综合课程设计报告模板轻院.docx
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综合课程设计报告模板轻院
河北联合大学轻工学院
综合课程设计
设计说明书
班级:
测控四班
学号:
200815020407
姓名:
王振
电气工程学院
2012年01月12日
综合课程设计成绩评定表
设计题目
煤矿瓦斯检测报警系统
姓名
王振
班级
测控四班
答辩小组成员(职称):
龚瑞昆(教授)、张湧涛(教授)、赵延军(副教授)
说明书主要内容:
中国煤炭行业的安全形势却不容乐观,尤其是重大安全事故屡屡发生。
在这些事故中,瓦斯爆炸有占绝大多数。
这其中,固然有很多诱发因素,但个煤矿生产企业安全监测设备不完备、管理手段落后是造成事故的重要因素之一。
论文设计的内容是煤矿监测报警器,论文的内容从题目上看就可知道要分两部分来解决:
一是煤矿瓦斯的监测,二是系统的报警。
在本文中,我们设计介绍了一种基于甲烷传感器MQ-4和单片机AT89S51的煤矿瓦斯监测报警器。
我们给出了其硬件组成及软件的设计方案,使其能达到进行瓦斯监测的预期目标。
本设计的硬件电路包括浓度检测,A/D转换,单片机系统,键盘电路,数据显示电路及各控制电路;软件设计包括浓度采集,数据转换及处理,键盘扫描,动态显示及浓度控制等。
通过软硬件的设计可实现对瓦斯浓度的监测并且当其浓度超过预警值时可进行声光报警并排风以降低瓦斯浓度。
评定成绩:
答辩小组组长:
年月日
目 录
2.1系统框图……..…………………………………………………………………..5
2.2工作原理…..……………………………………………………………………..6
3.1单片机的选用……………………………………………………………………7
3.11单片机AT89S51…………………………………………………………...7
3.12AT89S51的引脚……………………………………………………………7
3.2浓度测试部分电路……………………………………………………………...9
3.21气体传感器选择…………………………………………………………..10
3.22MQ-4的测试电路及灵敏度调节…………………………………………10
3.3A/D转换电路…………………………………………………………………...13
3.31A/D转换器的选型………………………………………………………..13
3.32ICL7109芯片简介………………………………………………………...14
3.33A/D转换部分电路………………………………………………………...15
3.4数据显示电路…………………………………………………………………..17
3.41显示器的选择…………………………………………………………….17
3.42数据显示部分电路……………………………………………………….18
3.5硬件单元电路中其他电路硬件……………………………………………….19
3.51电源电路…………………………………………………………………..19
3.52声光报警部分电路………………………………………………………..20
3.6主程序………………………………………………………………………….21
引 言
煤矿在开采煤炭资源过程中会伴随着多种灾害事故的发生,如瓦斯爆炸、煤尘爆炸、煤与瓦斯突出、中毒、窒息、火灾、透水、顶板冒落等。
在这些事故中瓦斯爆炸无疑是最严重的,它不光是造成的损失最大,发生的频率也是最大的,根据每年国家煤监局的事故统计来看,煤矿发生一次死亡10人以上的特大事故中,绝大多数是瓦斯爆炸,约占特大事故总数的70%左右,为此,瓦斯可称为煤矿安全的最大威胁者。
所以,分析瓦斯爆炸原因,制订瓦斯防治对策,就显得尤为重要。
一、瓦斯爆炸原因分析
1.瓦斯爆炸特点
