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毕业设计早知道
便携式沼气浓度检测仪
摘要
一般煤矿瓦斯多指沼气(甲烷)在空气中达到一定浓度时(5%~16%CH4)遇高温或明火能引起爆炸,引爆温度一般大于650摄氏度,在空气中沼气浓度大于16%CH4时,遇火燃烧。
正是由于瓦斯的性质特殊,所以它也具有两面性,例如矿井瓦斯作为城市煤气供应、矿井瓦斯发电等;但在矿井瓦斯在井下的生产中却给我们带来了很大的麻烦,被我们列为有害气体。
煤炭是我国的主要能源,在一次性能源中,所占的比例在70%以上。
我国的煤炭储量十分丰富,煤田遍布全国,但很多矿井自然环境恶劣,受到水、火、瓦斯、等自然灾害的威胁。
在这些自然灾害所造成的事故中,瓦斯事故死亡人数占总死亡人数的30%~40%。
特别是瓦斯煤尘爆炸事故,危害更为严重。
因此,要减少损失、提高工作效能,预防瓦斯事故是煤矿安全工作的重点。
如何预防,这就要靠一些技术上的手段来实现了,孕育而生了煤矿瓦斯报警器和瓦斯监测系统等技术支持。
本文主要是向大家介绍一下针对瓦斯浓度的各种检测方法和智能瓦斯检测仪的设计方法.本文主要是以ICL7109元器件和89C51为中心设计的一款检测沼气浓度的装置.
关键词:
沼气,LED显示器,单片机
Abstract
Generalcoaltogas(methane).intheairtothe5%oftheconcentration(~16%ch4)ahightemperaturetocauseanexplosionandprocessingthantheaveragetemperatureincentigrade,650airgasthan16%ch4concentration,afireburning.thegasonthenatureoftheparticular,italsohandles,suchasthegasinthegassupply,theelectricityandgas;butinthegasintheproductionhasbroughtusalotoftrouble,wewereclassifiedashazardousgasses
Coalisourmainsourcesofdisposableenergyintheproportionofthe70%ormorecoalreserves.ourcountryrichandthroughoutthecountry,butmanyofthemines,bywaterandfire,gas,naturaldisasters.inthethreatofthesenaturaldisasterscausedbyaccident,thegasinthedeathsofthetotalnumberof30%~40%.inparticular,thegastheexplosionaccident,themoreseriousdamage.therefore,toreducelossesandincreaseefficiency,topreventgasaccidentisacoalminesafety.howthefocusofprevention,thiswilldependonsometechnicalmeanstoachieveandcoalgasandthealarmandgasmonitoringsystemforsupporting。
Thisarticlemainlyistospeakoutagainstthegasintheconcentrationofignition-coilgasdetectionmethodsandsmartapproach.thisarticlemainlyicl7109monolithicintegratedcircuits.tolm324centreforthecircuitdesignofagasdetectinginstruments.thedensity
