基于FPGA的便携式甲烷浓度测试仪的设计2

目录

1 绪论 (1)

1.1 瓦斯气体概述 (1)

1.1.1 瓦斯气体性质 (1)

1.1.2 瓦斯气体的爆炸 (2)

1.2 煤矿瓦斯检测仪的发展状况 (2)

1.3 本课题的研究意义 (3)

2 系统总体方案设计 (5)

2.1 系统总体构成及工作原理 (5)

2.2 系统的设计原理 (6)

2.2.1 传感器的选择 (6)

2.2.2 无线数据传输模块的选择 (9)

2.2.3 FPGA芯片、VHDL语言简介 (11)

3 系统硬件设计 (13)

3.2 A/D转换模块 (13)

3.2.1 ADC0809概述 (13)

3.2.2 数模转换电路 (16)

3.3 无线传输模块设计 (16)

3.4 LED显示电路设计 (18)

3.5 报警电路设计 (19)

4 系统软件设计 (21)

4.1 PTR2000无线传输模块 (22)

4.1.1 PTR2000模块程序设计 (22)

4.1.2 串行无线传输协议设计 (22)

4.1.3 发射端程序设计 (23)

4.1.4 接收端程序设计 (28)

4.2 AD转换程序设计 (31)

4.3 码制转换子程序 (34)

4.4 显示译码子程序 (36)

5 总结 (40)

参考文献 (41)

附录 (42)

致谢 (44)

1 绪论

中国煤炭产量高居世界第一，国家一直把煤矿的安全生产作为重中之重，给予高度的关注。在我国的煤矿生产事故中，瓦斯造成的伤亡和损失成为实现安全生产的最大障碍。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灾害的频发，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。所以及时准确地检测瓦斯浓度和报告危险在安全生产中具有重要意义[1-2]。

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，开发出很多类型的瓦斯检测仪，但目前的瓦斯检测仪都普遍存在体积大、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，精度高的瓦斯检测仪对促进煤炭行业安全生产具有重要的现实意义。

1.1 瓦斯气体概述

要设计一个瓦斯浓度检测仪，就必须，明确研究对象的性质及其爆炸所需的条件等，只有在明确了研究对象之后，才能很好地对其进行检测，下面就将对瓦斯气体的特性和爆炸条件进行详细地介绍。

1.1.1 瓦斯气体性质

瓦斯是煤矿开采过程中的多种有害气体的总称，它有自己的性质和特点，是可以被控制和利用的。矿井瓦斯是指从煤体和围岩中逸出的以及在生产过程中产生的多成分的混合气体，包括：CH4、CO2、CO、N2、C2H6、SO2、H2S等。主要成分是甲烷、一氧化碳和二氧化碳、硫化氢等。甲烷是矿井瓦斯的主要成分，是一种无色无味的气体，不助燃，但当与空气混合到一定浓度时，遇明火能燃烧或爆炸，爆炸界限为5～16%；空气中甲烷浓度超过40%时，空气中的氧含量将下降到12%以下，此时空气与甲烷的混合气体不再发生爆炸，但能将人窒息[3]。

1.1.2 瓦斯气体的爆炸

矿井爆炸是一种热---链式反应（也叫链锁反应）。当爆炸混合物吸收一定能量（通常是引火源给予的热能）后，反应分子的链即行断裂，离解成两个或两个以上的游离基（也叫自由基）。这类游离基具有很大的化学活性，成为反应连续进行的活化中心。在适合的条件下，每一个游离基又可以进一步分解，再产生两个或两上以上的游离基。这样循环不已，游离基越来越多，化学反应速度也越来越快，最后就可以发展为燃烧或爆炸式的氧化反应。所以，爆炸就其本质来说，是一定浓度的和空气中度作用下产生的激烈氧化反应。

