基于单片机的甲烷浓度监测报警仪论文 完整版概要文档格式.docx
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1815年英国人在煤矿井下开始使用安全火焰灯检测瓦斯。
1897年瑞典制成第一台容积压力式瓦斯浓度测量仪。
随着矿井开采深度的增大,机械化和综合机械采煤的普遍推广,通风安全方面问题日益突出。
与此同时,随着仪表工业及电子技术的发展,矿井通风安全仪器也得到了不断的发展。
1927年日本制造成光干涉原理甲烷检定器,以后又陆续出现热导、热催化原理、气敏半导体等各种不同原理的甲烷检定器,其测量精度不断提高,检测方式从“间断”、“就地”检测发展到“连续”、“集中自动”遥测。
特别是随着电子计算机技术的应用,一套监测系统,除能检测高低浓度甲烷外,还可测一氧化碳、氧、氢的浓度,气温,风速等等。
同时还能对井下设备的工作状态进行监控。
如英国DYNSLINK-MINOS系统的监测容量为986个模拟量,896个开关量,传输距离为131n。
在地面中心站一般都配有用来进行数据采集和处理的计算机、打印机、显示器、控制台和模拟盘等。
譬如当井下某测点的甲烷浓度超限时,能发出声、光报警信号,切断该测点附近的电源。
作为间断方式检测的携带式仪器,也随着测试技术的飞速发展及多功能集成电路的出现,检测元件的性能不断提高而实现了单机分级报警,数码显示,自动校正,电源监视和故障指示等功能。
而且操作简单,维修量小,体积小。
例如美国MSA公司生产的携带式甲烷检测仪重量只有0.28吨,外形尺寸为146*65*38}
解放前我国煤炭工业技术十分落后,矿井通风安全仪器更是属于空白。
解放后,党和政府对安全工作极为重视,煤矿安全状况及劳动条件得到了很大的改善,通风安全仪器从无到有地发展起来在仪器的研究、生产制造方面,多年来投入了很大的力量,形成了以抚顺、重庆、西安、常州、上海等地为中心的安全仪器生产基地,除生产大量的通风安全仪器和救护设备外,从1980年起,先后从波兰、英国、美国和西德等地引进了多种形式的煤矿安全监测系统和生产监控系统,在引进消化的基础上,我国也研制了一批安全监测系统,如常州煤研所的KJl型,北京长城科学仪器厂的KJ4型,重庆煤矿安全仪器厂的TF-200型和AWJ-80型,西安仪表厂的MJC-100型,抚顺煤矿安全仪器厂的AU1型,总参6904厂的WDJ-1型和镇江煤矿专用设备厂的A-1型等安全监控系统来装备矿井。
其中KJ4型的系统容量为1536个,传输距离为13}n。
所有这些成就,表明我国的安全监测仪器的研制和装备进入了新的水平。
但是目前安全监测传感器的种类和质量与国际水平的差距还较大,这是需要解决的问题。
3.仪器的基本性能
一、测量仪器的概念
煤矿安全仪器是用来检查测量矿井安全状况的物质手段。
什么是测量呢?
