单片机的井下瓦斯实时监测报警系统

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第２期卜宪敏，等：基于单片机的井下瓦斯实时监测报警系统７７
ＬＴＣｌ８６５，它是差分输入、单电源供电、双通道２５０ｋｓｐｓ的串行模数转换器，内有取样保持电路，封装形式为ｌＯ脚ＭＳＯＰ封装．
当工作在２５０ｋｓｐｓ采样速率时，其消耗电流仅为８５０ｐ．Ａ，并在转换间歇自动关断，避免电力消耗．与ＳＤＩ兼容的串行接口能简化设计工作，适用于ＡＤＣ转换与处理器需要隔离或相距较远的应用中，可减小信号远距离传输的附加干扰和隔离电路产生的误差，从而保证了ＡＤＣ的精度，节省采用光隔的模数转换的成本．与并行模式相比，串行模式进行Ａ／Ｄ转换具有精度高、功耗低、占用口线少的优点．ＬＴＣｌ８６５时序，如图４所示．
图４时序图
３．４显示电路
电信号经调理之后输出给单片机的Ａ／Ｄ转换端口，经过计算和处理之后变成百分浓度值在四位数码管上显示出来．用Ｐ２．０、Ｐ２．１、Ｐ２．２、Ｐ２．３来控制位选，采用动态扫描方式来实现功能．四位数码管与单片机外围接口电路接口电路比较简单，这里不再画出．
３．５报警及断电控制电路
报警设定值与断电设定值在调校时通过软件写入ＣＰＵ的ＥＥＰＲＯＭ存储器中，然后通过软件把采集的浓度值与之比较，超过报警设定值时则通过蜂鸣器和发光二极管声光报警¨１；若采集浓度值超过断电设定值，则向分站传送断电信号，由断电控制器切断井下电源，避免爆炸事故发生．
图５控制电路
声、光报警电路由低电平蜂呜器和发光二极管构成，均为低电平有效，分别由单片机的Ｐ３．６，Ｐ３．７１２１来控制．断电控制主要有Ｐ３．２端１３来控制，电路上外接一断电控制器来实现，当Ｐ３．２为低电平时，断电器触点闭合，断电有效；当为高电平时，断电器触点打开，断电控制关闭．Ｄ。

、Ｄ：起保护作用．
３．６红外遥控电路
本传感器采用红外遥控调校方式，红外接收器接到遥控器发出的编码信号后，由单片机进行解码，在对该编码信号识别后，根据事先的约定发出控制信号，从而执行相应操作．通用红外遥控系统由发射和接收两大部分组成，应用编／解码专用集成电路芯片来进行控制操作，如图６所示．发射部分包括按键电路、编码调制、ＬＥＤ红外发送器；接收部分包括光电转换放大器、解调、解码电路．红外遥控系统如图６所示：
图６红外遥控系统框图
３．６．１红外信号发射电路的编码
设计中采用ＳＣ６１２２编码方式．ＳＣ６１２２是一块用于红外遥控系统中的专用发射集成电路，采用ＣＭＯＳ工艺制造一Ｊ．它可外接６４个按键，其中有３组双重按键．ＳＣ６１２２所发射的一帧码含有一个引导码，１６位的用户编码和８位的键数据码．键数据码的反码也同时被传送．
引导码由一个９ｍｓ的载波波形和４．５ｍｓ的关断时间构成，它作为随后发射码的引导．这样，当接收系统是由微处理器构成的时候，能更有效地处理码的接收也检测及其它各项控制之间的时序关系．编码采用脉冲位置调制方式（ＰＰＭ）．利用脉冲之间的时间间隔来区分“０”和“ｌ”．采用脉宽调制的串行码，以脉宽０．５６５ｍｓ、间隔０．５６ｍｓ、周期为１．１２５ｍｓ的组合表示二进制的“０”；以脉宽为０．５６５ｍｓ、间隔１．６８５ｍｓ、周期为２．２５ｍｓ的组合表示二进制的“Ｉ”．每次８位的码被传送的同时，它们的反码也被传送，以大大减少系统的误码率¨０｜．
３．６．２红外信号接收电路
设计中所采用的红外接收管为ＨＳ００３８Ｂ【ｌ¨，其特点是：体积小，抗光和电的干扰性强，输出信号没有突变以及上电初始化时间短等．另外它内部已经集成了光电转换，放大装置和解调电路．但是为了本身电路取得更好的信号接收效果，它专门有一个接收电路与之配合使用．
３．６．３硬件结构及功能
键盘共设置了４个按键，分别为ＳＷ。

