煤矿瓦斯微机监测系统设计毕业设计论文.docx

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煤矿瓦斯微机监测系统设计毕业设计论文

煤矿瓦斯微机监测系统设计

摘要

瓦斯是煤矿生产中的有害气体，它严重威胁着矿工的生命和国家财产的安全。

不断发生的煤矿瓦斯爆炸事件强烈的提醒我们提高煤矿瓦斯监测的管理质量，为了加强煤矿瓦斯的管理水平，本课题设计了对煤矿瓦斯监测的系统。

本系统下位机以AT89S52单片机为控制核心，系统采用了MJC4/3.0L瓦斯传感器，并通过INA114对电信号进行放大，通过PCF8591将模拟信号转换为数字信号，该A/D转换器采用了I2C总线技术，可以最大限度的利用有限管脚。

滤波之后单片机驱动八位数码管对数据进行显示，并通过RS-485下位机网络将数据上传至上位机。

上位机程序用VB编写，采用MSComm插件启动串口，可以随时开启串口并对任意下位机的数据进行查看，并保存到相应的数据框。

关键词：

瓦斯传感器；单片机；监测系统；串口通讯

CoalMineGasMonitoringSystemBasedonSingleChipMicrocomputer

ABSTRACT

Thegasisharmfulgasesinthecoalmineproduction,itseriouslythreatentothesafetyofthelivesofminersandstateproperty.Thecontinuedoccurrenceofcoalminegasexplosioneventsremindusimprovethequalityofmanagementofthecoalminegasmonitoring.Inordertostrengthenthelevelofcoalminegasmanagement,thistime,Idesignacoalminegasmonitoringsystematthissubject.

Theslavecomputer’ssystemuseAT89S52singlechipmicrocomputerasthecorecontroller,anditusesMJC4/3.0Lgassensorwhichcouldtransformconcentrationsignaltoanalogelectricalsignalasit’smajorsensor.AndPCF8591thatuseI2C-buscouldtransformanalogsignaltodigitalsignaleffectively.FinallytheLEDcoulddisplaytheconcentrationvalue,andthesystemwoulduploadthevalue.ThesoftwareofuppercomputerprogrammedbyVisualBasic,anditusesMSCommasit’sActiveX.Thesoftwarehasgreatfunctionswhichincludecheckandsavedataatanytime.

Keywords:

gassensor;singlechipmicrocomputer;monitoringsystem;serialcommunication

参考文献32

第一章绪论

瓦斯是煤矿生产中的有害气体，它严重威胁着矿工的生命和国家的财产安全。

随着国民经济的快速发展，各种能源需求快速增长，煤炭开采量也在逐年增加，安全隐患也就越来越多，瓦斯事故特别是重大瓦斯事故在煤矿事故中的比例也就越来越高。

如果不能及时测量井下的瓦斯浓度，那么煤矿的安全生产就无从谈起，从而也就无法保证煤炭工业持续而稳定的向前发展。

所以，对煤矿井内的瓦斯气体进行快速准确的检测就显得尤为重要，对易燃易爆气体检测系统的研究和开发也就成为人们普遍关注的问题。

1.1课题研究的背景、意义及研究现状

煤炭是中国国民经济建设的动力，占全国一次能源生产总量及消费结构的70%以上。

至2006年底，全国在册的大小煤矿共有2.6万个，均为瓦斯矿井，其中50%以上属于高瓦斯矿井。

煤矿由于由于受到自然地质、井下开采条件、矿工技能条件、技术和装备等条件的限制，一直存在着安全可靠性程度差、安全事故频率高等问题，尤其是瓦斯事故频发、危害严重。

从煤矿瓦斯防治部际协调调查小组召开第十次会议了解到，2012年，全国煤矿发生瓦斯事故72起、死亡350人，同比减少47起、183人，分别下降39.5%、34.3%。