根据多年对煤矿瓦斯爆炸事故统计分析,可以发现有如下一些特点:
①瓦斯爆炸多为特大事故,造成的损失巨大;②事故地点多发生在采煤与掘进工作面;③瓦斯爆炸造成的破坏波及范围大,破坏力极强;④多为火花引爆;⑤高瓦斯矿井、低瓦斯矿井均有发生;⑥瓦斯爆炸多发生在乡镇煤矿;⑦基建、技改矿井和转制矿井瓦斯爆炸事故容易发生等。
2.事故原因分析
煤矿发生瓦斯爆炸事故是由很多原因造成的,但总的来说分为客观原因和主观原因两种。
主观原因就是瓦斯积聚和引爆火源的存在;客观原因与自然条件、安全技术手段、安全装备水平、安全意识和管理水平等有关,发生瓦斯爆炸事故往往就是以上原因相互作用所导致的。
1文献综述
1.1课题背景
在我国的能源工业中,煤炭占我国一次能源生产和消费结构中的70%左右,预计到2050年还将占50%以上。
因此,煤炭在相当长的时期内仍将是我国的主要能源。
当前,我国经济的快速增长,对煤炭工业发展提出了更高的要求。
为此,必须加强安全生产,确保煤炭工业持续、稳定、健康发展。
我国95%的煤矿开采是地下作业。
煤矿事故占工矿企业一次死亡10人以上特大事故的72.8%至89.6%(2002-2005年);煤矿企业一次死亡10人以上事故中,瓦斯事故占死亡人数的71%。
煤矿所面临的重大灾害事故是相当严峻的,造成的损失是极其惨重的。
由于煤矿事故多,死亡人数多,造成了我国煤矿的百万吨死亡率一直居高不下。
特别是煤矿重大及特大瓦斯(煤尘)灾害事故的频发,不但造成国家财产和公民生命的巨大损失,而且严重影响了我国的国际声誉。
实际上,这些瓦斯事故的发生不是偶然的,它是以往煤矿生产过程中存在问题的集中暴露,涉及许多方面。
既有自然因素、科技投入和研究的不足,也有人为因素以及国家的体制、管理、经济政策,社会的传统观念,煤矿企业的文化素质等等。
我国煤层自然赋存条件复杂多变,影响煤矿安全生产的因素多,是造成事故的客观因素。
我国煤矿开采的煤层大多瓦斯含量大、透气性低且地质构造复杂,不易在开采前抽放瓦斯,但在采掘时,瓦斯放散量大,再加上开采煤层地质条件复杂和开采规模的扩大、开采集约化程度的提高,导致采动诱发的应力场、煤岩体裂隙场及瓦斯流动场的变化更加复杂多变,在一定条件下,容易诱发煤与瓦斯突出和瓦斯的突然涌出现象,造成瓦斯事故。
在目前的能源供应条件下,对高瓦斯矿井和瓦斯突出矿井,不可能采取停产关闭的措施。
为此,只能是自主开发与之相应的安全技术,以确保高瓦斯矿井和瓦斯突出矿井的安全生产。
多年来的实践证明,瓦斯浓度的监测监控器在监测煤矿井下安全状况,防范安全隐患方面起着重要作用,充分发挥其作用,是我国煤矿安全形势实现好转的关键。
近年来,国有重点煤矿瓦斯爆炸事故较少的原因之一,就是绝大多数煤矿的高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井安装了瓦斯浓度监测监控器。
综上所述,瓦斯浓度监测监控器所要实现的功能包括根据所选的瓦斯传感器来设定瓦斯浓度预警值,采集瓦斯浓度并进行浓度显示及处理。
当实际浓度超限时进行声光报警并同时控制排风扇进行排风以降低浓度含量。
所以开发设计出一种操作简单的瓦斯监测监控器,对有效的预防和减少瓦斯爆炸具有非常现实的意义。
1.2煤矿瓦斯监测现况
国内对瓦斯的检测以CH4检测为主,毒气的检测以CO检测为主;而国外用可燃性气体的检测代替单一CH4气体的测量,毒气包括H2S的测量。
单从我国技术发展上来说,我国在瓦斯监测监控系统的应用上起步较晚,上世纪80年代初才从国外引进了这一系统,而且仅用于部分国有重点煤矿,所以就瓦斯监测监控系统而言,目前也存在着不够完善的地方:
第一,我国煤矿的瓦斯灾害防治技术虽已处于世界先进水平,但防灾抗灾的安全仪表和装备的技术水平与国外相比差距较大。
第二,受技术条件限制,许多煤矿的瓦斯监测数据无法传输给集团公司或上级主管部门,仍未建立全集团或整个地区的瓦斯监测监控网络。