功能，ＳＷ２万方数据
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基于单片机的井下瓦斯实时监测报警系统
作者：卜宪敏， 喻波
作者单位：卜宪敏(日照广播电视大学信息工程系,276826,山东省日照市)， 喻波(中煤国际工程集团南京设计研究院,210031,江苏省南京市)
刊名：
曲阜师范大学学报（自然科学版）
英文刊名：JOURNAL OF QUFU NORMAL UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE EDITION)
年，卷(期)：2010，36(2)
被引用次数：0次
1.杨敬波.孙海龙零初值条件下系统的阶跃响应、脉冲响应及其传递函数的关系[期刊论文]-曲阜师范大学学报(自然科学版) 2004(2)
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3.王召纯自动检测技术 2002
4.李萍AT89S51 单片机原理、开发与应用实例 2008
5.杨帮文最新传感器实用手册 2004
6.陈卫红智能型低浓度瓦斯报警器 2005(5)
7.张福学传感器应用及电路精选 1992
8.肖景和实用报警电路300例 2005
9.高峰单片微机应用系统设计及实用技术 2002
10.吴秀清.周荷琴微型计算机原理与接口技术 2001
11.李全利.迟荣强单片机原理及接口技术 2004
12.周志敏.周纪海开关电源实用电路 2006
1.学位论文李战胜基于模糊模式识别的瓦斯预测报警系统2004
瓦斯是煤矿生产中的有害气体,它严重威胁着矿工生命和国家财产的安全,瓦斯己成为造成中国煤矿恶性事故的"第一杀手".为了防止瓦斯爆炸事故的发生,人们使用了多种监测方法和监测仪器.目前中国矿井瓦斯检测的主要手段是采用光学干涉瓦斯计,这种方法虽然准确、安全,但必须借助于人工的方法,且不能连续监视井下瓦斯浓度的变化.该文所设计的瓦斯预测报警系统可以连续监测井下的瓦斯浓度变化.瓦斯预测在国内外的研究还比较少,针对目前的现状,该文设计出一种带有模糊模式识别专家系统的瓦斯预测报警系统.该系统成功将凌阳科技股份有限公司近年推出的基于SOC的16位μ'nS P<'TM> CPU单片机应用到系统的设计当中,同时还把模糊模式识别的理论以及专家系统的知识运用到其中,这两点是该论文的创新之处.此外,该系统还利用凌阳单片机强大的语音编辑功能来实现瓦斯的预测报警功能.该系统选用基于SOC的16位μ'nS P<'TM> CPU凌阳单片机开发系统作为设计平台,该单片机具有集成度高、易于扩展、较好的低功耗和功耗管理功能、较强的中断处理能力和高效的指令系统等优点.该文对于它的特点和开发系统也作了简要的介绍.同时在该系统中还运用模糊模式识别的方法对采集到的瓦斯数据进行分析和判别,从而对现场的瓦斯浓度做出正确的判断,及时准确地进行报警,以便能够采取一些相应的应急措施来降低瓦斯事故发生的可能性,从而达到准确及时地预测报警功能.最后进行实验室仿真,仿真实验证明该系统运行良好.
2.期刊论文徐长安.XU Chang-an基于AT89C52单片机的智能型瓦斯检测仪的设计-中州煤炭2007,""(3)
介绍了AT89C52单片机的性能及特点,以及以其为核心的一种低成本、高精度、微型化、数字显示的瓦斯检测报警仪.该装置利用传统的黑白元件来实现对瓦斯的检测,利用单片机的功能完成系统的控制.
3.期刊论文张福才.ZHANG Fucai基于ADuC834单片机的瓦斯气体检测仪的设计-工业仪表与自动化装置2009,""(3)
介绍了一种基于ADuC834单片机的瓦斯气体检测仪硬件结构与软件设计的方法,该检测仪采用传统的黑白元件作为传感器来实现对瓦斯气体的检测,整个检测仪具有体积小、功耗低、A/D转换速率快及良好的应用前景等特点.
4.学位论文贺绍林基于变流检测的智能瓦斯检测仪研究2009
目前用于煤矿井下瓦斯气体检测的检测仪主要有光干涉式、热导式、半导体气敏式、红外光谱吸收式、电化学式和载体催化燃烧式六种，广泛使用的载体催化瓦斯检测仪在检测高浓度瓦斯时，载体催化元件容易出现高温烧结的现象，致使传感器的灵敏度及测量的准确性变差。