瓦斯在煤体和围岩中以游离状态和吸附状态存在，一般情况下处于动态平衡，当外界温度、压力变化时，几种状态会互相转化，煤层在开采过程中，瓦斯被逸散出来，在井下积聚，造成瓦斯浓度增加，当CH4浓度达5%～16%时具有爆炸性，CH4浓度为9.5%时，爆炸威力最大，CH4浓度小于5%或大于16%时，一般不会爆炸，遇明火只会燃烧，瓦斯爆炸的上下限是可变的，当现场混合气体的温度和压力发生变化或混入煤尘及其它可燃气体时，可影响瓦斯爆炸的上下限，如空气中的煤尘含量为10～12mg/m3浓度达到4%时，遇火就会爆炸。要消除引爆火源，必须严禁明电、明火下井，禁止明火放炮，要求井下电器设备必须防爆[4]。所以控制瓦斯浓度是防止瓦斯爆炸的根本，实时掌握瓦斯浓度状况是煤矿安全的头等大事。

1.2 煤矿瓦斯检测仪的发展状况

多年来市场上用于瓦斯浓度检测的仪器主要有：气相色谱仪，气敏元件传感器，光学干涉仪等。

(1)气相色谱仪

该类仪器可以检测甲烷、二氧化碳等多种气体，测量范围大而且精度很高，但成本较高，目前国内一台这样的仪器要8万元。这种仪器的缺点是：体积较大，无法方便携带，工作环境要求很高，无法进行野外探测；测量时要先对气体取样，无法实时探测，功率很大一般达到2500W，需要与计算机相连。这种仪器目前主要应用在实验室内。

(2)气敏元件传感器

该类仪器是以“催化”元件作为传感元件，利用催化元件在不同浓度的瓦斯中使电桥电阻发生变化而制成的，是目前矿井中最常见的瓦斯检测手段。它的特点是：体

积小、重量轻、线性度较好、可实现电量输出、使用方便、价格便宜。但当甲烷浓度较大时，催化元件温度过高会使催化剂氧化或者烧断铂金丝而损坏仪器。该仪器的缺点是：测量范围有限、精度较低、响应时间长。

(3)光学干涉仪

该类仪器利用光干涉的原理，两束光所经过光程相同时，干涉条纹不发生移动。如果气样室中气体的成分发生改变，则折射率会发生改变，光程也会发生变化，所看到的干涉条纹就发生移动。当两个气室的温度等条件相同时，由于甲烷的折射率n=1.000411，而空气的折射率n=1.000272，便可以利用测量干涉条纹的移动对甲烷的浓度进行定量分析。这种仪器在使用中必须消除二氧化碳和水蒸气的干扰。一般要在仪器的进气口处加一个吸收管，装入碱石灰和氯化钙以吸收二氧化碳和水蒸气。光学干涉仪的特点是：使用的条件要求不高，精度可以达到0.1左右，一般矿井中的瓦斯安全员用的多为这种仪器。缺点是：当水蒸气含量较高时，测量精度下降，需要经常更换药品；仪器的安装较困难，读数不方便，读数的精度直接与使用人员的操作有很大关系；测量范围有限，精度不高[2]。

综合来说，目前市场上的每种系统都存在量程小、体积大、功耗大、需短期内校准、使用寿命短、无数据传输方式等其中某种或某几种缺点。因此十分需要研制一种新型瓦斯浓度检测仪以克服现有设备存在的各种问题，使其具有微型化、智能化、低功耗、无线化并能够准确的测量出现场的瓦斯浓度。

1.3 本课题的研究意义

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，煤炭仍将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，目前煤炭工业的安全生产状况却很差，其中之一便是有害气体的危害性，包括CH4，CO，SO2等。瓦斯(CH4)是煤矿井下危害最大的气体，它是在成煤过程中形成并大量贮存于煤层之中的气体，无色、无味，有易燃、易爆等特点。瓦斯的危害主要表现为三个方面：第一、瓦斯浓度过高，对工人身体健康造成伤害，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、大量的瓦斯排入大气，污染大气环境。目前我国已经使用的瓦