基于单片机的井下瓦斯监控系统设计word格式.doc

目 录第1章 绪论 11.1 煤矿气体监测系统概述 11.2 煤矿气体监测系统的国内外发展状况 11.3 本课题的研究意义 21.4 本课题的主要工作内容 3第2章 煤矿瓦斯监测系统设计的特殊要求及设计原理 42.1 系统设计要求 42.1.1 技术指标要求 42.1.2 隔爆仪表设计要求 42.1.3 系统的功能 52.2 设计原理 52.2.1 气体传感器的选择 52.2.2 单片机型号的选择 6第3章 煤矿瓦斯监测系统的硬件设计 93.1 系统原理框图 93.2系统硬件设计 93.2.1系统电源 103.2.2 气体传感器 113.2.3 A/D转换器芯片ADC0809的原理及应用 133.2.4 HD7279A显示电路 153.2.5 看门狗硬件电路 173.2.6 PTR2000无线通信传感系统 183.2.7 按键电路设计 22第4章 煤矿瓦斯监测系统的软件设计 244.1下位机软件设计 244.1.1 A/D转换程序流程图 254.1.2 键盘转换程序 264.2 上位机软件设计 274.2.1 设计概述 274.2.2 RS-232多地址通讯设计 284.2.3 上位PC机通讯程序设计 304.2.4 PC机通讯程序清单 314.2.5 VB可视化界面设计 33第四章 总结与展望 354.1研究工作总结 354.2研究工作展望 35致谢 36参考文献 37附录A 电路原理图 3839基于单片机控制的井下瓦斯监控系统设计第1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:将采集数据通过无线传送通讯方式进行数据通信；(5)数据采集分析软件:运用VB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。

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、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。

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 第2章 煤矿瓦斯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:-20℃ -+70℃；(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 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2.2 设计原理本项目采用CH4气体传感器，研制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 气体传感器的选择气体传感器又叫气敏传感器，主要用来监测气体的特定成分。

气体传感器通常以气敏特性来分类，主要可分为:(1)半导式方式:包括氧化系、气敏二极管系、气敏MOSFET系若气体接触到加热的金属，氧化物电阻值就会增大或者减少，其灵敏度高，构造电路简单，但输出与气体浓度不成比例2)固体电解质:其利用铂等金属材料对氢吸附敏感使功函数改变原理制成，器特点是其他选择性好但不能重复使用 (3)接触燃烧式:其原理是化学溶剂与气体反应产生使电导率发生变化其特点是属于气体浓度成比例，但灵敏度较低4)其他类型:包括光干涉式、热传导方式、红外线吸收式要进行—个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，而这需要分析多方面的因素之后才能确定因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题:量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，还是自行研制，价格能否承受在考虑上述问题之后就能大致确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标最后，我们决定采用MQ-4瓦斯气体传感器。

MQ-4气敏元件由微型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6只针状管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流 结构 外形图2.1 MQ-4的结构和外形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。