Keyword:
biogas,Lightemitdiodepanel,Microcontroller
第一章绪论
1.1选题背景
通常情况下人们所说的沼气就是指甲烷,由于甲烷在空气中所占一定的比例时遇火或高温就会发生爆炸,而在这些爆炸中主要是以煤矿为主。
也就是我们通常所说的瓦斯爆炸。
煤炭是我国的主要能源,在一次性能源中,所占的比例在70%以上。
我国的煤炭储量十分丰富,煤田遍布全国,但很多矿井自然环境恶劣,受到水、火、瓦斯、等自然灾害的威胁。
在这些自然灾害所造成的事故中,瓦斯事故死亡人数占总死亡人数的30%~40%。
特别是瓦斯煤尘爆炸事故,危害更为严重。
因此,要减少损失、提高工作效能,预防瓦斯事故是煤矿安全工作的重点。
如何预防,这就要靠一些技术上的手段来实现了,孕育而生了煤矿瓦斯报警器和瓦斯监测系统等技术支持。
人们在检测瓦斯方面已经摸索出了很多的方法,本文主要是向大家介绍一下针对瓦斯浓度的各种检测方法和智能瓦斯检测仪的设计方法。
主要是以ICL710989C51和LED显示器为中心设计的。
1.2基本功能
通过黑白元件改变电传感电桥的电阻从而达到改变电桥的平衡使他们输出一个电压差,通过比例放大电路连接上A/D转换器再接上LED显示器从而达到显示浓度的效果.。
第2章沼气检测方法的概述
世纪初以来,人们就对瓦斯检测进行了大量的研究,提出了许多检测方法,如安全灯法、热传导法、催化燃烧法、半导体气敏传感器法、光干涉法等。
以这些方法为基本
原理研制出的各种检测仪器曾在不同的时期,不同的应用场合发挥过重要作用。
下面对这些传统方法进行简要回顾:
2.1沼气测定灯法
沼气测定灯,俗称安全灯,是原始的安全检测仪器,目前以淘汰。
1.沼气检定灯结构原理
沼气检定灯使用金属网将火焰罩住的一种特制的煤油灯。
当矿内空气通过金属网眼流进罩内,空气与火焰接触,空气中含有沼气时,立即参加燃烧,从而将灯焰拉长,沼气浓度愈高,火焰愈长,所以,距灯焰伸长数值,便可判断出空气中的含沼气的浓度。
由于金属网罩的散热性能好,灯焰产生的热量几乎全部被吸收和散发掉,因而,不会引起网外沼气燃烧和爆炸。
2.沼气检定灯的使用
把灯罩放在含有沼气的空气中,一般说来火焰长度与沼气含量存在以下关系:
⑴基准火焰长度:
本多型安全灯灯焰为2~3㎜;58型测为5㎜;
⑵沼气含量在1%~20%时,火焰伸长3~6.5㎜;
⑶沼气含量在3%~40%时,火焰伸长10~25㎜,灯内显著发暗;
⑷沼气含量在5%以上时,灯内可能发生爆炸,爆炸后熄灭。
在这种情况下使用安全灯是很危险的。
每一使用矿井,预先均应依据所用灯型和特点,制订火焰高度与沼气浓度对照表。
沼气检定灯测量精度低,又需不断补充燃料。
加之不能测高浓度沼气和由于操作不当可引起矿井瓦斯爆炸事故,故以被淘汰。
2.2热传导法
此法是利用不同气体的热传导率随气体分子量和分子结构的不同而不同的原理,把性能相同的一对敏感器件(通常采用电阻温度系数较大的铂丝或钨丝)分别接在电桥的两个对应桥臂上,一只放置于被测气样的气室中,另一只放置于标准大气的密闭气室中。
前者是测量元件,后者是补偿元件。
当两只敏感元件被加以同样的电流之后,产生的热量相等。
但是,由于散热介质不同,使两元件形成了一定温差,从而,使两元件产生一个与温差相适应的热态电阻差,电桥就会失去平衡,输出端输出一个与沼气浓度变化成比例关系的电信号。
-该法用于高浓度沼气测量时,效果较好。
而当沼气浓度较低时,由于其热导率与空气热导率相近,输出信号很弱,灵敏度很低,分辨率很小,所以该法不适用于低浓度沼气的检测。
另外,它受气温的影响较大,其它气体引起的空气组分变化也会导致热导率的变化,引起测量误差。
