瓦斯浓度监控报警系统的设计与仿真.docx
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瓦斯浓度监控报警系统的设计与仿真
瓦斯浓度监控报警系统的设计与仿真
摘要
随着我国经济的快速发展，对于煤炭的需求量越来越大，因此煤炭行业日趋旺盛，而由此引发的矿井安全问题也日益严重。
此次课题研究的是瓦斯浓度监控报警系统，课题是仿真模拟类的不需要做实物。
研究可以分为两部分：
一部分是瓦斯浓度监控，另一部分是系统的报警。
论文从瓦斯浓度监控报警系统的发展及状况出发，着重研究了我们这次基于单片机AT89C51和气体传感器MQ-5的瓦斯浓度监控报警系统。
此次设计的硬件设计包括信号采集电路、A/D转换电路、单片机最小系统电路、液晶显示电路和声光报警电路；软件设计包括A/D转换模块的程序编写、液晶显示的程序编写和声光报警的程序编写。
通过软硬件设计实现瓦斯浓度数据的采集显示和浓度超值时的声光报警功能。
这样可有效预防和避免由瓦斯燃烧而引发的一系列的矿难，从而可以避免不必要的人员伤亡和财产损失。
这个模拟系统实用性强并且安全可靠，可用于煤矿井下作业。
关键词监控报警/传感器/单片机/A/D转换
DESIGNANDSIMULATIONOFTHEGASCONCENTRATIONMONITORINGALARMSYSTEM
ABSTRACT
WithChina'srapideconomicdevelopment,thedemandforcoalisincreasing,sothecoalindustrywillbecomeincreasinglystrong,andtheconsequentminesafetyissuesarealsoincreasinglyserious.Theresearchisthegasconcentrationmonitoringofthealarmsystem,thetopicisakindofsimulationclass.Researchcanbedividedintotwoparts:
oneisthegasconcentrationmonitoring,anotherpartofthealarmsystem.Takingintoaccountthedevelopmentandconditionofthegasconcentrationmonitoringalarmsystem,thecoreofcomponentisAT89C51andmethanesensorisMQ-5thenmakingupthegasconcentrationmonitoringalarmsystem.Thedesignofthehardwaredesign,includingsignalacquisitioncircuit,A/Dconversioncircuit,thesmallestsingle-chipsystemcircuit,liquidcrystaldisplaycircuitandsoundandlightalarmcircuit;softwaredesign,includingA/Dconvertermoduleprogramming,LCDprogrammingandharmonylightalarmprogramming.Thiscaneffectivelypreventandavoidaseriesofminingaccidentscausedbygasburner,soastoavoidunnecessarycasualtiesandpropertylosses.Thissimulationsystemispracticalandsafeandreliable,thencanbeusedforminersworkingunderground.
KEYWORDSMonitoringalarm,Methanesensor,MCU,A/Dconverter
1绪论
1.1课题研究背景及意义
目前从我国煤炭生产状况和能源规划方面来看，煤炭至今乃至以后很长一段时期仍是我国的的主要能源支柱之一。
但是煤矿的安全生产问题仍旧面临严峻的挑战，其状况不容乐观，这直接危及到煤矿工业的稳定地位。
近年来，频频出现的瓦斯爆炸引起的矿难不仅给人民生命安全带来极大的伤害还带来了巨大的经济损失。
可以说瓦斯爆炸引起的矿难已经成为矿难之首了[4]。
