两线制煤矿瓦斯报警仪毕业设计论文.docx
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两线制煤矿瓦斯报警仪毕业设计论文
第1章绪论
1.1选题背景
1.1.1选题来源与目的
多年来,瓦斯问题一直是煤矿安全生产的主要问题之一,不仅严重威胁矿工的生命财产安全,也严重制约着经济的发展。
据不完全统计,06年全国煤矿发生大小瓦斯爆炸事故400多起,死伤2000余人。
当前我国煤矿的安全形势依然严峻,煤矿死亡人数居高不下,重大事故不断发生,对国家造成了极其严重的影响。
1.1.2煤矿瓦斯监控系统在现实中的意义
近几年来,国家对煤矿安全生产的管理力度在不断加强,煤矿生产单位都在进行数字化矿井的建设和改造,当然,这些需要依靠科技进步手段提高煤矿整体安全技术装备。
其中在瓦斯矿井建立煤矿瓦斯安全监控系统,从而改善了煤矿的安全隐患,减少了矿难的发生,确保了煤矿工业的安全生产。
总之,煤矿的安全系数是与瓦斯监控系统的性能成正比的。
1.2矿井中的气体简介
瓦斯主要是矿井中由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体,有时单独指甲烷(沼气),它是在煤的生成和煤的变质过程中伴生的气体。
它无色、无味、无臭,瓦斯对空气的相对密度是0.554,在标准状况下,瓦斯的密度为0.716kg/m3,所以,它经常积聚在巷道的上部及高顶处。
甲烷含量达5—15%时,则随时可能发生瓦斯爆炸。
瓦斯的爆炸性是矿井主要灾害之一。
瓦斯爆炸产生的高温高压,促使爆源附近的气体以极大的速度向外冲击,破坏巷道和器材设施,扬起大量煤尘并使之参与爆炸,产生更大的破坏力。
另外,爆炸后生成大量的有害气体,造成人员中毒死亡。
第2章设计方案论证
2.1本系统的实现目标
2.1.1定时检测功能
系统定时对矿井中的瓦斯浓度进行巡检,时间不超过20s。
当发生异常情况
控制执行时间不超过30s。
2.1.2技术要求
瓦斯(CH4)浓度的测量精度为0.1分。
测量范围低浓度部分0-4分,高浓度部分4-10分。
具有声光报警功能。
矿井下和矿井上信息通讯功能。
2.2主要器件
2.2.1传感器
目前,矿井中常用的瓦斯传感器可分为热导式和热效式两大类。
热导式瓦斯传感器是利用瓦斯与空气的热导系数不同而测量瓦斯浓度的。
这种传感器在于工作时需通入恒定的电流,将其加热到一定的温度(180℃左右),功耗较大;且其中的半导体热敏电阻式传感器受CO2和水蒸汽的影响较大,元件的一致性和互换性也较
差。
热导式瓦斯检测仪在测低浓度时,输出信号很小,误差较大。
因此,这类传感器制成的瓦斯检测仪适用于测高浓度的瓦斯(5%-100%),这中传感器在矿井中目前使用很少。
由于本设计主要应用在矿井中低浓度瓦斯的检测,因此在本系统中不考虑使用此传感器进行浓度检测。
热效式瓦斯传感器(又称热催化式瓦斯传感器),其中工作原理是利用可燃气体在催化剂的作用下进行无焰燃烧,产生热量,使元件电阻因温度升高而发生变化,从而测知瓦斯的浓度。
这种传感器的优点是精度较高,输出信号较大(1%CH4时,输出电压可达15-20mV)且不受其它燃气和灰尘存在的影响。
它的缺点是元件表面温度高(300℃-450℃),寿命短(多数国家均保证1年),功耗大(其加热功率小于1W;热催化元件功耗为0.3W-0.75W),易受硫,铅,氯等的化合物干扰而使催化剂中毒,降低其灵敏度,甚至误报。
但此传感器适合本设计所要实现的检测目标,且精度较高,输出信号较大,所以选择其作为本系统的瓦斯浓度检测元件。
2.2.2DTMF信号接收和发送MT8888
双音多频(DTMF)信号的传输速度较快,使得它广泛应用于各种通信和控制系统中。
与MT8880相比,能与更多型号的单片机配合,而且外部电路简单,因此在必须同时具备DTMF信号接收和发送功能的系统中备受青睐。
2.3系统组成框图
