煤矿瓦斯监控系统设计

毕业论文题目：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：刘晓芳目录摘要............................................................IIAbstract..........................................................II第一章绪论.......................................................21.1煤矿气体监测系统概述........................................21.2煤矿气体监测系统的国内外发展状况............................31.3本课题的研究意义............................................41.4本课题的主要工作内容........................................4河南城建学院本科毕业设计（论文）目录第二章煤矿气体监测系统设计的特殊要求及设计原理....................52.1系统设计要求................................................52.1.1技术指标要求...........................................62.1.2隔爆仪表设计要求.......................................62.1.3系统的功能.............................................72.2设计原理....................................................72.2.1气体传感器的选择.......................................72.2.2单片机型号的选择......................................112.2.3AT89552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...................123.1系统原理框图...............................................123.2系统硬件设计...............................................133.2.1系统电源..............................................133.2.2气体传感器加热及其信号采样............................153.2.3传感器信号监测回路及A/D转换参考电源..................163.2.4模数转换芯片AD7810的原理及应用.......................173.2.5MAX7219显示电路......................................203.2.6I2C总线接口电路......................................243.2.7RS—485串口通讯......................................273.2.8看门狗硬件电路........................................313.3系统软件设计...............................................323.3.1主程序................................................333.3.2案件中断程序..........................................353.3.3定时器A中断程序......................................363.3.4串行中断程序..........................................373.3.5软件的低功耗设计......................................37第四章总结与展望.................................................404.1研究工作总结...............................................404.2研究工作展望...............................................40参考文献..........................................................42致谢..............................................................43附录..............................................................44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，以河南城建学院本科毕业设计（论文）摘要-II-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:传感器;煤矿;数据采集;串口通讯河南城建学院本科毕业设计（论文）Abstract-II-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。河南城建学院本科毕业设计（论文）绪论-2-1.1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，一路通过河南城建学院本科毕业设计（论文）绪论-3-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