测量是人们对自然界的客观事物取得数量观念的一种认识过程。
在这一过程中,借助于专门的技术工具,通过实验方法,求出以所采用的测量单位表示的未知量的数值大小。
测量的目的是为了在限定的时间内尽可能正确地收集被测对象未知信息,以便掌握被测对象的参数及控
制生产过程。
例如,在采煤机上安装采灯机瓦斯断电控制仪。
它不仅可以连续监测采煤机附近风流的甲烷浓度,而且在甲烷浓度超限时还可发出声、光报警信号,并自动切断采煤机的工作电源以防发生瓦斯事故,确保生产安全。
二、测量仪器的基本性能
评价测量仪器品质的指标是多方面的。
仪器的基本性能,主要是衡量仪器测量能力的一些指标,如精确度、稳定性、测量范围、动态范围等。
但工作可靠性、经济性也很重要,这些因素在很大程度上影响仪器的使用。
(一精确度
与这个性能有关的指标有:
1.精密度精密度是指在测量中所测数值重复一致的程度。
即对某一稳定的被测量在相同的规定工作条件下,由同一测量者用同一仪器在相当短的时间内按同一方法连续重复测量多次,其测量示值的不一致程度。
不一致程度愈小,说明测量愈精密。
例如某温度仪表精密度为0.5K,意即用该仪表测量温度时其不一致程度不会大于0.5K。
但精密不一定准确。
2.准确度准确度是指仪器的示值有规律地偏离真值大小的程度。
3.精确度(简称精度精度是测量的精密与准确程度的综合反映。
精密度高是精度高的必要条件,但并非充分条件。
要使仪器的精度高,还必须使其准确度高才行。
在工程测试中,为了简单表示仪器测量结果的可靠程度,引入一个仪器精度等级的概念,用A表示。
A以一系列标准百分比数值进行分档。
这个数值通常是仪器在规定条件下,其最大绝对允许误差值相对于仪器测量范围的百分数,即:
式中:
—仪器在全刻度范围内的最大绝对允许误差;
—测量范围的上、下限值:
—仪器的精度等级。
科学研究用的仪器的精度等级值约为10-,一10-io;
工业检测用的仪器的精度等级值约为。
(二稳定性
稳定性是指仪器的性能在工作条件保持恒定的情况下,在规定的时间内保持不变的能力。
它用精密度的数值和观测时间长短一起来表示。
例如,某仪表24小时内示值变化幅度达1.3mV,则该仪表的稳定度为1.3mV/d0
(三影响系数
仪器由于室温、大气压、振动等外部状态变化及电源电压、工作条件变化对示值的影响统称为环境影响,为仪器在校准时都规定有一个标准工作条件,用影响系数表示。
频率等这是因但在实际使用该仪器时又很难达到这个要求。
影响系数
是用示值变化值与影响量变化值之比来表示。
例如某压力表的温度影响系数为2Pa/℃即温度每变化10C,就会引起压力表示值变化2Pa。
(四仪器输入输出特性
说明仪器输入输出对应关系的主要性能有;
1.灵敏度灵敏度是指仪器在稳态下输出变化对输入变化的比值,用S表示,即S=dy/dx。
它是仪器在稳态下输入输出关系的静特性曲线上各点的斜率。
在线性特性的仪器中灵敏度S是常数。
在非线性特性的仪器中灵敏S在整个量程内不是常数。
对特定的测量装置来说,其灵敏度的定义方法往往是不同的。
例如,在接收机中,灵敏度定义为产生具有指定信噪比的输出信号所需的最小输入信号;
而在频率计中,它与频率计的输出示值之间没有直接的关系。
2.分辩率如果输入量从某个任意非零值慢慢地变化,我们将会发现,在输入变化值没有超过某一数值之前,仪器示值是不会变化的,这个使示值变化的最小输入变化值叫做仪器的分辩率,也应该对示值的变化从量上规定一个数值。
一般模拟式仪表的分辩率规定为最小刻度分格值的一半,数字式仪表的分辩率是最后一位数的数值。
3.线性度线性度用来说明输出量与输入量的实际关系曲线偏离直线的程度。
无论是模拟式的仪表,还是数字式的仪表,都希望它们的特性是线性关系。
这样模拟式仪表的刻度就可以做成均匀的刻度,而数字式仪表就可以不必采用线性化环节。
基于单片机的甲烷浓度监测报警仪论文
4.滞环滞环是指仪器正向特性和反向特性不一致的程度。
这种现象是由于仪器元件吸收能量所引起的。