智能低浓度瓦斯报警器以89C51单片机为中央处理单元,由检测电路(测量电桥、前置放大电路、V/F转换电路)、LED显示、红外发射电路、声光报警以及DTMF信号转换电路等单元电路组成。
原理框图如图2-1所示。
图21电路原理框图
第3章系统硬件电路设计
3.1信号检测处理传输通道设计
图31为信号检测处理传输通道图
图31信号检测传输通道图
3.1.1传感器
本系统中传感器是对瓦斯浓度检测元件,采用能检测瓦斯浓度的黑白元件。
白元件接在黑元件的相邻桥臂,并与黑元件处于同一环境,用以抵消供给电桥电流和环境等非沼气因素的变化所引起的催化元件阻值的变化,从而提高了测量桥路零点的稳定性和抗干扰性。
图32黑白件传感器取样电路
图3-2黑白件传感器取样电路中R1是白元件,R4是黑元件。
四个电阻构成一个电桥。
白元件在桥路中起补偿作用,用它来补偿气体热传导,风速,空气湿度及电源电压变化对桥路输出的影响。
黑元件是载体催化元件,在矿井中的瓦斯与加热到工作温度的黑元件接触时,在黑元件表面进行催化氧化反应,使元件温度升高,内阻相应发生变化,这种变化可与瓦斯浓度成正比例关系。
随着瓦斯浓度的增加,黑元件R4的阻值增加,电桥输出电压也随之增加。
至此,就将采集到的瓦斯浓度成功的转换为电压信号。
输出电压的计算方法如下:
图33信号采集电桥
将图3-2的信号采集电路变换为如图3-3所示的电桥电路。
根据有关公式可知,输出电压Vout的计算公式为:
Vout=U/4(△R1/R1-△R2/R2+△R3/R3-△R4/R4)(3-1)
在这个设计中,R1,R2,R3均为阻值不变的电阻(白元件变化微小,计算时可忽略不计)。
所以公式变为:
Vout=3/4(-△R4/R4)(3-2)
即Vout=-3/4×黑元件阻值变化率
上式对放大和压频转换电路的系数确定上起着重要作用。
3.1.2信号放大电路设计
在报警仪的信号采集电路中,它的输出电压是带有负号的,为了消除这个负号,故将电压由LM358的反相输入端输入。
由于LM358的输入电压是信号采集电路中电桥桥臂之间的电压差,所以将LM358接成减法器的形式。
图3-4为信号采集后的低、高浓度的信号调理电路。
图34低浓度信号放大电路
图35为高浓度放大电路
图35高浓度放大电路
由于以上电路涉及到信号放大电路和压频转换电路放大倍数的确定,现以图
3-4电路为例,推导如下:
假设信号放大电路和压频转换电路的(放大)系数分别为K1和K2。
根据设计要求:
当浓度为0分时,要求芯片LM331输出频率为0Hz;当浓度为4分时,要求芯片LM331输出频率为3200Hz。
可是在实际运用中,当浓度为0分时,芯片LM331输出的频率为400Hz,并不是0Hz;当浓度为4分时,芯片LM331输出的频率为3600Hz。
所以芯片LM331输出电压与输出频率的关系为:
F=K2*Vin+400=360,所以K2*Vmax.in=3200(3-4)由实验得知电阻的变化率为最大5%,代入上节提到的公式
(2)Vout=3/4*(-△R4/R4)
有Vout=3/4*(-5%)=-3/80
又因为Vmax.in=Vout*K1,代入公式(4)
Vout*K1*K2=3200(3-5)
即K1*K2=-3200/3/80=-256000/3
所以,选信号放大电路的系数K1为-100,即选择电阻R28为1K,R30为100K。
则压频转换电路系数K2=FOUT/VIN=2560/3
令RL=6.8K,CT=0.01uF,RT=100K,则根据公式(3)
有RS=2.09×6.8K×0.01×10-6×100K×2560/3=12.1276K
即RS=10K,滑动变阻器为RS=5K
3.2频压转换电路设计
3.2.1V/F转换器LM331简介
V/F转换器芯片能够把电压信号转换为频率信号而且线性度好,通过计算机处理,把频率信号转换为数字信号完成A/D转换。
