时，主要从以下几个方面来衡量:(1) 工作点与工作区间。元件工作点是指元件的标准工作电压和电流值。实际使用中，为了便于组成电桥和选定电桥电流，通常是指一对元件(即一只黑元件和一只白元件)的标准工作电压或电流值。在工作点上，元件具有较大的输出，较好的稳定性和最小的零点飘移。目前国内元件的工

18、作点有:直1.2V, 2.2V, 2.4V, 2.8V及320mA等几种。当元件的工作电压或工作电流变动时，在同一甲烷浓度下输出活性大小是不相同的。只有当工作电压或工作电流在某一范围内变动时，输出活性才接近直线。这个电压或电流的变动范围称为元件的工作区间。区间越宽越好。目前元件的工作区间只能达到标准电压的±10%。 (2) 活性。元件活性是指元件对甲烷氧化燃烧的速率。元件活性高，通过电桥测量甲烷时，可以得到较高的电压输出。(3) 稳定性。元件的稳定性是指元件在新鲜空气与一定浓度的甲烷中，在规定的连续工作时间里的活性下降率。下降率其值越低越好，活性下降率越低，表明元件工作性能越稳定。

19、(4)输出特性。元件输出特性，是指在不同的甲烷浓度下，元件的活性与甲烷浓度的关系。在0-5%CH4范围内，电桥输出信号与甲烷浓度呈线性关系。当甲烷浓度在9.5%处时，曲线出现拐点，以后随着甲烷浓度的增大，电桥输出信号不断下降，出现了高浓度和低浓度输出信号相同现象。产生的原因是由于高浓度甲烷气体中缺氧使燃烧不完全所造成的。所以，这种原理的甲烷检测仪只能测量低浓度甲烷。(5) 元件的“中毒现象”。矿井空气中的硫化氢、二氧化硫等气体会使元件产生中毒现象，使活性降低。其原因主要是由于这些毒性气体元件活性下降。此外，井下电气设备用的硅油、硅绝缘材料等挥发物，也会使元件中毒。这主要是由于硅分子量大，一旦吸

20、附在元件表面，就会阻止甲烷进入而影响元件氧化速率，致使活性下降。为防止元件中毒，可以加过滤器，例如用活性炭吸收管，1 cm厚活性炭的吸收管，可使工作在有毒环境中的元件寿命延长数百倍。经过一段时间工作的元件，遇到较高浓度，工作数分钟后，元件的活性将升高，高浓度消失后，元件在几十小时内活性才会逐步下降到原值附近，以后又保持稳定的活性。这种现象称为元件被浓甲烷激活。元件的激活特性是一个缺点，因为被激活的元件在一段时间内会造成输出不稳，这是在使用中应该加以注意和调整的。载体催化元件与纯铂丝元件相比，其抗毒性能较弱，在有毒气体的环境中，宜采用铂丝元件。(6) 元件的寿命。元件的寿命是指元件在使用过程中，

21、其活性下降到某一规定值的时间。(7)反应速度。反应速度是工作元件的一个重要指标。特别是当元件应用到各种运动机械上时，就更为突出。在井下空气中，当甲烷浓度发生变化时，元件的反应速度由两个因素决定，一是元件本身的时间常数:，二是甲烷向元件扩散的速度。元件的时间常数可由下式确定:式中: :元件的时间常数; E:元件的热容量; a:等效热导系数; s:元件的表面积; :常数; T:元件的工作温度; I:工作电流; R:元件电阻; :铂丝电阻温度系数通过对上式的分析，可以合理地选择元件参数，以提高工作元件的反应速度。本设计中选择的敏感元件型号为:FWC-2。参数为:测量介质:甲烷工作电流:直流稳压工作点

22、:2. 8V/175mA测量范围:0-4%CH4稳定性:灵敏度变化±0.1%CH4响应时间:20S3.2 小信号放大电路目前有许多型号的单片测量放大器集成芯片可供选择，因此不再用分立的运算放大器来构成测量放大器。采用单片测量放大器芯片与用分立的运算放大器相比具有性能优异、体积小、结构简单、成本低的优点。在本设计中选择集成芯片INA128仪用放大器。其特点如下： 低偏置电压最大50V，低温度漂移最大0.5V/，低输入偏置电流最大5nA，高共模抵制CMR 最小120DB，输入保护至±40V，宽电源电压范围±2.25 至±18V，低静态电流700A，8 引脚塑

23、料DIP 和SO-8封装。电路图如图3.2所示：图3.2 小信号放大电路3.3 瓦斯监测仪检测接口电路设计3.3.1 A/D转换器选择因为单片机不能直接接收模拟量信号，所以电压测量信号，必须通过A/D转换后方可以输入单片机进行处理。A/D转换器芯片有很多种,在此选择比较熟悉的ADC0809。ADC0809是8路8位逐次逼近行A/D转换CMOS器件，能对多路模拟信号进行分时采集和A/D转换，输出数字信号通过三态缓冲器，可直接与微处理器的数据总线相连接。ADC0809的主要特性如下：分辨率为8位最大不可调误差小于±ULSB可锁存三态输出，能与8位微处理器接口输出与TTL兼容不必进行零点和

24、满度调整单电源供电，供电电压为+5V转换速率取决于芯片的时钟频率，时钟频率范围是：101280KHZ，当时钟频率为500KHZ时，对应的转换时间为125uS图3.3 ADC0809引脚图3.3.2 模拟量检测接口电路图图3.4 ADC0809与单片机连接3.4 瓦斯监测仪输出接口电路设计报警电路由NPN三极管、蜂鸣器、LED和限流电阻组成，如图4-10所示。由单片机两个I/0口控制声报警方式和光报警方式，实际应用时，可以通过软件设置选择其中一种报警方式，也可以两种都选择。8050是一种常用的小功率开关三极管，它的最大负载电流为700mA, VCEO=20V,饱和压降为0.5V。 Q1和Q2分别

