瓦斯检测.docx

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瓦斯检测

致谢

本论文是在****老师的指导下完成的。

四年内，****老师在学习和生活上给予了我无私的支持，还有热情的关怀!

在此谨向我的指导老师致以崇高的敬意和衷心的感谢！

感谢****对我的培养！

感谢辅导员老师和为我授课的所有老师对我的谆谆教导和生活中给予的无私帮助！

感谢各位老师在毕业论文开题报告和中期检查报告之中提出的宝贵意见！

在设计制造过程中，相关硬件在焊制的时候和软件在调制的过程中得到了一些同学的帮助和指导，在此对他们表示衷心的感谢！

感谢****等同学的大力支持和帮助！

感谢感谢2008级测控全体同学的鼓励和帮助！

感谢我的父母和家人对我的支持！

感谢本文中所引用的各位著、编、译者！

向百忙之中评阅本文的专家、教授和老师致以深深的敬意！

由于笔者水平有限，文中的不足之处恳请各位专家批评和指正！

****2012.6.

摘要

从我国煤炭生产的现状及我国能源结构战略规划均可看出，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”的甲烷爆炸事故更是重大事故发生率之首。

在去年，又接连发生了多起甲烷爆炸事故，事故的结果触目惊心，因此通过强化甲烷管理，提高通风、甲烷监测监控水平，已经成为中小型煤矿甲烷监测监控的最迫切的任务之一。

鉴于单片机STC89C51具有高集成度等优点，开发设计了一种基于STC89C51的甲烷报警器，为了提高系统的灵敏度和准确性，系统采用了一种十分稳定的瓦斯传感器，并采用A/D0809模/数转换器和单片机相接通。

输出装置数码管可以适时的显示瓦斯的浓度大小，该报警器对瓦斯（

）进行实时检测与控制，当甲烷的浓度超过允许值时，控制电路进行报警。

关键词：

甲烷；单片机；传感器；报警器

Abstract

FromthestatusquoofChina'scoalproductionandstrategicplanningofChina'senergystructurecanbeseeninthemiddleofthiscenturyago,coalisstillthemainsourceofenergy,coalproductioninsupportofournationaleconomicdevelopment,asapillarofChina'senergyindustry,itsstatuswillbelongandstable,butthesafetysituationofthecoalindustryisnotoptimistic,particularlyofsmallandmedium-sizedcoalmines,hasbeenadirectthreattothestabilityoftheentirecoalindustryproduction,causedgreatlossestothestatepropertyandpeople'slives,asfirstofallevil"methaneexplosionisthefirstofthemajoraccidentrate.Frommethaneexplosioninthelastyear,aspateofaccidentsresultsshocking,throughenhancedmethanemanagement,improveventilation,methanemonitoringandcontrollevel,hasbecomeoneofthemosturgenttasksofmonitoringandcontrolofsmallandmedium-sizedcoalminemethane.

InviewofthethemicrocontrollerSTC89C51theadvantagesofhighintegration,developmentanddesignbasedonSTC89C51methanealarm,inordertoimprovethesensitivityandaccuracyofthesystem,thesystemusesaverystablegassensors,andwithA/D0809modeA/Dconverterandthemicrocontrollerisconnected.Digitalcontroloftheoutputdevicecandisplaythesizeofthegasconcentrationtimely,thealarmonthegas（）forreal-timedetectionandcontrol,whentheconcentrationofmethaneexceedstheallowablevalue,thecontrolcircuitalarm.

Keywords:

methane;microcontroller;alarm;sensor

目录

引言1

1概述3

1.1课题背景3

1.2甲烷报警器的概述5

1.3课题研究的目的及意义5

1.4系统总体设计任务6

2方案设计7

2.1初始化方案7

2.2系统方案的选择和确定8

2.3基于单片机的甲烷浓度检测及报警系统的设计9

3主要元器件介绍12

3.1元器件的选择：

12

3.2主控芯片STC89C51（压缩）12

3.2.1芯片主要性能参数：

13

3.2.2芯片引脚功能说明14

3.2.3MCS——51单片机的中断系统15

3.2.4MCS-51的定时器/计数器23

3.2.5MCS——51的时钟电路和复位电路29

3.2.6MCS——51单片机的最小系统31

3.3模数转换芯片ADC080932

3.3.1芯片主要性能参数33

3.3.2芯片内部结构及引脚功能说明34

3.3.3ADC0809的工作过程35

3.4瓦斯传感器的类型及参数36

3.4.1主要特性37

3.4.1.1稳定性37

3.4.1.2灵敏度37

3.4.1.3选择性37

3.4.1.4抗腐蚀性38

3.4.2主要原理及分类38

3.4.2.1半导体气体传感器38

3.4.2.2电化学型气体传感器39

3.4.2.3固体电解质气体传感器40

3.4.2.4接触燃烧式气体传感器40

3.4.2.5光学式气体传感器41

3.4.2.6高分子气体传感器41

3.5八段LED数码管43

3.5.1LED数码管的分类及显示编码43

3.5.2LED数码管两种接法的选择45

3.5.3LED数码显示方式及电路46

4系统功能单元设计47

4.1主控模块电路的设计47

4.2气体浓度检测模块电路的设计48

4.3响应模块电路的设计49

4.4设计的硬件电路50

5程序设计51

5.1语言选择51

5.2程序流程图（主程序）51

5.3有关程序的几点说明52

5.3.1ADC0809输入时钟脉冲的计算52

5.3.2有关中断需注意的几点53

5.3.3延时函数的算法53

5.3.5蜂鸣器报警信号的产生方法54

5.4单片机编程54

6总结与展望60

引言

当今，单片机微型计算机技术迅猛发展，由单片机技术开发的智能化测控设备和产品广泛应用到各个领域，单片机技术产品和设备促进了生产技术水平的提高。

而此次的一氧化碳报警及自排系统正是单片机应用系统中的一种。

单片机应用系统由硬件和软件组成。

硬件是指单片机扩展的存储器、输入/输出设备以及各种实现单片机系统控制要求的接口电路和有关的外围电路芯片或部件；软件是指单片机应用系统实现其特定控制功能的各种工作程序和管理程序。

只有系统硬件和软件紧密配合、协调一致，才可能组成高性能的单片机应用系统。

在单片机应用系统的开发过程一般包括系统的总体设计、硬件设计、软件设计和系统调试几个阶段。

这几个系统开发阶段并不是相互独立、各自进行的，而应根据开发的实际需要，相互协调、交叉，有机的进行。

实现气体浓度监测离不开高性能的气体传感器。

从广义上讲，传感器就是能感受外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置。

狭义上讲，传感器就是能将外界信息转换成电信号的装置。

随着新技术和自动化的发展，传感器的使用数量越来越大，一切现代仪器、设备几乎都离不开传感器。

在工业生产中，尤其是自动化生产过程中，用各种传感器来检测和控制生产过程中的各个参数，如温度、压力、流量、PH值等，以便使设备工作在最佳状态，产品达到最好的质量。

此次设计中所利用到的气体传感器就是要测量甲烷气体浓度的动态信息，并且利用数模转换芯片将浓度值转换为数字值，实现整个系统的检测与报警功能。

本文的甲烷浓度检测及报警装置就是单片机应用系统的一种典型应用，要求能够检测甲烷气体浓度，并且在气体浓度超过给定值的时候报警。

近几年，又接连发生了多起甲烷爆炸事故，事故的结果触目惊心，因此通过强化甲烷管理，提高通风、甲烷监测监控水平，已经成为中小型煤矿甲烷监测监控的最迫切的任务之一。

煤矿生产安全监控系统虽在国内已有生产和应用，但还没有一种真正适合于中小型煤矿使用的产品，我国从八十年代初期开始引进煤矿生产安全监控系统，历经了直接引进、消化吸收、仿制配套、自主开发的过程，但迄今为止的产品大多都是面对大型矿井设计的，而且自身尚有一些有待解决的问题

如:

·造价高，系统最基本的配置过于庞大，运行费用大

·传感器测量稳定性差，调校频繁，寿命短

·系统安装、维护复杂，操作不便，人机界面较差

·系统设备可靠性差

·必须依赖专业的维护队伍，对人员技术，素质有较高的要求。

国外的监控系统技术理论上讲高于国内发展水平，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，价格过高不适于国内煤矿现有条件，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。

综上所述，开发研制适用于中小型煤矿生产安全监控系统的任务迫在眉睫，而根据我国煤矿生产和管理模式，依照我国的有关技术标准，其技术的先进性、产品的可靠性和实用性则是本项目的关键所在。

随着电子技术与计算机技术的发展，面对各种检查对象和大量的测试点，需要利用数据采集系统将多路被测量转换成数字量，再经过单片机或微型计算机进行数据处理，实现实时测控。