它与AD574等电路相比,具有接线简单,价格低廉,转换精度高等特点,而且LM331芯片在转换过程中不需要软件程序驱动,这与AD574等需要软件程序控制的A/D转换电路相比,使用起来方便了许多;另外频率测量本身就是一个计数过程,V/F转换过程是对信号输入的不断积分,因而能对噪声或变化的输入信号进行平滑处理,这一特性有利于煤矿下复杂的恶劣环境;还可以将数据调制在射频信号上进行无线传播,实现遥测。
图36为LM331的逻辑框图。
图36LM331的逻辑框图
3.2.2LM331的工作原理
图37为LM331工作原理图。
图37LM331工作原理图
LM331的工作原理是输入比较器在比较输入点Vin与VX时,启动单脉冲定时器并导通频率输出晶体管和开关电压源,定时器的定时周期t=1.1RtCt,在这个周期中电流向电容CL充电,使VX上升,当VX上升到VX>VIN,电流i关断,定时器自行复位,同时,CL逐渐通过RL放电直到VX V/F转换定时波形如图3-5,由于注入CL平均电流严格地等于IAVE=i×t×FOUT,流出CL的电流严格的等于VX/RL≈VIN/RL。 如果VIN加大一倍,输出频率FOUT也要加大一倍以保持平衡,因此,这种V/F转换器能在一个较宽范围内,使其输出频率严格地正比与输入电压。 由 IAVE=i×t×FOUT=VXRL/≈VIN/RL 可知FOUT=IAVE/i×t=VX/RL≈VIN/RL =RSVIN/2.09RLCTRT 有RS=2.09×RL×CT×RT×FOUT/VIN(3-3) 图38V/F转换定时波形 LM331的实际设计电路图如图3-9所示: 图39LM331的硬件连接电路 在电压输入端7脚由100K电阻和0.1μF电容组成低通滤波电路。 R23对基准电流进行调节,以校正输出频率,在输出端3脚上接有一个10K上拉电阻,因为该端输出时集电极开路输出。 由于传感器一般都是模拟小信号的电流或电压输出,经过信号调节电路调节成能满足V/F转换器输入要求的大电压信号。 经V/F转换电路把这些模拟信号转换成相应的TTL频率信号,送入单片机的I/O口中的计数器输入端或中断源输入端上,以便用单片机进行信号处理。 图310为信号检测传输传通道原理图。 图310信号检测传输通道原理图 3.3电源电路设计 系统应用的是一种输出为5~15V连续可调、输出电流可达2.5A的开关式稳压电源,该稳压电源特别适合于电子产品开发人员用来进行电路实验和电路开发。 它也可设计成固定电压输出,应用于各种仪器、仪表、家用电子产品中。 如果有需要,该电源的输出电压还可扩大到40V。 在设计中,将本安18V电源接入由L4960构成的单片机开关电源中,得到系统所需的5V和3V电源,其中3V电源为传感器黑白件供电,5V电源则作为其它器件的电源。 3.3.1多端开关式稳压器L4960简介 L4960是由意-法半导体有限公司(SGS—Thomson)生产的在目前国际上具有 最具代表性的多端开关式稳压器。 它们属于高效率,非隔离,低电压输入,大电流输出的脉宽调制式DC/DC电源交换器。 该电源以SGS—THOMSON公司生产的LA960集成电路为核心,其主要特点有: 转换效率高,一般为75%~85%,最高可达90%;输出电压范围宽,而且连续可调(5~40V),具有软启动、过流限制及过热保护功能: 外围元件少,制作方便。 与一般常用的LM317可调输出稳压集成电路组成的稳压电源相比,该稳压电源所用的电路元器件稍多一些,但输出电压范围宽,输出电流大,节电显著。 L4960是一种降压式DC/DC变换器集成电路,采用SIP—7封装,能输出2.5A 的电流。 其封装及引脚排列如图3-11所示: 表31L4960管脚说明 引脚 符号 功能 ① VIN 电源输入端(9~46V) ② FB 输出电压反馈端 ③ FC 误差放大器频率补偿端,外接RC(串联)到地 ④ GND 地 ⑤ OSC 振荡器外接RC(并联)到地 ⑥ SS 软启动外接电容端 ⑦ VOUT 电源输出端 图311L4960封装图 3.3.2L4960构成的+5V电源电路 图312为L4960构成的+5V电源电路。 