本研究在深入研究了载体催化元件特性后，提出了一种新型变流瓦斯检测技术，它使载体催化传感器在检测瓦斯气体时始终处于恒温状态，可以使瓦斯检测的稳定性、响应速度、瓦斯浓度检测范围、检测仪使用寿命等技术指标极大的优于传统电桥检测方法。

本研究主要介绍了变流检测技术瓦斯传感的设计方案，并就该系统的理论基础、新型变流瓦斯检测仪的实现方法、硬件和软件设计等做了详细的讨论。

其中，硬件部分的研究包括变流检测电路、以AT89C51单片机为核心的数据处理单元及其外围电路、红外遥控接收电路等；软件部分包括主程序、脉冲占空比测量、零点漂移自校准、非线性修正、数据显示、片外存储器读写、频率信号输出等子程序。

本研究设计的变流瓦斯检测仪具有低功耗、高精度、宽量程、自动校零、校调周期长及使用寿命长等优点。

将这种新型的瓦斯检测仪应用于煤矿安全监测监控系统中，可以连续的测量矿井瓦斯浓度，为煤矿安全生产提供了有力的保障，同时该瓦斯检测仪也肯定会有广阔的应用前景和良好的经济前景。

5.会议论文李德臣.付廖凯.郭健鹏.王涛.刘宾.闫宇光基于Mega16单片机的瓦斯监测装置的设计2008
针对现有的许多瓦斯监测装置存在着可操作性差、显示不方便及反应速度慢等问题,设计开发了基于Mega16单片机的瓦斯监测装置。

