井下瓦斯浓度监测与报警系统 精品Word文件下载.docx
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Abstract1
1绪论4
1.1课题背景4
1.2瓦斯监测的现状5
1.3瓦斯监测的发展方向5
2系统概述6
2.1系统框图6
2.2工作原理8
3硬件电路设计9
3.1气体传感器的选择及供电电路设计9
3.1.1气体传感器的选择9
3.1.2MC113的结构外形9
3.1.3主要特点及技术参数10
3.1.4传感器供电电路设计11
3.2单片机的选型及基本特性12
3.2.1单片机AT89S5113
3.2.2单片机AT89S51的基本特性13
3.2.3晶体振荡电路15
3.2.4报警解除电路16
3.3数据采集系统电路设计16
3.3.1前置放大电路设计17
3.3.2A/D转换器的选型17
3.3.3A/D转换电路设计19
3.4显示电路21
3.4.1显示器的选择21
3.4.2数据显示部分电路22
3.5声光报警及断电电路设计23
3.5.1声光报警电路设计23
3.5.2断电控制电路设计23
3.6通讯电路24
3.6.1CAN现场总线介绍24
3.6.2CAN总线的硬件实现25
3.6.3CAN总线与上位机的连接26
3.7电源模块硬件设计电路图28
4系统的软件设计29
4.1主程序29
4.2中断子程序30
4.3声光报警子程序31
结束语33
致谢34
参考文献35
附录136
附录237
1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,特别是中、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为重要,对易燃易爆混合气体监测的研究和开发也成为人们一直关注的问题。
1.1课题背景
我国是煤炭生产大国,随着煤矿机械化程度的提高,矿井生产能力和生产效率普遍加大,煤炭年产量居世界首位,产煤量占世界总产煤量的20%。
但同时我国也是煤矿安全形势最为严峻的国家之一。
近年来,瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出等灾害,严重威胁着煤矿的安全生产和数百万名煤矿工的生命安全,瓦斯灾害已成为制约我国煤矿安全生产和煤炭工业发展的重要因素,可以说瓦斯爆炸已经成为矿难的第一大祸首。
国有地方和乡镇煤矿中,高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出矿井占15%左右。
在许多发达国家中为了减少事故的发生,一般不会开采高瓦斯灾害隐患严重的矿井。
但中国是一个能源饥渴大国,煤炭是我国的主要能源,占一次性能源构成的75%,所以不论是低瓦斯还是高瓦斯,都在积极创造条件,照采不误。
多年来的实践证明,瓦斯浓度的监测监控器在监测煤矿井下安全状况,防范安全隐患方面起着重要作用,充分发挥其作用,是我国煤矿安全形势实现好转的关键。
近年来,国有重点煤矿瓦斯爆炸事故较少的原因之一,就是绝大多数煤矿的高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井安装了瓦斯浓度监测监控系统。
综上所述,瓦斯浓度监测监控系统所要实现的功能包括根据所选的瓦斯传感器来设定瓦斯浓度预警值,采集瓦斯浓度并进行浓度显示及处理。
当实际浓度超限时进行声光报警并同时控制排风扇进行排风以降低浓度含量。
所以开发设计出一种操作简单的瓦斯监测监控器,对有效的预防和减少瓦斯爆炸具有非常现实的意义。
1.2瓦斯监测的现状
国内对瓦斯的检测以CH4检测为主,毒气的检测以CO检测为主;
而国外用可燃性气体的检测代替单一CH4气体的测量,毒气包括H2S的测量。
单从我国技术发展上来说,我国在瓦斯监测监控系统的应用上起步较晚,上世纪80年代初才从国外引进了这一系统,而且仅用于部分国有重点煤矿,所以就瓦斯监测监控系统而言,目前也存在着不够完善的地方:
第一,我国煤矿的瓦斯灾害防治技术虽已处于世界先进水平,但防灾抗灾的安全仪表和装备的技术水平与国外相比差距较大。
第二,受技术条件限制,许多煤矿的瓦斯监测数据无法传输给集团公司或上级主管部门,仍未建立全集团或整个地区的瓦斯监测监控网络。