图312L4960构成的+5V电源电路 3.3.3LM317构成的为+3V电源电路 图313为LM317构成的为+3V电源设计电路 图313LM317构成的+3V电源设计图 3.489C51单片机 3.4.189C51的封装引脚 图31589C51封装引脚图 3.4.289C51的时钟 (a)内部时钟方式(b)外部时钟方式 图316两种时钟电路 89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器,引脚XTAL1和XTAL2分别是该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石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。 外接石英晶体(或陶瓷谐振器)及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成 并联振荡电路,对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求,但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性,如果使用石英晶体,我们推荐电容使用30pF±10pF;若使用陶瓷谐振器建议选择40pF±10pF。 用户也可以采用外部时钟,采用外部时钟的电路如图3-16(b)所示。 这种情况下,外部时钟脉冲接到XTAL1端,即内部时钟发生器的输入端。 3.4.3管脚简介 并行I/O口 P0口(P0.0—P0.7): 是开漏双向口,可以写为1使其状态为悬浮用作高阻输入,P0也可以在访问外部程序存储器时作地址的低字节,在访问外部数据存储器时作数据总线,此时通过内部强上拉输出1; P1口(P1.0—P1.7): 是带内部上拉的双向I/O口,向P1口写入1时,P1口被内部上拉为高电平,可用作输入口.当作为输入脚时被外部拉低的P1口会因为内部上拉而输出电流;P1口第二功能: T2(P1.0)定时/计数器2的外部计数输入/时钟输出;T2EX(P1.1)定时/计数器2重装载/捕捉/方向控制; P2口(P2.0—P2.7): 是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。 对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作为输入口。 作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号来低时会输出一个电流(I)。 在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器(例如执行MOVX@DPTR指令)时,P2口送出高8位地址数据。 在访问8位地址的外部数据存储器(例如执行MOVX@RI指令)时,P2口行上的内容(也即特殊功能寄存器(SFR)区中R2寄存器的内容),在整个访问期间不改变。 Flash编程或校验时,P2亦接受高位地址和其它控制信号; P3口(P3.0—P3.7): 是带内部上拉的双向I/O口,向P3口写入1时P3口被内部上拉为高电平,可用作输入口.当作为输入脚时,被外部拉低的P3口会因为内部上拉而输出电流,P3口还具有以下特殊功能: 控制信号 ALE: 引脚输出为地址锁存允许信号,当单片机上电后,ALE引脚不断输出正脉冲信号。 当单片机访问外部存储器时,ALE输出信号的负跳沿用于单片机发出的低8位地址经外部锁存器锁存的锁存控制信号。 即使不访问外部锁存器,ALE端仍有正脉冲信号输出,此频率为时钟振荡器频率fosc的1/6。 EA/Vpp: EA功能为内外程序存储器选择控制端。 