基于单片机的煤矿瓦斯监测系统设计

XXXX大学课　程　设　计　说　明　书　学生姓名：学号：学院：专业：题目：基于单片机的煤矿瓦斯监测系统设计指导教师： 职称： 职称： ２０＊＊年１２月５日　设计题目基于单片机的煤矿瓦斯监测系统设计姓名班级答辩小组成员（职称）：说明书主要内容：（小摘要）１：目前我国煤矿的安全事故频频发生，其原因是多方面的，但井下安全监测手段落后是其中的一个主要原因。

这篇文章就是针对导致矿难频发的瓦斯浓度进行监控而设计的。

　２：针对瓦斯的特点，设计出同时监测高低浓度的瓦斯系统，全天候不间断的对井下瓦斯浓度进行监测。

　３：采用声光报警系统，一旦瓦斯超标，系统立即提醒正在井下作业的工人紧急撤离，避免人员伤亡，并且还运用红外遥控系统来进行远程监控。

　４：这种智能传感器采用闭环控制来确保采样的平稳。

　５：该传感器以ＡＴ８７Ｃ５５２单片机为核心，实现对瓦斯的检测、报警和控制。

适合各类煤矿瓦斯的监控，可以大大降低煤矿事故的发生，降低企业成本，提高煤炭开采率。

　评定成绩：答辩小组组长：年月日　目 次　引 言 (1)1 文献综述 (3)1.1 关于瓦斯 (3)１．１．１　矿井瓦斯监控技术．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．３1.2 系统原理介绍 (4)2 总体设计方案 (5)2.1 硬件电路介绍 (5)２．１．１　恒温控制信号取样电路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．６２．１．２　锯齿波发生电路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．７２．１．３　电压比较电路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．９２．１．４　脉冲电压稳幅电路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．９２．１．５　声光报警电路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．１０3 具体实施方案 (12)3.1 CPU模块设计- AT89S8252 单片机的结构及原理简介 (12)3.2 智能瓦斯传感器的设计 (12)３．３智能监控系统下位机的软件框架 (14)3.4 LCD显示器 (18)3.5 PID控制 (20)ＰＩＤ控制实现．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．２１3.6 软件流程图 (24)总结 (26)参考文献 (26)引 言在我国煤矿安全事故中，　瓦斯爆炸造成的伤亡人数占所有重大事故伤亡人数的７０　％　以上，　成为实现安全生产的最大障碍，　及时准确地检测瓦斯含量，　在安全生产中具有重要意义。

为了适应现代社会煤矿安全的要求，　针对我国中小型煤矿特别是小型煤矿存在的隐患问题，　现代化的、小型的、价格低廉的煤矿安全监测系统的研制势在必行，　它的研制在煤矿安全方面具有举足轻重的作用，　所以设计一种低成本煤矿瓦斯监测系统是适应我国许多中小型煤矿需求的。

　煤矿瓦斯是指矿井中主要由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体的总称。

有时也单独指甲烷。

瓦斯在空气的体积分数达到一定的程度（５％～１２％）时，在一定条件下可与空气中的氧气发生剧烈的化学反应而形成瓦斯爆炸，对煤矿安全构成严重威胁。

　传统的煤矿瓦斯监控系统大体可以分为两大部分：井下部分和井上部分。

井下部分主要通过各种检测设备（各种传感器，如风量传感器、负压（压力）传感器、一氧化碳传感器和矿用设备开停传感器等）来采集井下各种气体的浓度与含量、井下空气状况、设备的运转情况等数据，然后通过现场总线将数据传输到井上。

在井上，井下传上来的数据通过专线与煤矿安全管理办公室服务器和更高一级安全主管部门服务器连接。

服务器上面运行的是监控软件。

上面有井下每一个传感器的标签，所显示的数据通过上传数据的改变而不断刷新。

同时，监控软件还可以对这些数据进行汇总、处理、分析和存档，可以作为相关负责人员决策的重要依据。

并且监控软件具有超标自动报警功能，用来提示工作人员对设备的故障或现场瓦斯浓度情况，以及时采取措施，避免重大事件的发生。

　煤矿瓦斯监控系统系统的意义不言而喻。

以山西省为例，近几年，特别是２００６年以来，山西省煤炭系统在党和各级政府及安全部门的重视下，全省煤矿信息化工作有了新发展，取得了新成绩。

特别是由瓦斯监测监控系统建设所形成的全省煤矿四级信息网络平台，是计算机网络及信息技术用于瓦斯安全治理的一项创举，极大的促进了山西煤炭信息化工作。

山西省地方煤矿现有２８０６座矿井全部安装了瓦斯监测监控系统，已连网运行２６７１座。

这些系统的运用，极大的降低了煤矿瓦斯事故。

　我设计的是基于单片机的井下瓦斯浓度智能传感器，该系统以单片机ＡＴ８７Ｃ５５２为核心，包含甲烷浓度采样器、把２２０Ｖ的交流电转换成５Ｖ的直流电源、红外遥控系统、存储器的扩展、ＬＣＤ显示器和报警装置等组成。

该传感器可以有效的监测井下低浓及高浓瓦斯，试用范围非常广泛。

监测到的信息传输到单片机，经单片机处理后发出指令，如果瓦斯超过规定值，该系统可以立即发出声光报警并自动发出执行指令以降低瓦斯浓度。

　1 文献综述1.1 关于瓦斯1.1.1 矿井瓦斯监控技术矿井瓦斯监测监控技术是伴随着煤炭工业发展而逐步发展起来的。

１８１５年，英国发明的世界上第一种瓦斯监测仪器——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元件—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，如２０世纪７０年代后期法国研制的ＣＴＴ６３／４０Ｕ矿井监控系统、英国的ＭＩＮＯＳ系统、美国的ＳＣＡ—ＤＡ系统等。