第三,已安装的瓦斯监测监控系统型号各异,信号传输方式不尽相同,有的采取时分制,有的采取频分制,还有的利用载波传输,给系统的管理、使用、维护以及联网带来诸多不便。
第四,由于瓦斯监测监控系统对气体传感器的精度、性能、稳定性方面的要求越来越高,因此对气体传感器的研究和开发也越来越重要。
1.3瓦斯监测的发展方向
随着我国电子技术以及各项科学技术的飞速发展,作为保证我国煤矿安全生产的有效措施之一的煤矿瓦斯监测监控技术在科研和应用方面必定会在原有基础上不断的加以完善,并取得长足的发展。
为了满足安全生产的需求,随着先进科学技术的应用,气体传感器发展的趋势应该是微型化、智能化和多功能化。
2系统概述
随着超大规模数字集成电路、单片机技术的飞速发展,利用单片机及其它外围芯片实现对瓦斯的监测成为一种可能,并且成为一种发展趋势。
它具有体积小、操作简单、安装方便、功能较齐全等优点,而且性能价格比也很高,应用前景非常广泛。
因此此次设计整体上是基于单片机来实现煤矿瓦斯浓度监测报警。
在这里我们运用到的气敏传感器是,它是用来检测外部瓦斯的浓度(其检测到的浓度值为模拟量),并将检测到的模拟信号转化为电压信号输出出来。
然后再将电压信号进行A/D转换变换成数字信号,并在单片机的控制下将其输入,然后在内部软件编程下进行数值变换处理。
在单片机进行完数据处理后就将其结果输出显示,从而显示出瓦斯气体的浓度,其中显示部分我采用四位的LED数码管,用于显示瓦斯浓度值。
若实际瓦斯浓度超限则在单片机的控制下进行声光报警,同时利用CAN总线进行实时数据传输,以达到井下独立报警,井上同时知晓的报警效果,提醒生产人员离开,避免生产事故。
2.1系统框图
此次设计的煤矿瓦斯监测报警器的系统框图如下所示:
主要由气体传感器MC113、A/D转换器ADC0809、单片机AT89S51、LED显示电路、声光报警装置和基于CAN总线的通讯电路组成。
图2-1系统框图
图2-2系统组网框图
由图可以看出煤矿瓦斯监测报警器的硬件部分设计是以单片机系统为核心,用于整个设计的数据处理、声光报警电路等正常工作。
在这里我们选用ATMEL公司生产的8位单片机AT89S51,该种单片机与以往所采用的AT89C51相比新增加了很多功能,性能有了较大提升,片内4K的FLASH存储空间也能满足我们设计的要求,价格较之AT89C51基本不变甚至更低。
甲烷传感器采用MC113气敏传感器,用于探测采集瓦斯的浓度。
由于该传感器的输出信号为模拟电压信号,要想将采集到的数据送至单片机系统进行数据处理则需要将模拟信号转换成数字信号,所以在这里我们还要选用A/D转换器进行模数转换处理。
这里的A/D0809转换器是一种双积分的8位A/D转换器,其性能价格比很高,是一种高精度、低噪声、低漂移A/D转换器。
瓦斯浓度显示部分采用四位的LED数码管显示,在这里我们采用动态扫描方法来显示各种参数。
工控pc机的控制参数等变量数据通过总线控制器下载到单片机中,单片机中的数据可通过CAN总线上传到工控机。
总线控制器作为工控机与CAN总线的接口装置,起到了工控机与单片机数据双向传输的网桥作用。
2.2工作原理
在这里我们用甲烷传感器MC113来对煤矿瓦斯浓度进行检测,由于其检测所得数据模拟电压量而单片机只能对数字信号进行处理,所以在送入单片机中进行处理之前需先送入模数转换器ADC0809中进行模数转换,然后才能将转换所得数据送入单片机AT89S51中处理,这里的处理主要是指将输入进来的数据与我们设置的瓦斯爆炸预警值进行比较,显示其瓦斯浓度值,并通过远程通讯电路上传到监控主机进行实时监控。
一旦瓦斯浓度超过设定值时则启动报警电路。
3硬件电路设计
作为一个智能监测系统、它包括数据的采集、变换处理等环节,硬件设计主要包括单片机的选型、传感器的选择、A/D转换器的选择,电源电路、显示电路、声光报警电路及上传通讯电路等设计。
3.1气体传感器的选择及供电电路设计
3.1.1气体传感器的选择
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MC113气敏型传感器。
该传感器具有成本低、体积小、本质安全性高,其稳定性、中毒抗性、输出线性等都有了大幅度的提高。