当EA引脚为高电平时,单片机访问片内程序存储器;当EA引脚为低电平时,单片机则只访问外部存储器。 Vpp为本引脚的第二功能。 在对89C51编程时,加在Vpp引脚的编程电压为+12V或+5V。 /PSEN: 程序存储器允许输出控制端。 在单片机访问外部程序存储器时,此引脚输出脉冲负跳沿作为读外部程序存储器的选通信号。 此引脚接外部程序存储器的/OE(输出允许)端。 /PSEN端可以驱动8个LS型TTL负载。 /WR: 外部数据存储器写控制信号; /RD: 外部数据存储器读控制信号。 3.4.4定时器/计数器和中断 1.定时器/计数器 89C51单片机内有两个16位二进制定时器/计数器,简称定时器0(T0)和定时器1(T1),它们均用于定时、延时、对外部事件计数、分频及事故记录等。 两个16位定时器/计数器分别由两个8位特殊功能寄存器组成,即T0由TH0和TL0组成,T1由TH1和TL1组成,通过MOV指令可存放定时或计数初始设定值。 每个定时器都可由软件设定成定时模式或计数模式,在这两种模式下,又可以单独 设定为方式0、方式1、方式2、方式3四种工作模式。 定时器/计数器的启动/停止也是由软件通过控制寄存器TCON来控制的。 定时器/计数器是一个二进制的加1寄存器,当启动后就开始从所设定的技术初始值开始加1计数,计数器计满回零时能自动产生溢出中断请求,但定时与计数两种模式下的计数方式不同——定时模式时,每个机器周期寄存器增1,即寄存器对机器周期计数,因为一个机器周期有12个振荡周期,所以计数器频率是晶体振荡器频率的1/12,如晶体振荡频率为6MHz,则定时器模式的计数频率为1/2周期,计数周期为T=1/(6MHz×1/12)=2us;计数模式时,该寄存器在相应的外部输入脚P3.4/T0和P3.5/T1上出现从1到0的变化时增1。 定时器/计数器是单片机中工作相对独立的部件,当其设定为某种工作方式启动后,它就会独立进行计数,不再占用CPU的时间,直到计满溢出,才向CPU申请中断处理,它是一个工作效率高且工作灵活的部件。 89C51对内部定时器/计数器的控制主要通过TMOD和TCON两个特殊功能寄存器的编程来实现的。 特殊功能寄存器TMOD用于控制T0和T1的工作方式,低4位用于控制T0,高4位用于控制T1,8位格式如表3-2所示。 TMOD的地址为89H,其各位状态只能通过CPU的字节传送指令来设定而不能位寻址指令改变,复位时各状态为0。 表3-2工作方式控制寄存器TMOD GATE C/T M1 M0 GATE C/T M1 M0 控制T1 控制T0 TMOD各位的控制功能如下: (1)M0、M1: 工作方式控制位,2位可形成四种二进制码,可控制产生四种工作方式,如表3-3所示: (2)C/T: 模式控制选择位。 C/T=0时定时模式,C/T=1为计数模式。 (3)GATE: 门控位。 当GATE=0时,只要使TCON中的TR0(或TR1)置1,就可以启动定时器T0或T1工作。 等GATE=1时,只有/INT0或/INT1引脚为高电平且TR0或TR1置1时,定时器才能启动工作。 表33定时器/计数器的4种工作方式 M1 M0 工作方式 计数器功能 0 0 方式0 13位定时器/计数器 0 1 方式1 16位定时器/计数器 1 0 方式2 自动重装初值的8位定时器/计数器 1 1 方式3 T0分为两个8位独立计数器;T1停止计数 TCON是一个8位寄存器,用于控制定时器的启动/停止以及标志定时器溢出中断申请。 TCON的地址为88H,既可进行字节寻址又可进行位寻址,复位时所有位被清零。 各位定义如表3-4所示。 表3-4定时器/计数器控制寄存器TCON TCON TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0 地址位 8FH 8EH 8DH 8CH 8BH 8AH 89H 88H (1)TF1、TF0——计数溢出标志位 当计数器溢出时该位置1。 