因此通过加强瓦斯监控管理，提高瓦斯监控能力，是现如今解决中小型煤矿安全问题的迫切任务之一。
从多年来的实践经验中可以总结到，瓦斯浓度的监控系统在监测煤矿井下安全生产状况和避免安全隐患方面扮演着很重要的角色，它能够充分发挥作用，是我国煤矿安全形势得到扭转的关键所在。
这些年来，一些中小型煤矿安全生产状况大大好转就是得益于瓦斯浓度监控报警系统，因此绝大多数的矿井生产中都有瓦斯浓度监控报警系统。
总而言之，瓦斯浓度监控报警系统必须要实现的功能是能够根据甲烷传感器搜集采样的瓦斯浓度进行处理显示浓度值并在超过预定设好的浓度值时能够及时报警。
所以本次设计的瓦斯浓度监控报警系统具有很好的实用性和必要性，对于解决因瓦斯而造成的矿难有很好的使用价值[10]。
1.2国内外研究现状及发展方向
煤矿瓦斯的监测一直是各个煤炭生产国家所关注的主题，它是井下作业的安全保障，随着我国经济的飞速发展，对煤炭产业的要求越来越大，所需求的煤炭量也越来越大，这就使得煤炭的安全生产面临着十分严峻的挑战。
为了预防和避免瓦斯爆炸事故的发生，除了对于作业人员加强管理和改善井下的作业环境外，还必须建立一个性能可靠的瓦斯监控报警系统。
煤矿安全生产监控报警系统虽在国内已有很好的生产和应用，但是目前为止还没有一种真正适合于中小型煤矿使用的设备，我国从八十年代初期开始引进煤矿生产安全监控报警系统，经历了直接引进、消化吸收、仿制配套、自主开发的过程，但目前为止的产品大多数都是面对大型的矿井设计的，而且自身仍然有一些尚未解决的问题，例如:
（1）整体设备的安全可靠性差
（2）传感器的使用寿命短，测量数据不稳定，易受外部环境温度的影响
（3）由于系统配置很庞大所以生产成本很高
（4）无法独立实现实时控制，对于技术员的要求很高
（5）系统在安装和维护方面不方便
国外的瓦斯监控报警系统技术在理论上讲优于国内的发展，但是直接应用于国内的煤矿仍然有一定的局限性，比如两者的煤矿管理模式和生产方式不同，并且价格过高不适合国内煤矿现有的条件，除了可以在传感器技术方面借鉴外，其它的一般仅具一定的参考价值[6]。
伴随着气体传感器的快速发展，气体监测仪器和系统在不断地更新。
根据监测对象的不同和仪器结构和方法的不同可以分为好多类型的。
每一种类型都有其优点和缺点，代表着瓦斯浓度监控报警系统的不断发展和进度。
不论是在国内还是在国外，它的发展发向都是很明确的，这样就给矿井的安全生产带来了很大的好处。
1.3课题的主要研究内容和要求
瓦斯浓度监控报警广泛用于社会上各个大小煤矿的安全生产中，瓦斯是矿井中最大的安全隐患。
本论文设计的系统是采用合适的AT89C51单片机控制，利用AT89C51进行控制相对来说简单、比较容易控制、可靠性高、抗干扰性强、精度高并且体积大大减小。
利用合适的气体传感器，在选择气体传感器时，应当具有实用、合适、灵敏度高等特点[12]，这样采集瓦斯气体浓度，可以将监测到的瓦斯浓度和标准的进行比较，并且当瓦斯浓度高于一定的浓度值时，由单片机控制处理并进行相应的声光报警。
本设计旨在实现系统的使用简单、实用性高、灵敏度高、误差小等优点。
本次设计主要研究内容是：
（1）实时监控矿井瓦斯浓度值并传给单片机进行处理；
（2）当瓦斯浓度超过设定值时，蜂鸣器报警并且发光二极管点亮；
（3）基于AT89C51单片机控制并要按要求完成一篇完整的论文设计。
在明白本次设计中的主要研究内容后，基于此有了一定的要求，要求如下：
（1）理解单片机在煤矿瓦斯浓度监控报警系统中的作用；
（2）掌握监控煤矿瓦斯浓度的重要性以及该系统组成和各个组成的工作原理；
（3）知道煤矿瓦斯浓度提高的因素并对系统的硬件结构进行设计；
（4）知道单片机怎样控制煤矿瓦斯的浓度并对系统软件进行设计。
该系统的设计，基于简明、实用、科学的原则，一切从整体出发，从实际的可靠使用性出发，要能够突出系统的可靠性、免培训、免维护特点以及系统本身在结构上的简明性和完整性，把对作业人员的专业技术要求降到最低，充分发挥这个系统在整体设计上的优势，使系统整体性能达到最佳状态，并且功能强大和操作简单。
2系统功能和主要元器件的说明及方案选择
2.1系统功能描述
此次设计是在整体上基于AT89C51单片机来实现煤矿瓦斯气体浓度监控与报警。
在这里用到的气体传感器是MQ-5，它是用来监测空气中瓦斯的浓度值（该气体传感器监测到的浓度值为模拟量），并将监测到的模拟信号转化为电压信号并且输出来。