第三,已安装的瓦斯监测监控系统型号各异,信号传输方式不尽相同,有的采取时分制,有的采取频分制,还有的利用载波传输,给系统的管理、使用、维护以及联网带来诸多不便。
第四,由于瓦斯监测监控系统对气体传感器的精度、性能、稳定性方面的要求越来越高,因此对气体传感器的研究和开发也越来越重要。
1.3瓦斯监测的发展方向
随着我国电子技术以及各项科学技术的飞速发展,作为保证我国煤矿安全生产的有效措施之一的煤矿瓦斯监测监控技术在科研和应用方面必定会在原有基础上不断的加以完善,并取得长足的发展。
为了满足安全生产的需求,随着先进科学技术的应用,气体传感器发展的趋势应该是微型化、智能化和多功能化
2总体设计方案
2.1系统概述
随着超大规模数字集成电路、单片机技术的飞速发展,利用单片机及其它外围芯片实现对瓦斯的监测成为一种可能,并且成为一种发展趋势。
它具有体积小、操作简单、携带方便、功能较齐全等优点,而且性能价格比也很高,应用前景非常广泛。
因此此次设计整体上是基于AT89S51单片机来实现煤矿瓦斯浓度监测报警。
在这里我们运用到的气敏传感器是MQ-4,它是用来检测外部瓦斯的浓度(其检测到的浓度值为模拟量),并将检测到的模拟信号转化为电压信号输出出来。
然后再将电压信号输入到AD7109进行A/D转换变换成数字信号,并在51单片机的控制下将其输入,然后在内部软件编程下进行数值变换处理。
在单片机进行完数据处理后就将其结果输出显示,从而显示出瓦斯气体的浓度,其中显示部分我们采用四位的LED数码管,用于显示瓦斯浓度值。
若实际瓦斯浓度超限(浓度超限预警值可键盘控制输入)则在单片机的控制下进行声光报警。
提醒生产人员离开,避免生产事故。
2.2系统框图
图2.11系统框图
由图可以看出煤矿瓦斯监测报警器的硬件部分设计是以单片机系统为核心,用于整个设计的数据处理、声光报警电路等正常工作。
在这里我们选用ATMEL公司生产的8位单片机AT89S51,该种单片机与以往所采用的AT89C51相比新增加了很多功能,性能有了较大提升,片内4K的FLASH存储空间也能满足我们设计的要求,价格较之AT89C51基本不变甚至更低。
甲烷传感器采用MQ-4气敏传感器,用于探测采集瓦斯的浓度。
由于该传感器的输出信号为模拟电压信号,要想将采集到的数据送至单片机系统进行数据处理则需要将模拟信号转换成数字信号,所以在这里我们还要选用ICL7109芯片进行模数转换处理。
这里的ICL7109是一种双积分的12位A/D转换器,其性能价格比很高,是一种高精度、低噪声、低漂移A/D转换器。
瓦斯浓度显示部分采用四位的LED数码管显示,在这里我们采用动态扫描方法来显示各种参数。
2.3工作原理
在这里我们用甲烷传感器MQ-4来对煤矿瓦斯浓度进行检测,由于其检测所得数据模拟电压量而单片机只能对数字信号进行处理,所以在送入单片机中进行处理之前需先送入模数转换器ICL7109中进行模数转换,然后才能将转换所得数据送入单片机AT89S51中处理,这里的处理主要是指将输入进来的数据与我们设置的瓦斯爆炸预警值进行比较,在这里我们的预警值可通过键盘进行设置,显示其瓦斯浓度值。
。
3具体实施方案
3.1单片机的选用
在一块芯片上集成由运算器、控制器、储存器、输入/输出接口5个基本部分,则这种芯片为单片微型计算机,简称单片机。
以单片机为核心的硬件系统称为单片机系统。
目前单片机正朝着高性能和多产品方向发展今后的发展趋势将进一步向低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格、高速化、高可靠行方向发展。
3.11单片机AT89S51
经综合分析选用单片机AT89S51适合。
AT89S51是一种低功耗高性能的8位单片机,片内带有一个4KB的Flash在线可编擦除只读存储器,它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器技术,而且其输出引脚和指令系统和51系列单片机兼容。
