毕业论文：基于单片机的智能煤矿瓦斯监控系统的设计

基于单片机的智能煤矿瓦斯监控系统的设计王春梅（临沂师范学院信息学院山东临沂27605）摘要：为解决我国中小型煤矿存在的安全隐患问题，及时准确的检测瓦斯含量，提出了基于单片机的智能煤矿瓦斯监控系统；设计了智能瓦斯传感器系统，并采用微型计算机处理技术，提出了一种独特的、简便易行的软硬件设计方法；该系统减少了硬件电路的复杂程度以及不必要的人工操作，提高了系统工作的可靠性，降低了煤矿瓦斯监控系统成本，可适应中小型煤矿的要求；经过临沂矿务局在枣庄一施工基地实验及不断调试证明，该系统具有可靠性高、功能强以及经济适用等特点。关键词：瓦斯爆炸；传感器；智能；单片机；DesignoftheIntelligentMonitoringSystemforCoalGasBaseonChipMicrocomputerWangchunmei（Dept,ofInformation，LinyiNormalUniversityLinyi276005,China）Abstract：AccordingtoquestionexistinginChina’ssmallandmedium-sizecoalmine,anintelligentmonitoringdesignbasedonSingleChipMicrocomputerisproposed.Theintelligentgassensorsystemisdesigned,andusedmicro-computerprosessingtechnology,anuniquedesigningmethodofhardwareandsoftwareispersented.Thesystemreducedunnecessarymanualoperationsandthecomplexityofthehardwarecircuitry.Thisdesignimprovedthereliabilityofthesystem,reducedthecostofcoalmine,canmeetthelow-cost,low-inputsmallcoaldemand.Thesuccessivedebugexperimentsprovedthatthissystemischaracterizedbyhighreliability,capablecontrolfunction.Ithasabrightprospectfordevelopmentandapplication.Keywords:gasexplosion;sensor;intelligent;single-chipcomputer0引言在我国煤矿安全事故中，瓦斯爆炸造成的伤亡人数占所有重大事故伤亡人数的70%以上，成为实现安全生产的最大障碍，及时准确的检测瓦斯含量，在安全生产中具有重大的意义。为了适应现代化社会煤矿安全的要求，针对我国中小型煤矿特别是小型煤矿存在的隐患问题，现代化的、小型的、价格低廉的煤矿安全监测系统的研制势在必行，它的研制在煤矿安全方面具有举足轻重的作用，所以设计一种低成本煤矿瓦斯监测系统是适应我国许多中小型煤矿的需求的。1总体方案的选定对于本课题所要选用的传感器系统而言，其基本出发点就是利用现有工艺条件，采用微型计算机处理技术，提高传感器精度等级和工作稳定性，拓展其功能，并赋予其智能化特征，使传感器不仅能够及时准确的检测瓦斯含量，同时尽可减少不必要的人工操作，提高工作效率。因此，整个传感器系统总体设计方案的确定要围绕优化系统设计这个原则，尽量的减少硬件电路的复杂程度，发挥计算机处理功能强大的优势，提高系统工作的可靠性。有鉴于此，同时根据系统要求确定该系统总体设计方案。如图1所示。SKIPIF1<0按照上述功能，系统采用上、下位主从结构设计。由载体催化元件组成的检测电路输出的电压信号，经放大和A/D变化转化为对应的数字量，并行输入至微控制器，微控制器根据存在存储在ROM中的数据进行智能化信号处理，获得较高精度的测量结果，送数码管显示，如果瓦斯超限，发出声光报警提示。系统设有看门狗电路，当电源干扰等原因造成系统故障时，看门狗电路启动，系统能自动恢复运行，可提高系统避错、容错能力，增加系统的可靠性。2瓦斯监测系统的硬件设计2.1CPU模块设计-AT89S8252单片机的结构及原理简介AT89S8252是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S8252为众多嵌入式控制应用系统提供高度灵活、超有效的解决方案。