2.3催化燃烧法
催化燃烧式传感器是在白金加热丝的周围环绕一圈涂镀着催化剂的载体,当传感器置于待测可燃气体中,加热丝通以一定的电流时,载体被加热,甲烷与氧气在催化剂的作用下,于较低温度(300-500摄氏度)处发生无焰燃烧。
释放出的热量,使白金丝的温度上升,从而引起白金丝的电阻值发生变化,并以此来反映空气中的甲烷浓度大小。
催化燃烧式传感元件,属气敏热效应型传感器,它具有体积小(典型值为长3mm,直径1.2mm的小圆柱体),结构简单,使用方便等特点,是目前国内外检测沼气的主要传感器。
载体催化燃烧式传感器,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一起内使用。
国内的便携式沼气探测仪,主要是以催燃烧法原理制成的,如煤科院抚顺分院生产的JJ-3型等。
催化燃烧式传感器的主要缺点是元件易中毒,在受高浓度沼气冲击后会产生激活现象,从而使传感器的使用寿命缩短或稳定性下降。
2.4半导体气敏传感器法
此法是在六十年代初期研制成功的。
它是利用某些金属氧化物在加热条件下其薄膜电阻随接触的可燃性气体浓度的增加而下降的特性来实现对可燃气体的检测。
半导体气敏器件灵敏度高,当混合气体中待测气体的含量不到千分之一时,器件的阻值就会发生足够大的变化,并且它具有结构简单、使用方便、价格便宜等优点,因而在检漏、报警、分析测在低浓量等方面获得广泛应用。
但半导体气敏器件度下灵敏度高,而在高浓度下器件的电阻变化较小,所以,它只适合检测低浓度微量气体。
另外,这类器件在不通电情况下放置一段时间后,通电时器件并不能立即投入工作,而是需要一个初期恢复时间(短期存放)或初期稳定时间(长期存放),这一时间短则几分钟,长则几天。
所以从第2章的介绍可以看出以上所介绍的几种方法虽然有他的好处但是他们也有明显的不足,鉴于此本文介绍了一种功能更好精确度更高的方法:
智能检测法。
第3章智能沼气浓度检测仪的设计
3.1智能沼气浓度检测仪的原理
图3.1
催化瓦斯检测报警仪原理框图
设计的智能沼气检测仪顾名思义是对井下的甲烷浓度进行测定,以便掌握第一手数据,对保证井下的正常生产起着很重要的作用。
这个智能沼气检测仪采用集成电路的新型沼气检测和报警装置,并具有一定的显示功能。
它以蓄电池为电源,具有数码管数字显示及声、光报警功能。
具有操作简单、读数明显、测量准确、稳定性好等优点,同时还具有防震、防尘、防潮湿、便于携带等优点。
智能沼气检测仪仅由传感器、比例放大器、比较器、A/D转换器、LED显示器及高性能稳压器等部分组成,其原理框图如图3.1所示。
3.2LM324器件介绍
LM324是四运放集成电路,它采用14脚双列直插塑料封装。
它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器,除电源共用外,四组运放相互独立,LM324内有4个高性能运算放大器,并有相位补偿电路,耗电低,可用正电源或正负双电源工作,电源电压范围宽,正电源为3.0~32.0V,正负电源为±1.5~15.0V,输入电压范围大,并可以低到地电位,而输出电压范围为0~VCC。
内电路包括各种转移放大,直流放大,可代换许多不同厂家或公司生产的同类产品。
主要电参数(测试条件VCC=+5V,温度25℃)见表3-1。
表3-1LM324主要电参数表
LM324的引脚排列见图3.2
图3.2LM324引脚图
由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽,静态功耗小,价格低廉等优点,因此被广泛应用于家用电器,工业仪器,电子玩具,报警装置,自动控制等电路中。
可以利用它构成正,负反馈放大电路,音调控制电路,信号分配放大电路,信号运算电路,测量放大电路,有源滤波电路,电压比较电路,触发器等,下面就设计的几个实用电路具体分析其工作原理。