25、作为蜂鸣器和发光二极管的驱动器，蜂鸣器的正常工作为3V，声音强度为80dB，发光二极管的额定电流为5lOmA。当单片机I/O口信号为高电平时，三极管导通，蜂鸣器发出报警声音，发光二极管则给出光指示信号，其中，R2, R3和R1均为限流电阻。图3.5报警装置电路图第4章 瓦斯监测仪软件设计4.1 软件实现功能综述该系统软件主要由主程序、A /D转换子程序和报警子程序等模块组成,因为C语言编写的软件易于实现模块化,生成的机器代码质量高、可读性强、移植好。1) 报警的同时启动排风装置。2) 比较监测到的瓦斯浓度值值和报警设置值,发现超限则蜂鸣器报警提示流程图设计4.1.1 主程序流程图设计主程序功能

26、是将A/D转换主程序与数据处理主程序结合在一起检验数据是否大于阈值，若大于则报警，反之则不报警，主程序流程图如图：YN是 否开 始 读 取 瓦 斯 浓 度读 取 成 功约 定 值 进 行 比 较是否超限返 回发 送 报 警 信 号 并 启 动 通 风图4.1 主程序流程图4.1.2 模拟量检测流程图设计A/D转换子程序流程图如下图所示。ADC0809初始化后，把0通道输入的0-5V的模拟信号转换为对应的数字量00H-FFH，然后将对应数值存储到内存单元。程序框图如图：开 始启 动 ADC0809，并 延 时 100µs转 换 完 ？读 出 A/D 转 换 结 果结 果 存 入 内 存

27、 单 元返 回NY图4.2 A/D转换子程序流程图4.1.3 报警装置流程图设计系统设定阈值并保存在以50H开始的3个单元，为了便于比较和显示，阈值的千位放入50H中，百位和十位放入5lH，个位放人52H中。报警电路分为蜂鸣器报警电路和LED发光报警电路组成。当输入端P3.5为低电平时，有电流通过蜂鸣器，蜂鸣器发出声音报警。而当输入端为高电平时不报警。报警子程序执行之前，将报警阈值转换为压缩的BCD码并存放在两个存储单元中。传感器输入值A/D转换后，调用比较程序，经过数据处理后显示的测量值与阈值比较，小于阈值则继续执行显示程序。若大于阈值则将单片机的P3.5口清零进行声光报警。40H、4lH、

28、42H单元存放A/D转换后，并进行十进制转换后的结果。40H和50H分别存放的是处理后的测量值与阈值的千位的压缩BCD码，41H和51H分别存放的是处理后的测量值与阈值的百位、十位压缩的BCD码，42H和52H分别存放的是处理后的测量值与阈值的个位的压缩BCD码。程序首先对40H、50H中的值进行比较大小，如果40H中的值大于50H中的值，则进行报警。依此类推，比较41H和51H，42H和52H。程序框图如图4.3：NN开 始40H中的BCD码>50H中的BCD码？与阈值相等？41H中的BCD码>51H中的BCD码？与阈值相等？40H中的BCD码>50H中的BCD码？返 回报

29、警YYNYNYYN图4.3 报警子程序流程框图4.2 程序清单1.初始化子程序清单Private Sub Form_Load0窗体过程，设置串口属性MSComm1.CommPort=1设置串口1MSComm1.Settings="9600,n,8,1" ' 以字符串形式设置或返回波特率等参数MSComm1.inputLen=0 '用input可读出整个接收缓冲区中的内容MSComm1.RThreshold=1 '每当接收到一个数据时就引发OnComm事件MSComm1.inBufferCount=0 '清空接收缓冲区MSComm1.OutBu

30、fferCount=0 '清空发送缓冲区MSComm1.inBufferSize=1024 '设置接收缓冲区大小为1024个字符MSComm1.OutBufferSize=1024 '设置发送缓冲区大小为1024个字符MSComm1.RThreshold=1 '当缓冲区每接收到1个字符就引发一次ONComm事件MSComm1.SThreshold=0 '任何一次发送操作都触发ONComm事件MSComm1.RTSEnable=False '允许PC机发送命令MSCornm1.inputMode=comInputModeBinary '接收

31、二进制数据If MSComm1.PortOpen=False Then MSComm1.PortOpen=True '打开串口1End ifEnd Sub2.发送命令子程序清单Private Sub Timer1_Timer() '定时器定时发送命令子程序Dim FS(0 To 4) As Byte '定义发送变量If IsEmpty(NumberofXWJ) Then '初始化下位机地址编号NumberofXWJ = -1End IfNumberofXWJ = NumberofXWJ + 1 '从0号下位机开始发采集命令If MSComm1.PortO

32、pen = True Then '打开串口MSComm1.PortOpen = FalseEnd IfMSComm1.Settings = "9600,d,8,1" '发送地址FS(0) = NumberofXWJ '取地址编号MSComm1.OutBufferCount = 0 '情输出缓冲区MSComm1.Output = FS(0) '发送地址帧MSComm1.Settings = "9600,S,8,1" '发送数据MSComm1.Output = FS(1) '7发送标识符MSComm1.

33、Output = FS(2) '发送命令MSComm1.Output = FS(3) '发送命令参数MSComm1.Output = FS(4) '发送结束符MSComm1.RTSEable = True '串口接收使能End Sub3.接收数据子程序清单Private Sub MSComm1_OnComm() '串口接收中断子程序Dim i As Integer '定义字节变量Dim JS As Variant '定义接收变量Select Case MSComm1.CommEvent '返回通讯事件代码Case comEvReceive &#