便携式瓦斯检测仪设计学位论文.docx

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便携式瓦斯检测仪设计学位论文

摘要

在我国，煤炭业绝大多数是井下开采，瓦斯爆炸是煤矿重大灾害事故之一，为了确保矿井的生产安全，国内已开发出很多种类型的瓦斯检测仪，但传统的瓦斯检测仪都普遍存在着体积较大、安装复杂的缺点。

因此开发研制便携式智能瓦斯检测仪对促进煤炭行业的安全生产具有重要的意义。

本文主要论述了一种便携式瓦斯检测仪的工作原理，并给出了系统硬件原理电路设计与软件系统流程。

该系统主要由电源模块、催化燃烧式气体传感器模块、单片机控制模块、键盘、LED显示器和声光报警模块等部分构成。

该装置将单片机的适时控制及数据处理功能与传感技术相结合，不仅可精确检测井下空气中的瓦斯浓度，还能根据瓦斯浓度的大小及时发出声光报警信号，而且可通过LED显示装置显示出瓦斯的浓度。

关键词：

瓦斯检测；MJC4/3.0L气体传感器；AT89C51单片机

Abstract

InChina,thevastmajorityofundergroundcoalminingindustry,coalminegasexplosionisoneofmajordisasters,inordertoensureminesafety,thedomestichasdevelopedmanytypesofgasdetector,butallthetraditionalcommonalarger,installationofcomplexdefects.Thereforedevelopedaportablegasdetectorintelligentcoalindustrytopromotesafetyisofgreatsignificance.

Thispaperdiscussesaportablegasdetectorworks,andgivestheprincipleofcircuitdesignhardwareandsoftwaresystemprocesses.Thesystemmainlyconsistsofpowersupplymodule,catalyticcombustiongassensormodule,microprocessorcontrolmodule,keyboard,LEDdisplayandsoundandlightalarmmoduleparts.Thedevicewillbesinglechipcontrolandtimelydataprocessingcombinedwithsensortechnologycannotonlyaccuratelydetecttheconcentrationofgasundergroundintheair,butalsoaccordingtothesizeofthegasconcentrationintimeaudibleandvisualalarmsignals,andcanbedisplayedthroughtheLEDdisplaydevicethegasconcentration.

Keywords:

Gasdetection;MJC4/3.0Lgassensor;AT89C51microcontroller

第1章概述

1.1课题的研究目的和意义

煤矿中含有大量的易燃易爆气体，发生事故后会造成巨大的经济损失，甚至危及矿工的生命。

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的不断延伸，安全上的隐患也越来越多。

瓦斯事故在煤矿事故中所占的比例越来越高。

因此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好转，也就无法保障煤炭工业的持续健康发展。

所以，对煤矿中的瓦斯气体进行快速准确的检测显得尤其重要，对瓦斯气体检测仪表的研究和开发也一直是人们关注的问题。

为了确保矿井的生产安全，防止瓦斯爆炸，国内外煤矿研究所在此领域进行了很长时间的研究，开发出很多种类型的瓦斯检测仪，但目前已有的瓦斯检测仪器都普遍存在着体积较大、安装复杂、操作不便、智能化程度低等缺点。

因此开发研制便于携带、多功能、精度高的智能型瓦斯检测仪对促进煤炭行业的安全生产具有重要的现实意义。

1.2国内外发展状况

瓦斯检测技术是随着煤炭工业发展而逐步发展起来的。

1815年，英国发明了世界上第一种瓦斯检测仪器——瓦斯检定灯。

利用火焰的高度来检测瓦斯浓度；20世纪30年代，日本发明了光干涉瓦斯检定器，一直沿用至今；20世纪40年代，美国研制了检测瓦斯浓度的敏感原件——铂丝催化元件；1954年，英国采矿安全所研制了最早的载体催化元件。

电子技术的进展推动了瓦斯检测控制装置的进一步发展。

我国矿井瓦斯检测技术经历了从简单到复杂，从低水平到高水平的发展过程。

从新中国成立初期到20世纪70年代，煤矿下井人员主要使用光学瓦斯检测仪，风表等携带式仪器检测井下参数。

20世纪60年代初期，我国开始研制载体催化元件，随着敏感原件制造水平的提高，使检测技术进入了新的发展时期。

20世纪70年代瓦斯断电仪问世，装备在采掘工作面，回风港道等井下固定地点，实现了对瓦斯的自动连续检测及超限自动切断被控制设备的电源的功能。

随后，我国陆续对研制便携式瓦斯提出了许多检测方法，如热传导法、半导体气敏传感器法、光干涉法、催化燃烧法等。

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。

通过了解国内外瓦斯浓度检测系统的发展历史和发展现状，根据各种方法相对存在的缺点进行些许完善，从而要研究一套低成本、便于携带及高性价比的便携式瓦斯检测仪器，采用模块化设计方法完成控制系统软硬件设计来提高系统可靠性及稳定性的方法。