例如机械仪表中有内摩擦,电磁仪表中有磁滞损耗。
(五量程
量程B是指测量上限值与下限值之差,即仪表刻度盘上的上限值
减去下限值,其表达式为
。
通常仪表的,这时。
但在整个测量范围内仪表提供被测量信息的可靠程度并不相同,
一般在仪表的上、下限值附近的测量误差较大,故不宜在该区使用。
这样,更确切的量程概念应定为:
在工作量程内的相对误差应该不超过某个设定值。
量程用绝对值B来表示时,各类不同仪表之间便无法比较,所以常用量程比D作为量程的指标,即
(六可靠
性
可靠性是指仪器对规定的条件在规定时间内完成所要求功能的能力。
仪器的可靠性可用平均无故障工作时间MTBF来表征。
它是仪器连续运行时发生一次故障的时间间隔的平均值。
假设某仪器在90000小时的运行中发生了12次故障,则该仪器的MTBF为7500小时。
(七经济性
任何工业产品都要讲究经济性。
对生产者来讲,以重金制造高质量的产品是比较容易的。
但是,如果生产出的仪器价格太高,使用者无力购买,出就谈不上发挥作用。
对使用者来讲总是希望有最少的钱买到一台具有指定性能的仪器。
所以,工程检测仪器的经济性也是其重要的指标之一。
在实际工作中,对给定的测量任务只需达到规定的精度就行了,决不是精度愈高愈好,盲目地提高测量精度的做法,往往会带来相反的效果,浪费人力和财力,降低测量的可靠性。
在工程检测中,应该根据测量的目的,全面考虑测量的可靠性、精度、经济性经及操作的简便性,而在科研工作中往往把测量精度放在首位。
甲烷浓度监测报警仪的发展已经历了三个阶段:
模拟仪器、数字式仪器以及目前的智能仪器。
基于单片机的甲烷浓度监测报警仪即为一种智能仪器,因为就仪器本身来讲,无论数据的采集还是处理都是由单片机来控制的。
利用单片机的算术逻辑处理能力和用软件取代过去电子线路的硬件功能,而软件的灵活性又使得仪器可用各种算法和处理方法进行信息的采集、处理、存储和报警,不再需要专用的电子线路,从而使仪器的控制结构得以很大的简化。
4单片机系统性能特点
单片微型计算机简称单片,它是把组成微型计算机的各部件:
中央处理器、存储器、输入输出接口电路、定时器/计算器等,制作在一块集成电路芯片中,构成一个完整的微型计算机。
1971年,Intel公司首次推出4004的4位单片微处理器。
1974年12月仙童(Fairchild公司推出8位单片机F8(需另加一块3851芯片,其后Mostek公司和仙童公司一起推出了F8兼容的3870单片机系列。
Intel公司1976年推出MCS-48系列单片机。
GI(GentraInstrumentCrop公司在1977年10月宣布了PIC1650单片机系列。
1978年,Rockwell公司也推出了R6500/1系列(与6502兼容。
有些单片机有8位CPU,若干个并行I/O,8位定时器/计算器,容量有限的PAM和ROM,以及简单中断处理功能。
Motorola公司和Zilog公司的单片机问世较迟,但是产品性能较高,单片机内有串行I/O,多级中断处理能力,内片的RAM和ROM容量较大;
有些还带有A/D转换接口。
Motorola公司在1978年下半年宣布了与6800微处理机兼容的6801单片机。
Zilog公司在同年10月也推出了Z80单片机系列。
Intel公司在原MCS-48基础上,于1980年推出了高性能的MCS-51系列(包括8031/8051/8751。
1982年,Mostek公司和Intel公司先后推出了16位单片机MK68200(与68000微处理器兼容和MCS-96(8096、8098系列。
1987年Intel公司推出了性能是80962.5倍的新型单片机80296。
由于单片机超小型化,结构紧凑,可能性高,价格低廉,在国民经济中得到广泛应用。
①工业方面:
电机控制、工业机器人、过程控制、数字控制。
②
③
④仪器仪表方面:
智能仪器、医疗器械、色谱仪、示波器。
⑤
⑥
⑦民用方面:
电子玩具、高级电视游戏机、录象机、激光盘驱动。
⑧