　我国矿井瓦斯监控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定仪、风表等携带式仪器检测井下环境参数。

２０世纪６０年代初期，我国开始研制载体催化元件，随着敏感元件制造水平的提高和电子技术的发展，特别是大规模集成电路、微型计算机的广泛应用，使监控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。

随后，陆续研制了便携式瓦斯监控检测报警仪、瓦斯报警矿灯。

１９８３年至１９８５年，从欧美国家先后引进了数十套监控系统及配套的传感器和便携式仪器装备煤矿矿井，并相应地引进了部分监控系统、传感器和敏感元件制造技，由此推动了我国矿井安全监测监控技术的发展。

１９８３年以后，国内有多种型号矿井监控系统通过了技术鉴定，逐步实现了对煤矿矿井安全、生产多种参数的连续监测、监控、数据存储和数据处理。

近几年，随着计算机的发明和应用，特别是网络和信息化建设的不断发展，给瓦斯治理提供了机遇条件，煤矿瓦斯监控网络系统应运而生。

这些装备和系统的推广与应用，丰富了我国煤矿安全监控　产品的市场，改善了煤矿安全技术装备的面貌，缩小了我国与国外先进技术水平的差距。

　1.2 系统原理介绍电路简介　根据上述的变流瓦斯检测原理，设计了如图所示的变流瓦斯检测电路，该电路主要由电桥不平衡信号取样电路、锯齿波发生电路、电压比较器和脉冲稳幅电路四个部分组成。

　2 总体设计方案2.1 硬件电路介绍根据上节所述的变流瓦斯检测原理，设计了如图所示的变流瓦斯检测电路，该电路主要由电桥不平衡信号取样电路、锯齿波发生电路、电压比较器和脉冲稳幅电路四个部分组成。

　智能瓦斯监控系统总电路图　２．１．１　恒温控制信号取样电路与催化元件反应时产生的不平衡电压，而是用运放集成块组成运算电路，对电压信号进行处理，这样做的好处是抑制共模信号的能力增强了，同时由于黑元件上催化燃烧产生的电压只有毫伏级，不能直接与锯齿波信号进行比较，在Ｕｏ１的后面加入了同相比例运算电路，对前面输出的电压进行放大，以使其能与锯齿波电压进行比较从而输出所需的脉冲电压。

当有瓦斯气体时，在黑元件上发生催化燃烧，黑元件温度上升，其阻值也随之上升，它上面的电压升高，不难推出：　)()(2)(2)()0()()()0(214i CH i R R R R R i R R i iR R R i U U U 白白黑黑黑白黑白白黑−−++=−=−+=−=∆式中)0(黑R 、)0(白R 为无瓦斯时的阻值，)(i R 黑、)(i R 白为电流流经元件时温度上升产生的阻值，)(4CH R 黑为瓦斯气体在元件上燃烧时温度上升产生的阻值，前面已经提及，所谓的恒温是指温度在一个很小的范围内波动近似看成的，因此)(i R 黑、)(i R 白、)(4CH R 黑的值都是非常小的，故ΔＵ也很小，需要经过放大才能与锯齿波进行比较。

21213)1(U R R U f += 则 21211421142314211425)1(1()1(U R R R R U R R U R R U R R U f f f f f +−+=−+=2121731211421731142173217321211421731142173417351731])1()1[(1)(1()1(1(1)(1()1(nU mU U R R R R R R R R U R R R R R R U R R R R R R U R R R R U R R U R R U f f f f f f f f f f f f f f o −=+++−++=−++−++=−+=　适当选取电阻值，使ｍ＝１，ｎ＝２，这样便可获得瓦斯在黑元件上燃烧产生的电压。

　这里在实验室用ＱＪ２３单臂直流电桥对铂丝绕制的黑白元件的阻值进行了测定，当环境温度为１６℃～１９℃时，测得的黑白元件的阻值分别为８．２３６Ω和８．２２７Ω（实际上这时黑白元件的温度已经大于４００℃，达到了工作状态）。

在检测瓦斯时需要将催化元件加热到５００℃左右，给黑白元件提供３Ｖ的恒定电压，发生催化燃烧时，假设温度上升１０℃，这时候黑元件阻值变为１０Ω左右，电流大概是１５０ｍＡ，则黑元件上产生的电压大概为０．２６５Ｖ。

　12042)1(o f o U R R U +=　取204R R f 为１４左右，则可将瓦斯催化燃烧产生的电压放大到合适的幅值与锯齿波电压进行比较。

　２．１．２　锯齿波发生电路　５５５定时器是一种应用极为广泛的中规模集成电路。

该芯片使用灵活方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器，因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。

图９为ＮＥ５５５和Ｒ２，Ｒ３，Ｃ１组成的无稳态多谐振荡器：　　振荡器的输出频率为：　1321244.1C R R R f ++=　由此可算得输出频率为１ｋＨｚ，Ｃ２起正反馈作用，即在Ｑ１射级跟随器输出锯齿波的同时，正反馈至Ｒ２的上端，故在Ｃ１充电期间，Ｒ２上的压降保持不变，即Ｃ１的充电速率不变，因而极大地保证了锯齿波的线性。