1.3课题研究的主要内容

本文主要研究的是便携式瓦斯检测仪设计的硬件电路及软件程序设计，其主要内容如下：

第一章为概述，主要说明了本设计的主要研究目的和意义，还介绍了在瓦斯检测系统中所涉及到的各种技术和发展情况。

第二章介绍了瓦斯的性质和瓦斯爆炸及其条件，还介绍了传统的瓦斯检测方法及其原理概述。

第三章为硬件设计，对该瓦斯检测单元模块的各部分电路作了详细的介绍和讲解，分析了电路的构成和基本工作原理并进行说明。

第四章为软件设计部分，首先介绍了系统总的设计流程，然后分为各个模块，并对部分模块进行程序编写。

本文的重点是第三章和第四章，主要对瓦斯检测单元部分进行软硬件的设计，并实现既定的功能。

第2章瓦斯的性质和爆炸条件及其检测方法

这章我们要了解两个内容。

首先要了解的是瓦斯的性质和瓦斯的爆炸及其条件。

其次是瓦斯的传统检测方法，如热传导法、半导体气敏传感器法、光干涉法，并主要说明了本设计采用的催化燃烧法。

2.1瓦斯的性质

瓦斯的主要成分是沼气，一般煤矿瓦斯多指沼气（甲烷）。

沼气是无色、无味、无臭的气体；常温常压时呈气态；相对于空气的比重是0.554；难溶于水；扩散性较空气高1.6倍；无毒，但浓度很高时，因氧含量减少会引起人窒息死亡；不助燃，在空气中达到一定浓度时（5%-16%CH4）遇高温能引起爆炸，引爆温度一般大于650℃，在空气中沼气浓度大于16%CH4时，遇火燃烧。

沼气与氧气在高温下的反应是发光、放热反应，其反应方程式如式（1-1）所示[1]。

（1-1）

1mol的沼气完全氧化后，放出的热量和理论值为882.6kj。

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[2]。

2.2瓦斯爆炸及其条件

瓦斯爆炸的条件是：

一定浓度的瓦斯、高温火源的存在和充足的氧气[3]。

1、瓦斯浓度。

瓦斯爆炸有一定的浓度范围，我们把在空气中瓦斯遇火后能引起爆炸的浓度范围称为瓦斯爆炸界限。

瓦斯爆炸界限为5％-16％。

当瓦斯浓度低于5％时，遇火不爆炸，但能在火焰外围形成燃烧层，当瓦斯浓度为9.5％时，其爆炸威力最大（氧和瓦斯完全反应）；瓦斯浓度在16％以上时，失去其爆炸性，但在空气中遇火仍会燃烧。

瓦斯爆炸界限并不是固定不变的，它还受温度、压力以及煤尘、其它可燃性气体、惰性气体的混入等因素的影响[4]。

2、引火温度。

瓦斯的引火温度，即点燃瓦斯的最低温度。

一般认为，瓦斯的引火温度为650℃-750℃。

但因受瓦斯的浓度、火源的性质及混合气体的压力等因素影响而变化。

当瓦斯含量在7％-8％时，最易引燃；当混合气体的压力增高时，引燃温度即降低；在引火温度相同时，火源面积越大、点火时间越长，越易引燃瓦斯。

高温火源的存在，是引起瓦斯爆炸的必要条件之一。

3、氧的浓度。

实践证明，空气中的氧气浓度降低时，瓦斯爆炸界限随之缩小，当氧气浓度减少到12％以下时，瓦斯混合气体即失去爆炸性。

如果有新鲜空气进入，氧气浓度达到12％以上，就可能发生爆炸。

瓦斯爆炸和燃烧跟氧气浓度的关系如下图1-1所示。

图1-1瓦斯爆炸和燃烧跟氧气浓度关系图

2.3瓦斯的检测方法

本世纪初以来，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，如热传导法、半导体气敏传感器法、光干涉法，并主要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。

这里还主要说明了本设计所采用的催化燃烧法。

下面对这些方法进行说明。

2.3.1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，电桥就会失去平衡，输出端输出一个与瓦斯浓度变化成比例的电信号。

该法用于高浓度瓦斯测量时效果较好。

而当瓦斯浓度较低时，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，所以该法不适用于低浓度瓦斯的检测。

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[5]。

2.3.2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、分析测量等方面获得广泛应用。

但半导体气敏器件在低浓度下灵敏度高，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。

2.3.3光干涉法

光学瓦斯检测仪是采用光干涉原理，测定沼气和二氧化碳等多种气体的一种便携式检测仪器。

如图2-1所示。

表示两个相干波列，相干波列会在相遇的区域内产生干涉现象，这种现象又称波的干涉。

两个相干波在相遇的干涉区域内，某些点的振动始终加强，而另一些的振动始终减弱，在加强处产生亮条纹，而在减弱处产生暗条纹。

此法是利用甲烷和空气对光在气室中的光程差的变化来测定甲烷浓度。

光干涉式瓦斯检测仪具有结构简单，安全性好，测量精度高，寿命长，使用可靠，适用气种广泛，故障少等优点，客观存在的主要缺点是测量时受环境气压和温度的影响；测量时受背景气体影响，目前，一些国内外研究者致力于用线阵CCD摄像器件实现光电转换，将干涉条纹的位移量转换成电信号输出。

但所有与大气折射率不同的气体与瓦斯一样，也均会产生干涉条纹，造成误检测，这是无法克服的缺点。

图2-1