片内的存储器允许在线重新编程或用常规的非易失性存储器编程器来编程。
同时已具有三级程序存储器保密的性能。
在众多的51系列单片机中,要算ATMEL公司的AT89S51更实用,因为它不仅和MCU-51系列单片机指令、管脚完全兼容,而且它将通用CPU和在线可编程Flash集成在一个芯片上。
这种单片机对开发设备的要求很低,开发时间也大大缩短。
3.12AT89S51的引脚
AT89S51是一个低功耗高性能单片机,40个引脚,32个外部双向输入/输出(I/O)端口,同时内含2个外中断口,2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,AT89S51可以按照常规方法进行编程,也可以在线编程。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起,特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
图3-1AT89S51引脚图
其中芯片74LS164为带清零端的串行输入/并行输出移位寄存器(8位),其管脚图和功能表如下
74LS164的管脚图
表3-374LS164功能表
输入
输出
CLK
A
B
—
L
Ⅹ
Ⅹ
Ⅹ
L
L
L
H
L
Ⅹ
Ⅹ
QA0
QB0
QH0
H
↑
H
H
H
QAn
QGn
H
↑
L
Ⅹ
L
QAn
QGn
H
↑
Ⅹ
L
L
QAn
QGn
H=高电平L=低电平Ⅹ=任意↑=电平上升
在使用时将A,B并接作为数据的串行输人端,CLK作为时钟端。
串行输入时,先将数据在A,B端准备好,在CLK端产一上升沿,则一位数据移至最低位QA;再将下一位数据准备好后,在CLK端产生下一上升沿,则下一位数据移至次低位QB,其余位顺次从低位到高位移动,这种时序符合串行器件特性,即把164当成一典型串行外设,可以用普通I/O口模拟其时序将数据移入。
3.2浓度测试部分电路
国内对瓦斯的检测以CH4检测为主,毒气的检测以CO检测为主;而国外用可燃性气体的检测代替单一CH4气体的测量,毒气包括H2S的测量。
现对煤矿的主要成分甲烷进行论述。
甲烷在自然界分布很广,是天然气、沼气、油田气及煤矿坑道气的主要成分。
它可用作燃料及制造氢气、碳黑、一氧化碳、乙炔、氢氰酸及甲醛等物质的原料。
化学号为CH4。
危险特性:
易燃,与空气混合能形成爆炸性混合物,遇热源和明火有燃烧爆炸的危险。
与五氧化溴、氯气、次氯酸、三氟化氮、液氧、二氟化氧及其它强氧化剂接触反应剧烈。
气体传感器又叫气敏传感器,主要用来监测气体的特定成分。
3.21气体传感器的选择
要进行—个具体的测量工作,首先要考虑采用何种原理的传感器,而这需要分析多方面的因素之后才能确定。
因为,即使是测量同一物理量,也有多种原理的传感器可供选用,哪一种原理的传感器更为合适,则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题:
量程的大小;被测位置对传感器体积的要求;测量方式为接触式还是非接触式;信号的引出方法,有线或是非接触测量;传感器的来源,国产还是进口,还是自行研制,价格能否承受。
MQ-4
瓦斯浓度测试部分电路是由气体传感器MQ-4组成的,其作用为将瓦斯气体的体积分数转化成对应的模拟电压信号并输出出来。
3.22MQ-4的测试电路及灵敏度调节
(1)测试电路
我们设计的MQ-4测试电路如图3-2所示,其中可调节电阻R3是用来调整传感器的灵敏度的。
图测试电路
(2)灵敏度调节
在对MQ-4的灵敏度进行调节之前首先要就要了解其灵敏度特性。
具体的灵敏度特性见表3-3及图3-3
表3-3MQ-4的灵敏度特性
符号
参数名称
技术参数
备注
Rs