3.3稳压电路的设计
电源采用GNY1型电池组3节GNY1型是镍铬电池的一个型号。
镍铬圆柱密封碱性蓄电池使用于众多领域,是经济性高的小型可充电池,放电电压稳定,大电流特性良好,具高度的安全可靠性。
其额定电压为1.2V,额定容量为1.0Ah
我们采用了串联调整式稳压电路的设计,1R3~1R5组成取样电路,E提供1.2V的基准电压,1N1(LM324)的一个运放(1、2、3脚)作为比较放大器,三极管1V2作为调整管,电压稳定为3V。
串联调整式稳压电路结构框图如图3.3所示:
图3.3串联式稳压电路
它主要由取样电路、基准电压电路、比较放大电路及串联调整器件等部分组成,各部分作用如下:
(1)取样电路用于检测U0的变化,采样取样电路可将U0的全部或部分取出,作为比较放大电路的输入信号。
调整器的调整作用是依据U0的变化来实现的。
(2)基准电压电路用于提供一基准电源,作为给定电压,以便和取样电压的U0值进行比较。
(3)比较放大电路有了基准电压和取样电压,就可以将取样电压和基准电压进行比较,由基准电压减去取样电压,所得差值电压大小就反映了U0的变化的程度。
为了充分反应U0变化,往往把比较后的电压进行放大,再加到调整管的基极,从而达到调整电压的目的。
在实际电路中,放大和比较是由同一电路实现的。
(4)串联调整器件一般为功率三极管,由于起调整作用,称为调整管,调整管基极电流变化,即可改变UCE,相当于调整串联电阻,从而达到稳定输出电压U0的目的。
最简单的分立元件组成的串联调整稳压电路如图3.4所示,其中R1、R2、R3构成取样回路,Zdw构成基准源,VT2、Rc构成比较放大电路。
图3.4串联调整稳压电路
3.4传感电桥和比例放大器的设计
1R6、1R7、RP1及黑白元件组成传感电桥。
2R1、2R2为线性补偿电阻。
如图3.5所示。
图3.5传感电桥和比例放大器电路图
RP1为调零电位器,调RP1可以使电桥平衡,Ue=0;当有瓦斯作用到黑白元件上时,黑元件阻值增大,电桥失去平衡,这时Ue不等于0。
这个代表甲烷浓度信息的电讯号加到比例放大器的输入端,并在输出端得到一个放大的信号。
LM324的一个运放(8、9、10脚)加上反馈网络、电阻1R9、1R11、RP2组成比例放大器。
通过调节RP2可以改变放大器的放大倍数,作为校准电位器。
放大后的信号分为两路输出,一路加到A/D转换器上,变为数字量,经显示器指示出甲烷浓度的大小。
(1)传感电桥的结构载体催化燃烧式传感器,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),阻值代号分别为r1及r2。
两个元件分别配置在电桥电路中,作为一组桥臂:
另一组桥臂是固定电阻R1及R2,是电桥的比率,与黑白元件对应。
为使电桥在无瓦斯状态下处于平衡状态,桥路内装有调零电位器p1。
此外,传感器电源应是经过稳压的稳流源,如图3.6所示。
图3.6传感电桥电路
(2)其工作原理
⑴黑白元件
①黑元件。
黑元件是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,输出一个电压信号送入主线路板放大,放大了的电压信号送到显示、报警或其它单元,实现对瓦斯浓度的监测。
经实测证明,当通过电桥电流350mA、甲烷浓度4%时电桥输出电压信号在120mV左右。
②白元件。
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,它不掺入低温燃烧。
但由于它处在与黑元件相同的工作环境中,所以,对非甲烷浓度变化引起的催化元件阻值变化(环境温度变化、湿度变化、风速变化、电源电流变化等),起补偿作用,从而,提高仪器零点稳定性和抗干扰能力。
黑白元件出厂时,经过检测仪严格检测匹配,不能任意拆套.使用。