⑨
⑩电讯方面:
调制解调器、智能线路运行控制。
⑪
⑫
⑬导航与控制方面:
导弹控制、鱼雷执导控制、只能武器装置、航天导航系统。
⑭
⑮
⑯数据处理方面:
图形终端、彩色黑白复印机、温氏硬盘驱动器、磁带机、打印机。
⑰
⑱
⑲汽车方面:
点火控制、变速器控制、防滑刹车、排器控制。
⑳
21
单片机的发展趋势是:
增加存储器的容量,片内EPROM开始EEPROM化,存储器编程保密化,片内I/O多功能化及低功耗CMOS化。
目前单片机的现状为:
⑪4位单机片机
4位单片机的主要产品有:
NEC公司的μPD75xx;
TI公司的TMS1000系列;
松下公司的MN1400系列;
NS公司COP400;
Rockwell公司的PPS/1系列;
SAMSUNG公司的KS56和KS57系列;
富士同公司的MB88系列。
其中,μPD75xx与COP400在4位机中占有重要地位,年产量已达到数千万片。
4位单片机的特点是价格便宜,如COP400的价格仅为8位单片机8048和6805价格的一半,但是功能并不弱,只是4位CPU,片内的CPU片内的ROM有2K,PAM为128³
4位。
NEC公司的μPD75xx片内的ROM可达8K字节,RAM为512³
4位,I/O引脚位58根,甚至还有6位A/D。
近年俩,4位单片机的产量仍在增长,但所占比例逐年下降,单片机的主角让给了8位单片机。
4位机与8位机进行竞争,只有进一步降低价格,并增强I/O的功能(特别是专用I/O功能。
4位机主要用于家用电器和电子玩具等方面。
⑫8位单片机
8位单片机的产量占整个单片机的60﹪以上,并逐年增长。
1985年的产量位1.7亿片1986年的产量位2.1亿片,1992年达7亿片。
8位单片机的旧的机种正在被淘汰,新的机型不断涌现。
自1985年以来,各种高性能、大容量、多功能的新型8位单片机不断推出。
如Inte公司的8x552、μPI-452(8051的增强型、Motorola公司的MC68HC11(6801增强型、Zilog公司的Super8等,它们将代表单片机发展的方向,将在单片机领域中起越来越大的作用。
第二章监控仪工作原理
2.1甲烷浓度检测仪原理分析
甲烷浓度检测仪器按其工作原理不同,有下列几种:
1.光干涉式
光干涉式是利用光波对空气和甲烷折射率不同所产生的光程差,引起干涉条纹移动来实现对不同甲烷浓度的测定。
其优点是准确度高,坚固耐用,校正容易,高低浓度均可测量,还可测量二氧化碳浓度;
其缺点是浓度指示不直观,受气压温度影响严重,特别是空气中氧气不足氮、氧的比例不正常时,要产生误差;
光学零件加工复杂,成本较高和实现自动检测较困难。
2.热催化式
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。
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,硫化氢及硅蒸气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。
3.热导式
热导式是利用甲烷与空气热导率之差来实现甲烷浓度的测定。
其优点是热导元件和仪器设计制作比较简单,成本低、量程大,可连续检测,有利于实现自动遥测,被测气体不发生物理化学变化,读数稳定,元件寿命长。
其缺点是测量低浓度甲烷时输出信号小,受气及背景气体的影响较大。
4.红外线式
红外线式是利用甲烷分子能吸收特定波长的红外线来测定甲烷浓度。
其优点是采用这一原理的仪器精度高,选择性好,不受其它气体影响,测量范围宽,可连续检测;
其缺点是由于有光电转换精密结构,使制造和保养产生困难,而且体积大,成本高,耗电多,因此推广使用受到一定限制。
5.气敏半导体式
气敏半导体的种类较多,如氧化锡、氧化锌等烧结型金属氧化物。
这一原理是利用气敏半导体被加热到200℃时,其表面能够吸附甲烷而改变其电阻值来检测甲烷浓度。
其优点是对微量甲烷比较敏感,结构简单、成本低。