根据催化燃烧效应的原理工作,由检测元件(黑元件)和补偿元件(白元件)配对组成电桥的两个臂,遇到可燃性气体时监测元件电阻升高,桥路输出电压变形,该变化随气体浓度增大而成正比例增大。
补偿元件起温度补偿作用,可有效去除因环境变化而引起铂丝电阻变化带来的附加误差。
3.1.2MC113的结构外形
MC113根据催化燃烧效应的原理工作,由检测元件和补偿元件配对组成电桥的两个臂,遇可燃性气体时检测元件电阻升高,桥路输出电压变化,该电压变量随气体浓度增大而成正比例增大,补偿元件起参比及温湿度补偿作用。
其结构图如3-1所示:
图3-1mc113外形结构图
3.1.3主要特点及技术参数
主要特点及应用:
·
桥路输出电压呈线性
响应速度快
具有良好的重复性、选择性
元件工作稳定、可靠
优异的抗H2S、有机硅中毒能力
工业现场的天然气、液化气、煤气、烷类等可燃性气体及汽油、醇、酮、苯等有机溶剂蒸汽的浓度检测
可燃性气体泄漏报警器;
可燃性气体探测器;
气体浓度计
主要技术参数如表3-1所示:
表1-1主要技术参数
产品型号
MJC4/2.8J型催化元件(MC113型催化元件)
产品类型
载体催化气敏元件
标准封装
金属封装、冶金粉末网
工作电压(V)
2.8±
0.1
工作电流(mA)
90±
10
灵敏度
(mV)
1%甲烷
20~40
1%丁烷
30~50
1%氢气
25~45
线形度(%)
≤5
测量范围(%LEL)
0~100
响应时间(90%)
小于10秒
恢复时间(90%)
小于30秒
使用环境
-40-+70℃低于95%RH
储存环境
-20—+70℃低于95%RH
外形尺寸(mm)
MC113:
9.5×
14×
19
MC113C:
8×
10×
14
防爆标志
ExdibⅠ
3.1.4传感器供电电路设计
传感器供电的稳定性直接影响检测桥路输出的准确度,为了提高测量的精度,设计了由基准电压、运算放大器和晶体管组成的恒压源专为传感器供电,电路原理如下图所示。
电路中选用LM385BZ-1.2作为基准电源,其温度系数为20pp/oC,片内带隙基准电压提供15uA-20mA的电流范围,且具有低噪声和长期稳定性特点。
图3-2传感器供电电路
从图可知,基准电源W2与R39串联接+5V,在基准电源W2的引脚2输出一个1.2V的基准电压,该电压作为运算放大器U3A的同相输入信号,U3A负反馈回路由R38、T13、T12、R37、R36组成,根据放大原理可知,反向输入端的电压等于同相端的电压为1.2V,由于运算放大器反相端不吸收电流,所以流过R37的电流等于流过R36的电流,按下列得到传感器的供电电压
U=1.2(R36+R37)/R36
由于基准电源的电压稳定度受温度变化影响很小,故该稳压电路受温度变化影响也很小,它作为恒压源向传感器供电,可以提高该装置的测量精度。
3.2单片机的选型及基本特性
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。
单片机型号的选择是根据控制系统的目标、功能、可靠性、性价比、精度和速度等来决定的。
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。
由于一氧化碳气体监测传感器在厨房使用,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。
单片机自20世纪70年代问世以来,以极其高的性价比受到人们的重视和关注,所以应用很广,发展很快。
单片机的优点是体积小、重量轻、抗干扰能力强,对环境要求不高,价格低廉,可靠性高,灵活性好,开发较为容易。
广大工程技术人员通过学习有关单片机的知识后,也能依靠自己的力量来开发所希望的单片机系统,并可获得较高的经济效益。
正因为如此,在我国,单片机已被广泛地应用在工业自动化控制、自动检测、智能仪表、家用电器等各个方面。
3.2.1单片机AT89S51
经综合分析选用单片机AT89S51适合。
AT89S51是一种低功耗高性能的8位单片机,片内带有一个4KB的Flash在线可编擦除只读存储器,它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器技术,而且其输出引脚和指令系统和51系列单片机兼容。