而此时采用单片机来实现一氧化碳报警不仅具有采集控制方便、简单、灵活等优点，而且可以大幅度提高采集点的技术指标，从而大大提高系统的可利用性。

此次的设计正是把ADC0809与89C51单片机有机的结合起来，实现了数据采集系统，也符合了本设计的要求。

1概述

1.1课题背景

煤矿井下的瓦斯主要来自煤层和煤系底层，它是由腐植型有机物在成煤过程中形成的全部气体的统称。

其主要成分是甲烷，也称沼气（CH4），还有二氧化碳（CO2）、氮（N2）。

此外，还有少量的硫化氢（H2S）、氢（H2）和一些重烃和稀有气体等。

由于矿井瓦斯的主要成分和主要危害是沼气，因此，长期以来人们习惯上把沼气称为瓦斯。

沼气是无色、无味、无臭的气体。

比空气轻，对空气的比重为0.544，故在井下巷道的上部、顶板冒落地点的顶部和独头上山的掘进工作面易于积聚沼气。

沼气本身无毒性，但不能供呼吸。

当空气中沼气浓度较高时，就会相对降低氧的含量，使人窒息。

沼气不能助燃，但当它在空气中达到一定浓度时，遇火能燃烧或爆炸。

在成煤过程中生成的沼气，经过漫长的地质年代，大部分已排放入大气，只有一小部分至今仍被保存在煤体或围岩中（煤层保持沼气量的多少，主要取决于煤及围岩的透气性、地质构造以及煤的埋藏深度，吸附性能及孔隙性等）。

可是，就是这一小部分，倘若发生事故，便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地不断延伸，安全隐患越来越多。

瓦斯事故，特别是重、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地检测显得尤其重要，对易燃易爆混合气体检测系统的研究和开发也成为人们一直关注的问题。

伴随气体传感器的发展，气体检测仪器不断更新。

其类型根据检测对象可分为可燃性气体检测仪、毒性气体检测仪和氧气检测仪等；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；便携式仪器用泵吸式采样，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。

世界各国也均有煤矿瓦斯气体检测的系统，如波兰的DAN640O、法国的TF200、德国的MINOS和英国的Senturion—200等，其中全矿井综合检测控制系统有代表性的产品有美国MSA公司生产的系统，德国BEBRO公司的PROMOS系统。

但是这两种系统只是基于井下检测，并无数据上传，不能实现智能化监控。

我国检测技术应用较晚，80年代初，从波兰、法国、德国、英国和美国等引进了一批安全检测系统，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KJZ、KJ4、KJS、KJ10、KJ13、KJ19、KJ38、KJ66、KJ75、J80、KJ92、KJ95、KJ101等煤矿有害气体检测系统，在我国煤矿已有大量使用，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扰动，造成检测结果不准确，易出现误报警等现象。

我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，也是世界上少数几个以煤为主要能源的国家之一。

虽然通过煤炭生产、加工和利用等各个环节，提供了相当多的就业机会，但每个环节却同时带来了环境污染、安全等一系列的问题。

其中之一便是有害气体影响，包括

等。

后两种气体含量少，且

易溶于水,经煤矿开采时的喷水处理后变成酸。

但是CH4气体含量多，且几乎不溶于水，属于易燃易爆气体，发生爆炸事极易造成人身伤害。

因此，认识并设计检测这种气体的新型系统，显得非常重要。

瓦斯（CH4）是在成煤过程中形成并大量贮存于煤层之中的气体，是煤矿井下危害最大的气体。

瓦斯是一种无色、无味的气体，密度为

，对人体的危害是超限时能引起人窒息死亡。

其有易燃、易爆等特点，因此煤矿对瓦斯的治理应非常重视。

瓦斯的灾害主要表现为四个方面。

第一、瓦斯浓度过高，对工人身体健康的影响表现为缺氧，呼吸困难，窒息等。

第二、瓦斯煤尘爆炸，瓦斯爆炸所产生的巨大冲击波和高温火焰，往往导致群死群伤，而且扬起的煤尘又会参与爆炸，摧毁巷道，毁坏设备，甚至毁灭整个矿井，给国家和人民生命财产造成巨大损失。