出来的电压信号输入到ADC0832进行A/D转换而由此转换成数字信号，并在AT89C51单片机的控制下将数字信号输入，最后在软件编程下进行数值变换处理。
单片机处理完数据之后就将其结果输出显示，这样就显示出了瓦斯气体的浓度值。
其中显示部分采用的是LCD1602液晶显示器，用于显示出瓦斯浓度值。
如果瓦斯浓度超过预定设置的值就会在单片机的控制下进行声光报警。
这样可以提醒作业人员立马离开，可以避免矿难事故的发生。
2.2系统方案选择
2.2.1系统设计方案选择
针对此次设计的要求，现在有两种设计方案：
总体方案一：
基于FPGA的设计方案
图2-1总体框图
方案一总体框图如图2-1所示，FPGA（Field－ProgrammableGateArray），意思是现场可编程门阵列，它的编程单元的结构是静态存储器结构。
该元件从理论上讲，具有无限次可重复编程的能力[2]。
它不像PLD那样因为结构而受到限制，这样也就可以依靠门与门的连接来实现比较复杂的逻辑电路，相比较而言它更适合于实现多级的逻辑结构。
本系统的核心是FPGA，充分利用了本身的优点，是一个效率比较高的设计方案，从框图中可以看出FPGA是核心处理模块，其他的模块都是在围绕这个模块而工作。
系统可以分两个部分，前一部分主要是关于搜集采样传感器的信号，包括信号的监测和A/D转换。
气敏传感器输出的信号送给ADC0832转换成数字信号，最终送给FPGA来处理，FPGA进行处理之后将气体浓度显示到LCD1602上，当检测到的气体浓度超过预先设定的值时，系统便会声光报警。
这个系统的可靠性强，容易实现，但考虑到FPGA作为核心电路，成本问题不得不是个很大的障碍[3]。
因为此次设计普及范围要广一些，不适合在实际生活中的应用。
总体方案二：
基于单片机的设计方案
图2-2总体框图
方案二总体框图如图2-2所示。
这个系统是以单片机AT89C51为核心,系统所要实现的功能与第一个方案一样，具有瓦斯浓度监测处理显示和报警的功能。
在这里用单片机完全可以取代了方案一的FPGA的功能,使得设计成本大幅度的下降，具有很高的实际开发价值。
两个方案中气敏传感器在采样瓦斯浓度时的精度都会受到外部环境的影响[3]。
考虑到大学期间对于FPGA的学习并不是很熟悉，所以采用了方案二。
方案二更加节能并且在成本和简单性上都优于方案一。
2.2.2传感器的选择
甲烷浓度检测仪器根据工作原理的不同，可以有下列几种分类:
（1）光干涉式
光干涉式所利用的原理是光波对空气和甲烷的反射波程差不同，引起的干涉条纹的移动来测定不同浓度的甲烷。
它的优点是测量准确度高，并且对于高低不同浓度的甲烷都可以测量。
它的缺点是浓度的显示不明确，容易受到外界环境温度的变化[13]。
并且光学元件在加工制作方面很复杂，所需要的成本也很高。
（2）热催化式
热催化式所利用的原理是甲烷在催化元件上的燃烧所引起的电阻的变化来测定甲烷浓度的。
它的优点是元件的加工和生产相对简单，成本也较低。
并且灵敏度也很高，对于1%浓度的气样，电桥的输出可以超过15mV，在处理和显示方面简单，受外部环境温度的影响较小，还能够实现自动检测[17]。
它的缺点是探测元件的寿命很短并且还不能够测试高浓度的甲烷。
这种在大多数矿井中广泛使用。
（3）热导式
热导式所利用的原理是对空气和甲烷的热导率不同来实现对甲烷浓度的测量的。
它的优点是仪器和元件在制作生产过程中简单，成本低，使用寿命长。
它的缺点是测量低浓度的甲烷时不精确，输出的信号小，容易受外部环境温度的影响[14]。
（4）红外线式
红外线式所利用的原理是甲烷能够吸收一定程度的红外线。
它的优点是测量精度高，不受外部环境温度的影响，并且还可以实现连续不断的测量；它的缺点是在制造和保养方面很难达到，成本比较高，难以大范围的普及。
（5）气敏半导体式
气敏半导体式所利用的原理是当气敏半导体被加热到200摄氏度时，它的表面因能够吸附甲烷使得电阻发生变化。
它的优点是低浓度的甲烷很是敏感，生产简单，并且成本低。
它的缺点是当甲烷浓度大于1%的时候，测试不精确。
（6）声速差式
声速差式所利用的原理是在特定环境下，声波在甲烷和空气中的传播速度不同，通过比较这两种速度达到测量高浓度甲烷的目的。
它的优点是读数不受外部气压的影响；它的缺点是对于低浓度的甲烷测试不准确，并且对于空气中其他成分例如粉尘等很敏感。
（7）离子化式
离子化式所利用的原理是气体在辐射作用下发生电离，因介质而产生电流，由气体和甲烷测定的电流的不同来测定甲烷浓度。