敏感体表面电阻
10
—60
(5000ppmCH4)
适用范围:
300—10000ppm
甲烷,天然气
а
(1000ppm/5000ppmCH4)
浓度斜率
≤0.6
标准工作条件
温度:
20℃±2℃Vc:
5.0V±0.1V
相对湿度:
65%±5%Vh:
5.0V±0.1V
预热时间
不少于24小时
MQ-4型气敏元件的灵敏度特性
其中:
温度为20℃、相对湿度为65%、氧气浓度为21%RL=20kΩRs是指元件在不同气体,不同浓度下的电阻值。
R0是指元件在洁净空气中的电阻值。
由上可得MQ-4型气敏元件对不同种类,不同浓度的气体有不同的电阻值。
因此,在使用此类型气敏元件时,灵敏度的调整是很重要的。
在这里我们用5000ppm甲烷校准传感器进行校准。
其校准过程如下:
在测试条件下对传感器进行校准时,我们进行硬件部分电路的调试。
在调节确定MQ-4的可调负载电阻值时,以空气中甲烷浓度值为5000ppm时作为校准,此时观察显示部分电路,又因为要求显示的瓦斯浓度精度要求优于5%,即准确显示的范围为5000ppm(1
5%)也就是4750ppm~5250ppm的范围内,若不在该范围内则说明甲烷传感器的灵敏度不够高,需要进行调节。
而灵敏度的调节是依靠调节负载电阻RL来实现的。
我们调节RL使显示的瓦斯浓度值尽可能与实际相符合。
这样确定下来的RL的阻值,换言之传感器的灵敏度也就确定下来了,此时我们已经完成了甲烷传感器的校准。
校准后的传感器就可以用来监测实际中各个不同的瓦斯浓度了。
3.3A/D转换电路
A/D转换器(analogdigitalconverter简称ADC)是将输入的模拟电压或电流转换成数字量的器件或设备,即能把被控对象的各种模拟信息变成计算机可以识别的数字信息,它是模拟系统与数字系统或计算机之间的接口。
3.31A/D转换器的选型
A/D转换器是测试系统的一个非常重要的环节,其芯片种类多,性能各异,功能引脚不尽相同,实际应用中应根据分辨率和转换时间两个重要参数选择适当的芯片。
其中分辨率就是指A/D转换器可转换成二进制数的位数或BCD码的位数。
与一般测量仪表的分辨率表达方式不同,A/D转换器不采用可分辨的输入模拟电压相对值表示。
BCD码输出的A/D转换器一般用位数表示分辨率,换而言之,分辨率就是A/D转换器可以转换成数字量的最小电压。
在选用A/D转换之前,主要应根据使用的场合的具体要求,按照转换速度,精度,价格,功能以及接口条件来决定选择何种类型。
根据其性能指标,考虑到系统的精度我们这次选用了ICL7109转换器,它是一种高精度、低噪声、低漂移和低价格的双积分式A/D转换器,其数据输出为12位二进制数,配有较强的接口电路,能方便地与各种微处理机连接。
3.32ICL7109芯片简介
图ICL7109的管脚图
由ICL7109的引脚图可见其采用40脚封装,其中各个引脚的功能意义如下:
1脚:
GND,逻辑地。
2脚:
STATUS,工作状态输出端。
该信号为“1”时表示正在转换,为“0”时表示转换完毕。
4脚:
OR,超量程输出端。
为“1”时表示溢出,为“0”时表示正常。
5~16脚:
12位二进制数据输出端。
20脚:
/
,片选端,低电平有效,并同时配合21脚MODE信号工作。
27脚:
SEND,与外设进行数据交换控制端。
28、40脚:
V-、V+,电源负与电源正端。
32脚:
INT,积分器输出端,接积分电容
。
33脚:
COM,模拟公共端。
34、35脚:
INLO、INHI,差分输入低端与高端。
36、39脚:
REFIN+、REFIN-,基准电压输入正端与负端
37、38脚:
REFCAP+、REFCAP-,基准电容输入端。
3.33A/D转换部分电路
A/D转换部分电路是由A/D转换器ICL7109构成的,其主要作用是将气体传感器MQ-4所得到的模拟电压信号转换成数字量(该模拟电压信号与瓦斯气体的体积分数相对应),便于输入到单片机中进行数据处理。