⑵固定桥臂电阻R1、R2。
固定电阻R1=R2,一般为200Ω。
⑶调零电位器RP1。
又称零点微调电阻,主要用以调整仪器零点,消除原发性误差,使无瓦斯状态下,电桥平衡,输出电压为零。
⑷补偿电阻r2并联在白元件的电阻R2,是为补偿黑白元件热学性质差异的元件,以改善电桥的零点漂移。
因为黑白元件颜色差异太大,对热辐射的影响明显不同,其中黑元件比白元件热辐射能力强。
在通过相同电流时,黑元件升温快,其阻值比白元件上升快,在元件上加上并联分流电阻r2,可以改善电桥的动平衡。
图3.7同相比例放大器
(3)同相比例放大器同相比例放大器电路基本形式见图3.7,输入信号从同相端加入。
据虚短概念,有
Un=Up=Ui
可见,在同相比例放大器中,反相端和同相端的对地电压都等于输入电压,运算放大器本身要承受共模输入电压的作用。
为了保证放大器正常工作,其输入电压不能超过运放的最大共模输入电压范围。
其输入和输出之间的关系为:
U0=Rf*If+Un,If≈Un/R1,Un≈Ui
则U0=Rf*Un/R1+Un
U0=(1+Rf/R1)Ui
可见,同相比例放大器的闭环增益大于1,并且输入和输出同相。
3.5A/D转换的设计
A/D转换器(ADC)的作用就是把模拟量转换成数字量,以便于计算机进行处理。
随着超大规模集成电路技术的飞速发展,A/D转换器的新设计思想和制造技术层出不穷。
为了满足各种不同的检测及控制任务的需要,大量结构不同、性能各异的A/D转换器芯片应运而生。
下面介绍MCS51与ICL7109的接口
⑴ICL7109特性
ICL7109是美国Intersil公司生产的一种高精度、低噪声、低漂移、价格低廉的双积分式12位A/D转换器。
由于目前逐次比较式的高速12位A/D转换器一般价格都很高,在要求速度不太高的场合,如用于称重、测压力等各种传感器信号的高精度测量系统中时,可以采用廉价的双积分式高精度12位A/D转换器ICL7109。
ICL7109内部有一个14位(12位数据和一位极性、一位溢出)的锁存器和一个14位的三态输出寄存器,同时可以很方便地与各种微处理器直接连接,而无须外部加额外的锁存器。
ICL7109有两种接口方式,一种是直接接口方式,另一种是挂钩接口方式。
在直接接口方式中,当ICL7109转换结束时,由STATUS发出转换结束信号到单片机,单片机对转换后数据分高字节和低字节进行读数。
而挂钩接口方式,适用于远距离的数
据采集。
图3.8ICL7109引脚
⑵ICL7109的引脚
ICL7109为40线双列直插式封装,其引脚如图3.8所示:
各引脚功能如下:
GND:
数字地。
STATUS:
状态输出,ICL7109转换结束时,该脚发出转换结束信号。
POL:
极性输出,高电平表示ICL7109的输入信号为正。
OR:
过量程状态输出,高电平表示过量程。
B1~B12:
转换结果输出,三态,B12为最高位,B1为最低位。
TEST:
此脚仅用于测试芯片,接高电平时为正常操作,接低电平时则强迫所有位B1~B12输出为高电平。
:
低字节使能端,当MODE和
均为低电平时,此信号将作为低位字节(B1~B8)输出的辅助选通信号;当MODE为高电平时,此信号将作为低位字节输出。
:
高字节使能端,当MODE和
均为低电平时,此信号将作为高位字节(B9~B12)以及POL、OR输出的辅助选通信号;当MODE为高电平时,此信号将作为高位字节输出而用于信号交换方式。
:
片选端,当MODE为低电平时,它用作输出的主选通信号;当本脚为低电平时,数据正常输出;当本脚为高电平时,则所有数据输出端(B1~B12,POL、OR)均处于高阻状态。
MODE:
方式选择,当输入低电平信号时,转换器为直接输入工作方式。
此时,可在片选和数据使能的控制下直接读取数据。
当输入高电平脉冲时,转换器处于UART方式,并在输出两个字节的数据后,返回到直接输入方式。