使用查询方式时,此位作为状态位供CPU查询,但应注意查询有效后,应以软件方法及时将该位清0。 使用中断方式时,此位作为中断请求标志位,进入中断服务程序后由硬件自动清0。 (2)TR1、TR0——计数运行控制位 TR1(TR0)=1,启动定时器/计数器工作 TR1(TR0)=0,停止定时器/计数器工作 该位可由软件置1或清0。 2.中断 89C51有5个中断源,分为内部中断源和外部中断源。 外部中断源包括两个,通常指由外部设备发出的中断请求信号,从P3.2和P3.3(即INT0和INT1)引脚输入单片机,由电平或边沿触发两种方式申请中断;内部中断源有三个,两个定时器/计数器(T0、T1)中断源和一个串行口中断源,T0和T1的中断申请是在它们计数从全“1”变为全“0”溢出时自动向中断系统提出的,串行口中断源的中断申请是在串行口每发送或接受一个8位二进制数后自动向中断系统提出的。 3.5MT8888芯片应用 MT8888是采用CMOS工艺生产的DTMF信号收发一体集成电路,它的发送部分采用信号失真小、频率稳定性高的开关电容式D/A变换器,可发出16种双音多频 DTMF信号;接收部分用于完成DTMF信号的接收、分离和译码,并以4位并行二进制码的方式输出。 MT8888芯片集成度高、功耗低,可调整双音频模式的占空比, 能自动抑制拨号音和调整信号增益,还带有标准的数据总线,可与TTL电平兼容, 并可方便地进行编程控制。 3.5.1MT8888芯片特点 MT8888是CMOS大规模集成电路,功耗低(只有57.8mW)并且将发送和接收电路集中在一个芯片内,故集成度高。 可编程控制,容易与微处理器接口,微机可控制接收部分工作原理与DTMF接收器MT8870相同。 发送部分采用开关电容式变换器,因此DTMF信号失真小。 频率精度高,片内对双音群模式的占空时间精确定时。 3.5.2MT8888工作原理及组成 1.接收部分。 接收部分的电路有单端输入和差分输入两种形式,如图3-17 和图3-18所示: 图317单端输入图318差分输入 单端输入电压增益Av=RF/Rin 差分输入电压增益AVIDIH=R5/R1 差分输入阻抗ZINDIH=2R2+(10C)-2 元件典型值C1=C2=10nF R1=R4=R5=100KΩ R2=60KΩ,R3=37.5KΩ。 R3=(R2*R5)/(R2+R5) DTMF信号经运放输出到两组6阶开关电容式带通滤波器,分离出低频组fLOW和高频组fHIGH信号。 低频组中的限波器把35Hz和440Hz的拨号音滤除,每组滤波器连接一阶开关电容式滤波器以提高分离信号的信噪比。 由高增益比较器组成的限幅器去除低于检测门限的弱信号或噪声。 解码器采用数字计数方式检测DTMF信号频率,利用复杂的平均算法防止外来的各种干扰,当检测器识别到有效的DTMF信号时,预控端ESt输出高电平。 2.发送部分。 DTMF产生器是发送部分的主体,它可以产生16种失真小、精度高的标准双音信号,这些频率均由3.5795MHz晶振振荡器产生。 电路由数字频率合成器、行/列可编程分频器和开关电容式D/A变换器组成。 行和列单音正弦波经混合,滤波后产生双音频信号。 DTMF编码表把编码数据写入MT8888的发送寄存器产生单独的fLOW 和fHIGH,fHIGH和fLOWdB输出的幅度之比为2dB,目的在于补偿高频信号经过线路的衰减,即经过预加重处理。 写操作时,总线上的4位数据被锁存,可编程分频器进行8中取2的编码变换,定时长度确定该信号的频率。 当分频器达到由输入编码确定的计数值时,产生复位脉冲,计数器重新计数,改变定时长度可变频率。 编码电路由开关电容式D/A变换器组成,得到高精度的量化电平,低噪声加法放大器完成行和列的单音信号混合。 输出级有带通滤波器,用来衰减大于8Hz的谐波。 此外,发送部分还包括单音信号产生器能产生高频组和
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