片内的存储器允许在线重新编程或用常规的非易失性存储器编程器来编R36组在众多的51系列单片机中,要算ATMEL公司的AT89S51更实用,因为它不仅和MCU-51系列单片机指令、管脚完全兼容,而且它将通用CPU和在线可编程Flash集成在一个芯片上。
这种单片机对开发设备的要求很低,开发时间也大大缩短。
3.2.2单片机AT89S51的基本特性
AT89S51是一个低功耗高性能单片机,40个引脚,32个外部双向输入/输出(I/O)端口,同时内含2个外中断口,2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,AT89S51可以按照常规方法进行编程,也可以在线编程。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起,特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
图3-3AT89S51内部结构图
引脚功能:
40只引脚按其功能来分,可分为三个部分:
*电源及时钟引脚:
Vcc,Vss;
XTAL1,XTAL2。
*控制引脚:
PSEN、ALE、EA、RESET(即RST)。
*I/O口引脚:
P0、P1、P2、P3,为4个8位I/O口的外部引脚。
1.电源引脚。
电源引脚接入单片机的工作电源。
Vcc(40脚):
接+5V电源;
Vss(20脚):
接地。
2.时钟引脚XTAL1、XTAL2。
时钟引脚外接晶体与片内的反相放大器构成了一个振荡器,它提供单片机的时钟控制信号。
时钟引脚也可外接晶体振荡器。
XTAL1(19脚):
接外部晶体的一个引脚。
在单片机内部,它是一个反相放大器的输入端。
这个放大器构成了片内振荡器。
当采用外接晶体振荡器时,此引脚应接地。
XTAL2(18脚):
接外部晶体的另一端,在单片机内部接至内部反相放大器的输出端。
若采用外部振荡器时,该引脚接收振荡器的信号,即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。
3.2.3晶体振荡电路
实现测量的另一必备环节是时基电路。
通常采用石英晶体振荡器来作为标准时基信号,要求频率准确、稳定。
为获得较稳定的时基信号,以控制主控门的开启时间,可采用石英晶体多谐振荡器来产生时基信号。
51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器,引脚XTAL1和XTAL2分别是比较放大器的输入端和输出端,这个放大器与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振器和微调电容一起构成一个自激振荡器,它提供了单片机的时钟控制信号,控制CPU的时序,对指令进行译码,然后发出各种控制信号,将各个硬件环节组织在一起,使它们有条不紊地一拍一拍地工作。
因此,时钟频率直接影响单片机的速度,时钟电路的质量也直接影响整个系统的稳定性。
本系统使用内部时钟方式,微调电容C1、C2的值选择为30pF,晶体为12MHz,芯片内的时钟发生器是一个2分频触发器,振荡器的输出fosc为其输入,输出为两相的时钟信号,频率为振荡器输出信号fosc的1/2。
状态时钟经3分频后为低字节地址锁存信号ALE,频率为振荡器输出信号fosc的1/6,经6分频后为机器周期信号,频率为fosc/12。
机器周期就是振荡器输出信号fosc经12分频后的信号周期。
本系统使用12MHz晶体做主频率,执行一条指令的时间,也就是一个指令周期为1µ
S。
其接线图如图下图所示:
图3-4晶振接线图
3.2.4报警解除电路
当系统检测出瓦斯浓度超出报警值时,声光报警器就会发出报警,当达到提醒人们离开的目的后,我们需要解除声光报警,解除报警有两种途径,一种是手动解除,一种是系统自动解除,若没有手动解除报警,则系统可通过调用20s的延时时间来自动解除报警。
其手动解除报警电路图如3-5所示:
图3-5报警解除电路
3.3数据采集系统电路设计
数据采集电路原理图如3-6图所示,从图中可知数据采集电路由传感监测器件、零点校正、前置放大、A/D
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