但当浓度大于1%CH4时,其反应迟钝,选择性和线性均较差,所以很少用于煤矿井下甲烷浓度的检测,而多用于可燃气体的检漏报警。
6.声速差式
在温度为220C、气压为101325Pa条件下,声波在甲烷中的传播速度为432m/s,而在清洁空气中为332m/s。
比较这两种速度就可测定高浓度甲烷。
其优点是读数不受气压影响;
其缺点是不适合测量低浓度甲烷,一般只用来检测矿井抽放甲烷管道中的甲烷浓度,对背景气体、粉尘及气温变化很敏感。
7.离子化式气体在放射性元素的辐射作用下发生电离,在气体介质中的两个电
极度之间便有电流产生。
测量空气介质和被测甲烷中的电流大小,便可
测出甲烷浓度。
其优点是快速,可以连续自动检测,灵敏度高,测量准确,可测二氧化碳浓度。
其缺点是测量低浓度甲烷困难,空气湿度对仪器读数有影响,传感器结构复杂。
根据设计要求,本项目采用热催化式工作原理。
2.2热催化元件的结构及工作原理
1.热催化元件的结构
载体催化燃烧式传感器一般被制成一个便于测量的探头,探头可以单独设置,也可以作为一个独立单元装配在仪器内使用。
探头内部的主要元件是黑元件(催化元件和白元件(补偿元件,两个元件分别配置在电桥电路中,作为一组桥臂,另一组桥臂是两个固定电阻,作为电桥的比率臂。
与黑白元件相对应,为使电桥在无甲烷状态下处于平衡状态,桥路内装有调零电位器w。
此外,传感器电源应是经过稳压的稳压源。
2.敏感元件工作原理
黑元件载体催化燃烧式元件,当甲烷气体在元件表面与氧气产生无焰燃烧时,电桥失去平衡,输出一个电压信号。
白元件是补偿元件,基本结构和技术参
数与黑元件相同,但表面不涂镀催化剂,所以,它不参加低温燃烧。
但由于它处于与黑元件相同的工作环境中,所以,对非甲院浓度变化引起的催化元件阻值变化起补偿作用,以提高仪器零点稳定性和抗干扰能力。
使用时一般将黑白元件串联,作为电桥的一臂,用普通电阻构成电桥的另一臂,电桥的两端加上稳定的工作电压U。
当含有甲烷的空气在高温和催化剂的作用下,发生无焰燃烧,而在白元件上则不致使甲烷燃烧,从而使黑元件的温度比白元件的温度高,黑元件中的铂丝既是加热元件,又是感应温度的热敏元件,根据铂丝的正温度系数的特性,温度升高时电阻增大,黑元件上的电压降即增大,电桥失去平衡,输出一个电压信号△U,该电压值的大小反映了甲烷浓度的高低,检测此电压便可测量出甲烷浓度。
3整机工作原理
热催化原理又称催化燃烧原理。
利用该原理的甲烷测定器是当前国内测量低浓度甲烷的检测仪器中采用最广泛的一种,而且还在不断的高和发展。
其基本原理是根据甲烷在一定的温度条件下氧化燃烧,且在一定的浓度范围内,不同浓度的甲烷在燃烧过程中要释放出热量不同的特性,来达到测定甲烷浓度的目的。
甲烷浓度报警监控仪的工作原理是CPU通过Vo口输出低电平经反相器加在催化元件电源端,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,分别送到A/D转换、报警电路,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,报警电路即发出声音报警信号。
遥控发射装置再将报警信号传输给远方的接收装置,最远传输距离可达到10km。
第三章基于单片机甲烷浓度监测报警仪系统分析与设计的硬件
在硬件的设计前期,根据框图对电路中可能出现的电路进行了分析,并根据指导老师提出的要求对硬件设计进行了合理化的修改完善。
在第二章中已分析了系统并绘制了框图,下面将根据框图分别设计各部分电路。
3.1输入电路的设计
甲烷浓度信号的采集电路,放大电路输入口连接甲烷浓度传感器的两个引脚。
此传感器采用的是气敏元件是一种具有良好温度特性的电压输入/电流输出型气敏元件。
可以在-55℃~150℃温度范围内正常工作。
3.1.1气敏元件MQ-K7简单介绍
- 配套讲稿:
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