机械创意设计与制造综合技能说明书.docx
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机械创意设计与制造综合技能说明书
太尔时代机械创意设计与制造综合技能
设
计
说
明
书
题目:
煤矿井下瓦斯浓度检测报警器的设计
设计人:
黄其正樊凯
指导老师:
黄伟玲刘伟
摘要
瓦斯(俗称CH4)矿井在我国煤矿生产矿井中所占比重很大,随着国民经济的不断发展,对煤炭需求量也越来越大,矿井开采强度和深度的增加,瓦斯涌出量也在不断增加,这就使得煤矿的安全生产方面面临着十分严峻的问题。
瓦斯积聚可能引起瓦斯事故,根据数据显示,瓦斯事故死亡人数占总死亡人数的30%~40%,特别是瓦斯爆炸事故,因此导致了巨大的人员伤亡和财产损失。
为了防止瓦斯爆炸事故的发生,及时掌握煤矿井下瓦斯动态是一件十分重要的工作。
瓦斯浓度检测报警器就是用来监视矿井瓦斯动态的有效工具。
本课题是利用单片机和瓦斯传感器设计的的瓦斯浓度检测报警器,它体积小,操作方便,适用于中小型煤矿井下各作业场所中测量空气中的瓦斯浓度。
仪器能够根据瓦斯浓度报警限(1.00%)进行声、光报警。
装置由单片机、敏感元件(瓦斯传感器)、A/D转换电路、显示电路、报警电路等组成。
单片机获取瓦斯传感器输出的与瓦斯浓度对应的电压信号,经过数据处理后能够准确判断周围环境的瓦斯浓度,并实时的显示到LCD液晶屏上,若超限瓦斯浓度则进行报警。
该装置的特点是测量范围宽,精度高;结构简单,成本低;可靠性和稳定性好,能够有效的预警瓦斯突发事件,因此为煤矿的安全生产提供了可靠保障。
关键词:
瓦斯浓度;单片机;瓦斯传感器;A/D转换
2.1系统框图……………………......…………………………...........9
2.2工作原理.......................................................................................11
2.3装置总体二维和三维结构设计....................................................11
3.1.4MQ-4的测试电路及敏感度调节......................................15
3.2A/D转换电路..............................................................................17
3.2.1A/D转换器的选型.............................................................17
3.2.2ICL7109芯片简介.............................................................19
3.2.3A/D转换部分电路.............................................................21
3.3主控制器单片机..........................................................................25
3.3.1AT89S51的引脚说明.........................................................25
3.4数据显示电路..............................................................................28
3.4.1显示器的选择...................................................................28
3.4.2数据显示部分电路...........................................................29
3.5电源电路....................................................................................30
3.6声光报警部分电路....................................................................31
4.1主程序.........................................................................................32
4.2子程序设计.................................................................................33
4.2.1中断子程序........................................................................33
4.2.2声光报警子程序................................................................34
第五章设计总结....................................................................................36
第一章绪论
1.1课题研究背景和意义
从我国煤炭生产的现状及我国能源结构规划均可看出,在本世纪中叶以前,煤炭仍是支持我国国民经济发展的主要能源,煤炭生产,作为我国能源工业的支柱,其地位将是长期的、稳定的,但是煤炭工业的安全生产状况却不容乐观,中小型煤矿的情况尤为严重,已经直接威胁到整个煤炭工业的稳定生产,给国家财产和人民生命造成了很大的损失,作为“万恶之首”的瓦斯爆炸事故更是重大事故发生率之首。
近几年接连发生了多起瓦斯爆炸事故,事故的后果触目惊心,因此通过强化瓦斯管理,提高通风、瓦斯检测水平,已成为中小型煤矿瓦斯检测监控的最迫切的任务之一。
综上所述,瓦斯浓度检测报警器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。
所以设计出一种简单的瓦斯检测报警器,对有效的预防和减少瓦斯爆炸事故的发生具有非常现实的意义。
1.2国内外发展现状
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器,毒性气体监测器和氧气监测器等;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;便携式仪器采样方法为泵吸式,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。
世界各国均有煤矿瓦斯气体监测的系统,如波兰的DAN6400、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公司生产的MSN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。
国外的监控系统技术虽然高于国内发展水平,但应用于国内煤矿尚有一定的局限性,如煤矿管理模式生产方式的不同,价格过高等。
因此,除在传感器技术方面可供借鉴外,其它仅具一定的参考价值。
我国检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、KJ8、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课题设计要求
本文结合煤矿井下的安全隐患,从有效减少和预防瓦斯爆炸事故的发生,保障煤矿井下生产工作人员的人身安全问题为出发点,设计
一种瓦斯浓度监测报警器,能够根据井下实际情况,完成瓦斯浓度的检测,转变为与之对应的电压信号,通过一系列的数据处理,实时显示瓦斯浓度并对超限瓦斯浓度进行声光报警。
1.4本文研究的主要内容
第一章是文章绪论。
介绍了该课题的研究背景和意义,并结合国内外发展现状进行阐述,同时给出了此次设计的设计要求。
第二章是系统概述。
阐述了课题研究的内容和系统工作原理,设计思路以及整体设计所遵循的原则。
第三章是系统硬件设计。
对组成系统的单片机、、敏感元件(瓦斯传感器)、A/D转换电路、电源电路以及声光报警电路都作了详细介绍。
第四章是软件设计。
介绍了软件设计采用的方法和所遵循的原则,并给出了部分主要程序的软件流程图及程序。
第五章是结束语。
对整个系统作了一个概括性的总结。
第二章系统概述
随着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、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AT89S51单片机来实现煤矿瓦斯浓度检测报警。
在这里我们运用到的瓦斯气体传感器是MQ-4,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。
然后再将电压信号通过A/D转换变换成数字信号,并在AT89S51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,其中显示部分我们采用的是LED液晶屏,用于显示瓦斯浓度值。
若实际瓦斯浓度超限(浓度超限预警值可键盘控制输入)则在单片机的控制下进行声光报警。
提醒生产人员离开,避免生产事故的发生。
瓦斯的检测流程如下:
先由气体传感器检测器MQ-4对瓦斯的浓度进行检测,如果正常则继续施工生产,反之若浓度超限就需要通过一定的处理措施来降低浓度,如果方法行之有效则生产,不能奏效就要继续处理。
图2-1检测流程
2.1系统框图
蜂鸣器
(声光报警)
此次设计的可行走煤矿井下瓦斯浓度检测报警器主要由气体传感器MQ-4、A/D转换电路、单片机AT89S51、显示电路、声光报警装置和附件电路组成。
瓦斯检测系统以主控制器单片机为主要核心。
系统整体框图如下图2-2所示:
排风
LED显示
AT89S51
A/D转换7109
电源
瓦斯传感器
MQ-4
图2-2系统框图
由系统框图可以看出煤矿瓦斯检测报警器的硬件部分设计是以单片机系统为核心,用于整个装置的数据处理、声光报警电路等正常工作。
在这里我们选用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。
瓦斯传感器采用MQ-4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,它对瓦斯有很高的灵敏度,响应恢复特性很好,简单的驱动电路,稳定性很可靠且使用寿命很长。
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。
MQ-4型气敏元件对不同种类,不同浓度的气体有不同的电阻值。
因此,在使用时
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- 机械 创意设计 制造 综合 技能 说明书