该装置具有测量、通信、存储、查询、显示等功能,能够满足现场测量的需要。

6.期刊论文马向国.刘同娟PIC单片机在瓦斯报警设备中的应用-电子产品世界2006,""(10)
本文简要介绍了在单片机世界里日益成为主流产品的PIC单片机,并把它应用到瓦斯检测设备中的实际设计中,给出了系统硬件、软件、及电磁兼容性的设计方法.实践证明该系统性能稳定,抗干扰能力强,测量精度高,具有较高的实用价值.
7.学位论文何一文基于PIC单片机的煤矿智能监控系统2007
现阶段煤矿安全问题已经成为全社会关注的焦点,成为关系到人民生命财产,甚至影响建立和谐社会的重大问题.研发出高质量、高性能、高可靠性、低成本的煤矿瓦斯监控系统无疑对解决这一重大问题有很大帮助.采用瓦斯监控系统,能有效地对瓦斯抽放状态进行连续跟踪监测和实时调控,使之在最佳状态下工作.它还改变了过去瓦斯抽放只靠人工单一控制的局面,保证了安全抽放.
本文根据用户的需求,根据国家煤矿安全生产规范的要求,提出切实可行的瓦斯监控系统的整体方案.经过方案比较和调研工作,提出集数据采集,分析处理,控制及数据通讯等功能于一体的数字化集成系统设计方案,所设计的方案可以保证系统能高效,稳定地实现项目的所有要求.
根据整体方案,研制瓦斯监控系统的主要两个部分,智能瓦斯传感器和监控分站.智能瓦斯传感器能够满足客户的高精度,高可靠性,功能强大,功耗低的要求.而监控分站既可以采集各种现场信号,进行判断处理,又可将数据传送至地面的监控主机,由地面的监控主机也进行控制,实现对对象的"双重控制",增加了整个系统的可靠性.监控分站本身还带有液晶显示等,可现场进行各种参数的显示.
不论是智能瓦斯传感器还是监控分站都以PIC单片机为核心构成,PIC单片机最大优点表现在引脚少、功能强、可直接带LED负载、低耗能;较简便地实现掉电保护:外围配置简单、明晰,提高了整机的可靠性:并且具有较强的抗干扰性,大大提高了抵御外界的电磁干扰和本机控制电路的电磁干扰的能力.
在瓦斯传感器的开发中了设计了自校准电路和自动补偿软件,使仪器能够自动调整零点,自动补偿检测元件的漂移.这样就可大大延长校验周期,减轻了用户的负担(传统的瓦斯传感器需要每七天校验一次).
在瓦斯传感器的设计中采用了红外遥控技术,用遥控器来设置调整参数.
本文详细的论述了该系统的硬件和软件设计.对于监控主机软件部分,由于本人涉及较少,所以没有过多介绍.
该系统已有部分产品交付用户试用,经过几个月的运行,现工作完全正常,受到了用户的充分肯定和高度评价.
8.期刊论文韩中华.王长涛.张楠基于单片机的瓦斯报警器设计-电子产品世界2008,15(12)
以传感器技术和A/D转换技术作为系统设计的基础,实现瓦斯气体浓度信息的采集以及信号的转换.设计了系统硬件电路,给出相关测试结果,该系统硬件电路简单,控制可靠.
9.期刊论文彭硕基于MSC1211单片机的智能瓦斯监控系统-科技信息（科学·教研）2007,""(10)
在煤炭工业中,对井下瓦斯浓度的监控十分重要,先进的瓦斯监控系统是煤矿安全生产的重要保障.智能瓦斯监控系统是以MSC1211单片机为控制核心,采用变频调速驱动瓦斯排风电机,根据监测点瓦斯浓度进行风量调节,达到降低瓦斯浓度的目的,并实现瓦斯浓度的及时显示与超限报警等功能.
10.学位论文王昕高性能红外瓦斯检测系统的硬件设计2008
本论文研究一种新型的智能化红外瓦斯浓度检测报警系统。

在我国，煤炭行业中的瓦斯灾害始终是煤矿安全生产的大敌，目前己成为制约煤矿安全生产的主要因素。

因此，实时检测甲烷气体(瓦斯的主要成分)的产生源、泄漏源及浓度，对工矿安全运行，人身安全及环境保护有着十分重要的作用。

而目前国内矿井中用于甲烷检测的设备比较落后，这些设备探测范围小，反应时间长，且由于现有检测系统具有成本高、功耗高和设备庞大等特点，不适应大多数煤矿的需求，因此需要研制一种集成化、智能化、小型化的新型光学瓦斯检测报警设备，增强矿井的安全监测能力。

本论文阐述了红外瓦斯浓度检测系统的原理，设计了一种双光束差分式检测系统。

文中对红外吸收原理、检测方法以及气室光路结构等做了详细的阐述。

本论文重点介绍了红外检测系统的总体设计思想、系统的微弱信号检测技术以及检测系统的软、硬件设计，对如何应用低功耗的89S51单片机来完成多路数据的采集、处理判断、数据的显示和传输等一系列功能作了重点的分析和阐述。

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下载时间：2010年11月20日。