图A/D转换电路
前面我们已经分析过气体传感器MQ-4完全符合此次设计的要求,所以在这里MQ-4的作用就是将气体瓦斯的浓度转换成与之相对应的模拟电压信号。
我们需要将该模拟信号转换成数字量,只有这样才能经过单片机进行处理。
在这里我们经过A/D转换器ICL7109将其进行转换。
ICL7109为12位的模数转换器,数据可分为低8位和高4位分时传送给单片机,由我们的电路图我们可以看出工作方式选择端MODE我们直接接地了,也就是说现在转换器的工作方式为直接输出方式,在该工作方式下我们可以在片选和字节使能的控制下直接读取数据。
而且工作状态输出端STATUS与单片机的INT1直接相连,这样完成一次转换便能向单片机发出一个中断信号,表明数据转换已完成,单片机此时可以接收数据。
具体的数据传输过程是由7109的片选
及低8位数据输出选通端
(低电平有效)和高4位数据输出选通端
(也是低电平有效)配合来完成,同时
也兼作极性位、溢出位选通端(主要用于判断传输数据的正误),我们将
,
分别接至单片机的P2.6和P2.7,同时将7109的片选端接至P1.7容易得知当P1.7为低(也就是说此时7109被选中可以进行数据的传输)且P2.6为低时低8位数据进行传输,而当P2.7为低时高4位数据进行传输。
3.4数据显示电路
3.41显示器的选择
我们选用LED数码管作为显示器件。
下图是八段数码管的引脚:
图2.51LED引脚图
各段码位的对应关系如下表:
表2.51段码位与显示位对应关系表
段码位
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
显示段
dp
g
f
e
d
c
b
a
字型和对应的共阴极段码如下表:
表2.52十六进制数及空白字符与P的显示段码
字型
共阴极段码
字型
共阴极段码
0
3FH
9
6FH
1
06H
A
77H
2
5BH
B
7CH
3
4FH
C
39H
4
66H
D
5EH
5
6DH
E
79H
6
7DH
F
71H
7
07H
空白
00H
8
7FH
P
73H
注:
(1)本表所列各字符的显示段码均为小数点不亮的情况;
(2)空白字符即没有任何显示
3.42数据显示部分电路
在显示器件的选择中我们采用了数码管进行显示数据。
其中数码管显示器有两种显示方式,即静态显示方式和动态显示方式。
由于此次显示电路是为了显示瓦斯浓度值且其浓度是变化的,所以我么采用动态显示。
由于采用动态显示,因此除了要给显示器提供显示段码之外,还要对显示器进行位的控制,即通常所说的“段控”和“位控”。
因此对于采用动态显示的电路来说,单片机都需要提供两种输出口,一种用于输出显示段码,另一种用于输出位控信号。
“位控”实际上就是对LED显示器的公共端进行控制,位控信号的数目与显示器的位数相同。
图3.42显示电路设计
显示电路设计为四位LED,由单片机89S51的串行输出口经串行输入转并行输出来控制段选,位选接在P1口的P1.3~P1.6。
这种设计是为了采用动态显示方式。
3.5硬件单元电路中其它电路硬件
本设计的硬件电路包括浓度检测,A/D转换,单片机系统,数据显示电路,键盘电路,还有电源电路和声光报警电路。
3.51电源电路
在此次设计中我们所用到的电源只有±5V,所以我们只需设计±5V的电源即可。
电源部分电路由220v交流电经整流,滤波,稳压后得到的,电路如下所示:
图电源电路
3.52声光报警部分电路
声光报警电路是由蜂鸣器和发光二极管组成的,用P1.0和P1.1作为声光报警电路的使能信号输出端。
为了提高声光报警电路的驱动能力均加有74LS04反向驱动器同时为了保证
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