煤层气抽采量141亿立方米、利用量58亿立方米，同比分别增长23.2%、20.2%。

虽然近几年煤矿瓦斯事故逐年大幅度下降，但重特大瓦斯事故没有得到有效遏制，部分地区和小煤矿瓦斯事故多发，煤矿瓦斯防治形势依然严峻。

煤炭需求持续增加，加剧了瓦斯防治工作压力；瓦斯灾害威胁日趋严重，防治难度越来越大；部分省份瓦斯防治机构不健全，尚未形成有效的工作机制；瓦斯防治基础依然薄弱，一些小煤矿安全投入严重不足，不具备瓦斯防治能力；煤与瓦斯突出机理尚未完全研究清楚，煤矿瓦斯防治关键技术有待突破。

新中国成立以来发生的24起煤矿一次死亡百人以上的特别重大事故中，瓦斯煤尘事故有21起，事故起数和死亡人数分别占88%和90%。

一方面，每次瓦斯爆炸都会引起全社会的关注，更是给牺牲的矿工亲属带来沉重的精神打击，对煤炭事业健康发展以及矿区和谐社会建设都产生了不良的影响。

另一方面，我国煤炭安全生产现状与世界一些发达国家和发展中国家相比差距很大，伤亡人数是美国的100倍、俄罗斯的10倍、印度的12倍。

瓦斯是一种无色、无味、可以燃烧或爆炸、可以使人窒息死亡的气体，在成煤过程中形成，是煤炭的伴生物。

当瓦斯在空气中的含量为5%~16%时，就有爆炸的危险。

煤矿安全规程规定，采区回风巷、采掘工作面回风巷风流中瓦斯浓度超过1%时，检测仪表必须进行报警以提示停止工作，撤出人员，采取措施进行处理；采掘工作面及其它作业地点风流中瓦斯浓度达到1%时，必须停止用电钻打眼；爆破地点附近20m以内风流种的瓦斯浓度达到1%时，严禁爆破；采掘工作面及其它作业地点风流中、电动机或其开关安置地点附近20m以内风流中的瓦斯浓度达到1.5%时，必须停止工作，切断电源。

由此可见，解决瓦斯突出及爆炸问题，必须加强对瓦斯的监测监控。

我国从六十年代初就开始了对煤矿瓦斯监测技术的研究，一直到七十年代末，这方面的发展都很缓慢。

当时最有代表性的产品为西安煤矿仪表厂生产的MJC-100煤矿集中监测系统和重庆煤矿安全仪器厂生产的AYJ-1型瓦斯器遥测警报仪，MJC-100煤矿集中监控系统可以配置100个瓦斯传感器或其他类型的传感器，传输方式采用载波键控制传输，监测周期为100秒，可将煤矿井下瓦斯或其他信号远传到地面达10公里。

由于当时所处的技

术条件，该系统采用了1908块小规模TTL集成电路和部分分立元件组成，全部为硬逻辑电路。

该系统在70年代末、80年代初在我国十多个大型煤矿的瓦斯监测中发挥了重要作用。

八十年代后期，由于电子工业的飞速发展，微型计算机的普及应用，再加上引进国外先进技术，使我国煤矿瓦斯监测的技术水平得到较快的发展和提高。

生产厂家和产品种类都在不断增加。

生产厂家由最初的两家增加到现在得十多家，微机由最初的苹果机发展到现在得高档微机，地面主监控中心站都以功能较强的微型计算机为核心，辅助以大屏幕显示器、模拟盘、中英文打印机等设备来完成数据处理、信息显示、超限报警。