AT89S8252具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计算器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S8252可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计算器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。SKIPIF1<0传感元件位于传感器系统之首，被测瓦斯含量由它转换为电信号才能供给电路处理，因此它的性能对传感器系统有很大的影响。在选用传感元件时，一是测量精度高；二是工作可靠；三是工作条件能适应恶劣环境的要求，最重要的是应具有防爆功能。通过慎重调研对比，最后选用了中国船舶重工业集团公司生产的LXK-2新型载体催化元件，其优于传统的催化元件，在响应特性、长期存储特性、温度特性和长期稳定性方面，都有了明显的改进。载体催化元件由一个带催化剂敏感元件的（俗称黑元件）和一个不带催化剂的补偿元件（俗称白元件）构成，两个元件的结构和尺寸均相同，催化元件最里层是铂丝线圈，外面是载体和催化剂形成的催化外壳。铂丝线圈用于电加热催化外壳维持瓦斯催化燃烧反应所需的温度同时又兼作感温元件。检测在催化反应中催化外壳温度的变化。催化反应方程式为：SKIPIF1<0SKIPIF1<0催化反应过程中无焰燃烧放出热量，增加了敏感元件铂丝的电阻值，通过图3所示惠斯通电桥测量的电路可以测量其载体催化元件电阻变化量，图中SKIPIF1<0是敏感元件，为补偿元件，将SKIPIF1<0和SKIPIF1<0至于同一测量气室中，由稳压源或恒流源供电，在无瓦斯的新鲜空气中SKIPIF1<0=SKIPIF1<0调整电桥使之平衡，信号输出端电压SKIPIF1<0当瓦斯进入气室，在敏感元件SKIPIF1<0表面发生无焰催化燃烧SKIPIF1<0阻值随温度上升而增加为SKIPIF1<0+△SKIPIF1<0，而补偿元件阻值不变从而电桥失去平衡。当采用恒压源SKIPIF1<0供电时，输出不平衡电压为：SKIPIF1<0设SKIPIF1<0则：1SKIPIF1<0显然电桥输出电压取决于敏感元件的阻值变化量△SKIPIF1<0对于铂丝元件其电阻变化量可用下式表示SKIPIF1<0式中,SKIPIF1<0铂丝的电阻温度系数SKIPIF1<0×10-3/SKIPIF1<0SKIPIF1<0为瓦斯燃烧热量SKIPIF1<0为敏感元件热容量；SKIPIF1<0为瓦斯扩散系数SKIPIF1<0为瓦斯分子燃烧热SKIPIF1<0为铂丝0℃时的阻值其中SKIPIF1<0、SKIPIF1<0、SKIPIF1<0与敏感元件的材料、性质、结构、尺寸有关，扩散系数SKIPIF1<0和瓦斯分子燃烧热SKIPIF1<0都是常数，可用一个常数SKIPIF1<0代表这些因素，因而上式可写为：SKIPIF1<0则SKIPIF1<0即电桥输出电压与瓦斯浓度呈正比。系统通过实时监测从检测电路采集来的瓦斯浓度信息并在显示电路中显示相应的信息，当瓦斯浓度过大时就会发出警报。瓦斯信息的采集又通过由A/D转换电路来传给单片机，实现实时的监控功能。通过单片机控制各部分实现其相应的功能，系统的总电路图如图4所示。3系统软件设计软件设计是智能化测量控制仪设计的主要内容和重点。该系统可以上下位机同时实施监测，上位PC机用VB可视化界面实施监测，下位单片机用LED液晶显示器监测，这样可以更有效地预防瓦斯爆炸事故的发生，减少人员伤亡和财产的损失。为了使设计出来的软件功能明确阅读调试方便，健壮性、可靠性好，我们一般采用机构化的程序设计方法。结构化的程序设计包括三个方面的工作：自顶向下的设计、模块化的编程和结构化编程，除此之外，有时还需要加强软件抗干扰设计，以提高程序的可靠性。下位机的软件框架整个下位机系统的软件框架构建如图5所示主程序的功能是：开机以后，首先进行初始化，包括智能芯片有关变量的初始化，单片机相关的寄存器以及I/O口初始化等。同时负责管理和调用各个子程序。为保证下位机响应上位机呼叫的实时性，串行通信采用中断方式进行数据的接收与发送，A/D转换结果的读取采取查询方式。设计主程序流程图如图6所示。4结论本文在大量研究目前煤矿监测系统的基础上，提出了适合中小型煤矿瓦斯监测系统的设计方案，在此基础上，设计并实现了该系统。在设计完成之后，进行了系统中主要功能的试验验证，证明智能数据采集终端可以正确采集开关量和模拟量，可以在模拟量超限时报警和断电；作为上位机的PC机可以实现数据显示、曲线绘制和报警的功能。实验证明，该系统在监控准确性及可实用性方面都有较大的优势。参考文献[1]钱春丽，张兴敢。用于