当输入高电平时,转换器将在数据变换方式的每一转换周期的结尾输出数据。
OI:
振荡器输入。
OO:
振荡器输出。
OS:
振荡器的选择。
输入高电平时,采用RC振荡器,输入低电平时采用晶体振荡器。
BOO:
缓冲振荡器输出。
:
运行/保持输入。
输入高电平时,每经8192个时钟脉冲均完成一次转换。
当输入低电平时,转换器将立即结束消除积分阶段并跳至直接调零阶段,从而缩短了消除积分阶段的时间,提高了转换速度。
SEND:
输入,用于信号变换方式以指示外部器件能够接受数据的能力。
V-:
负电源,-5V。
VRO:
基准电源输出,一般为2.8V。
BUF:
缓冲器输出。
AZ:
自动调零电容CAZ连接端。
INT:
积分电容CINT连接端。
COMMON:
公共模拟端。
INLO:
差分输入低端。
INHI:
差分输入高端。
VRI+:
正差分输入基准端。
CR+:
正差分电容连接端。
CR-:
负差分电容连接端。
VRI-:
负差分基准输入端。
V+:
正电源,+5V。
⑶ICL7109与89C51的接口
ICL7109与89C51的接口方式是直接接口方式如图3.9所示:
图3.9中,ICL7109的MODE端接地,使ICL7109工作在直接接口输出方式。
图3.9ICL7109与89C51的直接接口方式
在电路中,振荡器选择端接地,则ICL7109的时钟振荡器以晶体振荡器工作,内部时钟等于58分频后的振荡器频率,本电路中外接晶体为6MHZ,则时钟频率=6MHZ/58=103kHZ,积分时间=2048*时钟周期=20ms,与50HZ的电源周期相同。
积分时间为电源周期的整数倍,可抑制50HZ的串模干扰。
在模拟输入信号较小时,如0~409.6mV,自动调零电容可选为比积分电容大一倍,以减少噪声。
自动调零电容值越大,噪声越小,如果积分电容选为0.15μF,则自动调零电容为积分电容的两倍其值为0.33μF。
通常由传感器来的微弱信号都要经过运算放大器放大成较小的信号,如0~4.096V。
这时噪声的影响不是主要的,可把积分电容选大一些以减小复零误差,使积分电容等于自动调零电容的两倍。
我们所选的积分电容为0.33μF,自动调零电容为0.15μF,通常它们在0.1~1μF间选择。
积分电阻Rint=满度电压/20μA,当输入满度电压=4.096V时,Rint=200kΩ,此时基准电压正负之间为2V,由电阻R1、R3和电位器R2分压取得。
如满度电压为409.6mV,则Rint=20kΩ,基准电压=0.2V。
在本电路中,
引脚接地,使芯片一直处于有效状态。
引脚接+5V,A/D转换连续进行。
A/D转换正在进行时,STATUS(状态)引脚输出高电平,STATUS引脚降为低电平时,
由P2.1输出低电平信号到ICL7109的
(高位字节允许),读高4位数据、极性和溢出位,由P2.0读出低电平信号到ICL7109的
(低位字节允许),读低8位数据。
在本图中,尽管
接地,
接+5V,A/D转换连续进行,但是,如果89C51不查询P2.6引脚就不会给出
和
信号,A/D转换的结果不会出现在数据总线D0~D7上,在不需要采集数据时,不会影响89C51的工作。
ICL7109连接转换时的转换程序:
ORG0003H
LJMPINTO
ORG2000H;主程序
…
SETBIE.0;置允许外部中断
SETBIE.7;CPU开中断
…
INTO:
MOVR0,#20H;数据缓冲区首址,中断服务子程序
MOVDPTR,#0200H;使P2.0=0,P2.1=1
MOVXA,@DPTR;读低字节
MOV@R0,A;存低字节
INCR0;指向21H单元
MOVDPTR,#0100H;
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