第三、煤中瓦斯突出。

突出直接影响着工人的人身安全。

第四、大量的瓦斯从通风井排入大气，污染大气环境。

我国煤矿的瓦斯灾害是比较严重的，瓦斯灾害始终是煤矿安全生产的大敌，目前已成为制约煤矿安全生产的主要矛盾。

因此，设计先进适用的煤矿气体检测系统对煤矿工业安全生产，减少事故发生和生命财产损失有重要意义，市场应用前景十分广阔。

1.2甲烷报警器的概述

由于瓦斯气体本身的危险性和对人民生产生活造成的巨大危害，因此对瓦斯气体的检测和报警是一项必要的工作。

瓦斯报警是指利用气体传感器技术，将检测到的瓦斯气体浓度和标准值进行比较，当高过一定浓度值时候进行相应的声光报警，提醒正在作业的人员进行相应的处理，组织人员撤离或对矿井通风排气，避免不安全事故的发生，对现在采矿业的安全起着非常重要的作用。

笔者所设计一种低成本的可燃性气体报警器设计，能够监控矿井的瓦斯气体的浓度，显示测量结果，并对当前的环境状态做出判断，发出报警信息。

煤矿安全仪器是用来检查测量矿井安全状况的物质手段。

测量是人们对自然界的客观事物取得数量观念的一种认识过程。

在这一过程中，借助于专门的技术工具，通过实验方法，求出以所采用的测量单位表示的未知量的数值大小。

测量的目的是为了在限定的时间内尽可能正确地收集被测对象未知信息，以便掌握被测对象的参数及控制生产过程。

本次设计的检测引用的是甲烷传感器。

伴随气体传感器的发展，气体检测仪器的种类也在不断更新。

本文采用的CH4气体传感器选用具有较高性能价格比的STC89C51单片机作为硬件电路的核心，设计甲烷气体检测仪表的电路。

系统软件部分采用了模块化设计，为以后对系统的升级提供了良好的接口，使后继开发人员可以方便快捷地改变系统设置。

STC89C51单片机作为硬件电路的核心在输出端和蜂鸣器相连。

瓦斯检测仪在井下工作，对环境气体中的瓦斯浓度进行检测；当瓦斯浓度超过预先设定的上限值时，蜂鸣器系统发出报警。

通过一系列的传感器，A/D转换器，单片机和蜂鸣器最终达到报警的目的，实现煤矿安全的基本要求。

1.3课题研究的目的及意义

我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，也是世界上少数几个以煤为主要能源的国家之一。

据不完全统计，2003年中国煤炭产量占世界产量的35%，可事故伤亡人数却占80%。

2004年中国有6009名煤矿工人因发生矿难而死亡。

在这些事故中，瓦斯爆炸又占绝大多数，瓦斯灾害已成为煤矿安全生产的大敌。

虽然通过煤炭生产、加工和利用等各个环节，提供了相当多的就业机会，但每个环节却同时带来了环境污染、安全等一系列的问题。

其中之一便是有害气体影响，包括CH4，CO，

等。

后两种气体含量少，且

易溶于水,经煤矿开采时的喷水处理后变成酸。

但是CH4气体含量多，且几乎不溶于水，属于易燃易爆气体，发生爆炸事极易造成人身伤害。

因此，认识并设计检测这种气体的新型系统，显得非常重要。

瓦斯（CH4）是在成煤过程中形成并大量贮存于煤层之中的气体，是煤矿井下危害最大的气体。

瓦斯是一种无色、无味的气体，密度为

，对人体的危害是超限时能引起人窒息死亡。

其有易燃、易爆等特点，因此煤矿对瓦斯的治理应非常重视。

瓦斯的灾害主要表现为四个方面。

第一、瓦斯浓度过高，对工人身体健康的影响表现为缺氧，呼吸困难，窒息等。

第二、瓦斯煤尘爆炸，瓦斯爆炸所产生的巨大冲击波和高温火焰，往往导致群死群伤，而且扬起的煤尘又会参与爆炸，摧毁巷道，毁坏设备，甚至毁灭整个矿井，给国家和人民生命财产造成巨大损失。

第三、煤中瓦斯突出。

突出直接影响着工人的人身安全。

第四、大量的瓦斯从通风井排入大气，污染大气环境。

我国煤矿的瓦斯灾害是比较严重的，瓦斯灾害始终是煤矿安全生产的大敌，目前已成为制约煤矿安全生产的主要矛盾。

因此，设计先进适用的煤矿气体检测系统对煤矿工业安全生产，减少事故发生和生命财产损失有重要意义，市场应用前景十分广阔。

因此开发出这样一个能适时检测瓦斯浓度并能进行报警的煤矿安全仪器是十分必要的。

1.4系统总体设计任务

当前，随着采矿技术的不断发展，井下作业的安全越来越有保障，但是仍然有许多采矿企业的机械化程度低，对现场采矿的工作人员的生命安全造成潜在的威胁，特别是针对瓦斯气体的检测和报警仍旧存在隐患，每年由于瓦斯泄露造成的特大事故依然很多。