同时可进行人机对话，地面信息联网处理等。

国外煤矿环境（瓦斯）监测系统有代表性的产品为加拿大康斯塔克生产的森透里昂系统。

该系统在加拿大和美国得到广泛的应用。

据美国煤炭时代工程与采矿89年9月月刊介绍，该系统在美国煤矿的使用已占美国煤矿现使用的50%。

该系统应用软件是由美国软件公司编制的面向一切工业过程监测及控制的应用软件。

所需的硬件支持为一台IBMPC或PC/XT、PC/AT或其兼容机配有10MB的硬盘。

检测信号经干线驱动器后可以远传上百公里，传输调制方式采用两种，远距离传输采用移相键控PSK，近距离传输采用基带传输。

每套监测系统可以监控800个测点，最大可扩展为1600个测点。

传感器为智能化，煤矿井下不设分站，但设有干线驱动器。

该系统已在我国合资成立福深康斯塔克控制公司负责组装和生产。

1.2本课题研究的主要内容及要求

本课题的研究的目标是设计一种能够有效监测煤矿瓦斯气体的监测系统，能够实现瓦斯浓度的测量，将瓦斯的浓度传给单片机处理，当检测瓦斯的浓度大于设定报警浓度时，系统实现报警，并且将瓦斯的当前的浓度和设定报警浓度显示，再将瓦斯的浓度传给上位机。

由于煤矿井下工作环境比较恶劣，有易燃易爆的瓦斯和粉尘，对系统的设计有影响，因此，煤矿系统中所用的电器跟一般的电器有较大的区别，这就对煤矿电器有特殊要求，如体积要小，易于搬运，坚固，防潮防水，防爆，电气设备应有接地、过流、漏电保护装置，同时系统对数据的实时性和稳定性要求较高，系统的总体要求如下：

1）系统中所用到的设备应该满足煤矿安全要求；

2）实时性和稳定性好；

3）故障率低；

4）便于维修；

主要内容如下：

（1）传感器的选用

瓦斯传感器的原理多种多样，市场上销售瓦斯传感器也很多。

瓦斯传感器用来测量瓦斯的浓度，作为系统的第一站，可以说它是决定设计的成功与否，瓦斯传感器的选择相当的重要，根据系统的设计要求，应该选择具有灵敏度高、可靠性好、寿命较长的瓦斯传感器。

（2）系统具体硬件电路设计

系统要实现瓦斯浓度的测量，然后将测量的浓度与设定的报警浓度比较，并且将浓度进行显示，最后传给上位机。

系统的硬件电路设计包括瓦斯系统电源电路、传感器检测电路、信号处理电路、蜂鸣器报警电路、显示电路等设计。

（3）系统软件设计

系统的软件设计包括下位机程序设计和上位机程序设计。

（4）系统的调试及仿真

为了验证系统的设计的可行性，对系统的部分模块进行调试与仿真，主要包括两个方面，一是对键盘电路的仿真，二是对显示电路的仿真，系统的调试主要用Keil软件进行调试，电路的仿真则要借助Proteus软件来进行仿真。

第二章系统总体方案的确定

2.1系统总体结构设计

基于单片机的煤矿瓦斯监测系统主要由气体传感器、单片机、A/D转换、LED显示、蜂鸣器报警、键盘以及RS-485通讯接口等部分组成，其结构框图如图2-1所示。

采用单片机构成煤矿瓦斯监测系统的核心部分，使用气体传感器实现对瓦斯浓度的测量；使用键盘可以实现对纯净空气中瓦斯浓度的采取；通过LED可以显示瓦斯的当前的浓度；采用RS-485物理层，实现数据远传。

放大电路

单片机

模数转换

检测电路

显示浓度

瓦斯信号

信号输出

蜂鸣器警报

220V

稳压电源

图2-1系统总体结构框图

2.2系统工作原理

系统利用瓦斯传感器实现对瓦斯的识别和瓦斯的浓度的测量，通过信号处理电路将得到的瓦斯浓度信号进行放大处理以及模数转换，交给单片机处理。

对测量的瓦斯浓度与设定的报警浓度进行比较，当瓦斯的当前浓度大于设定浓度时，系统将进行蜂鸣器报警，并且对测量的瓦斯浓度进行显示。

为了进行零点修正需对干净空气中的瓦斯浓度进行采集，于是外加了一个键盘电路，通过RS-485可以将瓦斯的浓度传给上位机，便于更好的监控井下的状况，如图2-2所示，它是系统的控制面板，面板上包括小键盘、浓度显示、系统的电源开关和系统的复位开关等其他部件，可以实现系统的一些基本功能。

具体按键对应功能如下：

1）power：

开关键，用于开启下