瓦斯是在成煤过程中形成并大量储存与煤层之中的气体，是煤矿井下危害最大的气体。

瓦斯是一种无色无味的气体，主要成份是甲烷（CH4），密度为0.716kg/m3，对人体的危害是超时限能引起人窒息死亡。

在地下采矿时候，井内常常会泄露一定量的CH4、CO和SO2等气体，后一种含量少，切易溶于水。

经煤矿开采时的喷水处理后变成酸。

但前两种气体含量多，且几乎不溶于水，属于易燃易爆气体。

因此，在本设计中，主要实现的是甲烷浓度的检测，对于其他两种气体暂不作介绍。

要求设计的瓦斯浓度监测及报警装置系统应实现如下功能:

报警器需在甲烷浓度达到1%时启动报警装置。

具体实现如下功能：

在正常工作状态下，实时检测环境中甲烷浓度，当未达到设定浓度值时，数码管进行动态的显示，第一个LED绿灯应长亮，第二个LED绿灯处于熄灭状态，蜂鸣器处于关闭状态，马达工作回路处于断开状态；当室内甲烷浓度达到1%时系统应启动蜂鸣器报警，接通马达工作回路，同时第一个绿灯熄灭，第二个绿灯点亮。

另外有必要的话，本次设计也可以加入一个矩阵键盘的功能，实现人机交互的通道，可以实现随时更改气体浓度的阈值。

2方案设计

2.1初始化方案

本设计思路展开：

（1）根据设计所要求实现的基本功能，设计大概应该分为信号采集，信号处理，信号控制和信号响应四个部分。

A.信号采集部分即通过甲烷传感器检测井下甲烷浓度，并将这种变化量转换成电压或者电流等模拟量的变化

B.信号处理部分是将接收部分得到的电压或电流等模拟量进行信号放大、滤波、模数转换等（视情况而定），为后一部分信号控制提供准备。

C.信号控制部分是通过预定控制方式等实现对设计要求的准确操作。

D.信号响应是通过事故处理部分和显示部分实现控制部分的要求。

（2）对上述四个部分进行分析，得到如下一些基本的结论：

A.信号接收部分为了能准确采集到气体浓度的变化，使其检测井下气体浓度，必须选用甲烷传感器。

B.信号处理部分应该根据实际情况选用电荷放大，或比较器等装置，这部分电路将包含在传感器接口电路中。

C.控制部分如果要实现精确控制，采用单片机较为合适。

D.信号响应部分，主要使用蜂鸣器，LED灯和马达，也可加入数码管做浓度显示。

根据对上面设计系统的分析，我们得到该设计思想框图如图2.1所示：

图2.1设计思想框图

2.2系统方案的选择和确定

鉴于此系统所要实现的功能，起初提出了两套方案进行分析。

方案一：

采用数字电路控制。

采用传感器检测房间气体浓度，将检测到的浓度结果通过电压比较器，与设定好的浓度阈值（电压阈值）进行比较，进而控制报警及自排。

分析：

此设计十分简单，成本很低，。

但是对井下气体浓度的采集控制不是很精确，并且不能显示当前浓度值。

方案二：

以单片机为核心的控制方案。

采用传感器检测井下气体浓度，将检测到的浓度结果送入模/数芯片中进行模—数转换，利用MCS-51单片机处理数据，实时显示当前浓度值，精确设置浓度阈值，进而准确控制报警及自排。

分析：

此设计方法虽然成本略有增加，但是，在实际应用过程中，其控制更加精确，浓度显示功能也让用户感觉更加放心，并且有利于系统功能的扩展。

两套方案的初步电路图如图2.2所示：

图2.2两套方案

最后根据设计要求，同时兼顾用户需求，安全性，可扩展性以及适当成本等诸多问题，我们选择方案二作为本次设计的主体电路。

2.3基于单片机的甲烷浓度检测及报警系统的设计

确立了以单片机为核心的控制方案后，在设计过程中就需要解决两个主要部分：

硬件的设计和控制软件的程序编写。

硬件部分：

瓦斯浓度监测及报警装置的硬件主要有3大部分，即检测模块、主控模块和响应模块。

硬件的设计需要单片机、模电及其数电的相关知识。

在解决这一问题的过程中，需要查阅大量资料，结合所学知识，向老师获取帮助。