它的优点是效率高，灵敏度高，可以实现自动检测，准确度相对来说也很高；它的缺点是低浓度的甲烷测试起来很困难，空气中的湿度影响仪器的读数，传感器的结构组成也很复杂。
其中热催化式是根据瓦斯在催化元件上的氧化生热所引起的电阻的变化来测定瓦斯浓度值的。
其优点是生产成本低，输出信号大。
对于1%气样，电桥输出可达15mV以上，处理和显示都比较方便，因此仪器的结构相对来说简单，并且受气体和温度变化的影响较小，容易实现实时自动检测。
其缺点是探测元件自身的寿命较短，对于较高浓度瓦斯浓度的测量有一定的局限性，外部环境中的一些气体成分也会引起元件的功能失效。
目前国内外检测瓦斯浓度的系统中广泛采用这一原理。
其工作原理图为图2-3：
图2-3电桥工作原理图
这里载体催化元件由黑元件就是带有催化剂的传感元件和白元件就是不带催化剂的补偿元件构成的，黑元件与白元件在结构和尺寸上是完全相同的。
由于白元件表面并没有催化剂，所以仅有环境温度补偿的作用。
黑元件由铂丝线圈，表面的催化剂和载体组成。
瓦斯无焰燃烧时释放的热量，使得黑元件温度升高，从而使铂丝线圈的电阻增大，通过惠更斯电桥，就可以测得因甲烷无焰燃烧使得铂丝线圈电阻增大的值。
在这里由于外部环境温度的变化也会使铂丝线圈的电阻发生变化。
为了克服环境温度变化对甲烷浓度测量的影响，所以在电桥中有了与黑元件结构和尺寸都对称的白元件，如图2-3所示。
白元件的表面并没有催化剂，所以甲烷的无焰燃烧不会发生在白元件上。
因此白元件铂丝线圈的电阻变化仅仅与外部环境温度有关。
在理想条件下考虑时黑元件和白元件的电阻值是相等的，这个时候电桥处于平衡状态，所以输出电压为零[15]。
如果外部的环境温度发生了变化或者通过黑白元件的电流值发生了变化，使得黑白元件电阻发生变化，但是由于变化后的电阻值仍然相等，所以电桥仍是平衡的。
在这里白元件具有环境温度补偿作用。
利用该原理的甲烷传感器在应用中比较广泛，在实际矿井中大多使用的是催化燃烧式的。
它的基本原理是不同浓度的甲烷在一定的环境温度中燃烧释放的热量不同从而达到测定甲烷浓度的目的。
综合各方面的考虑，在本次毕业设计中选择的是MQ-5传感器。
图2-4MQ-5传感器的实物图图2-5MQ-5传感器的管脚图
MQ-5气体传感器的实物图如图2-4所示,它是由微型陶瓷管、敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件组成的。
敏感元件固定在塑料的或不锈钢的材料所制成的腔体内部，在这里加热器为敏感元件提供了必要的工作条件。
已经封装好的敏感元件有6个针状管脚，其中4个用于取出信号，其余2个用于电流加热的设计[16]。
如图2-5所示是该传感器的管脚图，在实际的测量电路中，要根据传感器的工作原理使各个引脚接入电路中。
2.2.3A/D转换芯片的选择
A/D转换器就是能把输入的模拟信号变成与之对应的数字信号的器件，即可以把被测的模拟信息转换为计算机可以识别的数字信息。
从工作原理上A/D转换器通常可以分为四类：
双积分式A/D转换器、并行A/D转换器、逐次逼近式A/D转换器和计数器式A/D转换器[1]。
1.A/D转换器的性能指标如下：
（1）转换精度
A/D转换器的转换精度可以分为两种；绝对精度和相对精度。
其中绝对精度的意思是如果给定了A/D转换器的数字量，它的误差大小由实际的输入模拟量和
理论模拟量的差来度量。
而在实际情况中，即使是对同一个数字其模拟的输入量
也不是一个固定值，在一个范围内。
绝对误差所包含的种类有：
非线性误差、零点误差和增益误差等。
测量绝对误差应当在标准条件下进行。
相对误差是绝对误差与满刻度值之间的比值，通常用百分数来表示。
对于A/D转换器也经常用PPM，它的含义是百万分之一或者是最低有效位位数LSB来表示：
1LSB=满刻度值/2N。
因此当位数N越大时，相对误差就越小。
（2）转换时间
A/D转换器转换一次所需要的时间即为转换时间。
通常用的8位A/D转换器的转换时间大约为几十至几百微秒，比如ADC0809，它的转换时间是100微秒；10位的A/D转换器也是经常用的，它的转换时间为几十微秒；还有12位的A/D转换器的转换时间为几至十几微秒。
（3）分辫率
分辨率是指A/D转换器对很小的输入量的敏感性程度。
如果分辨率越高，说明转换时对于输入量的微小变化的反应就越灵敏。
我们通常用数字量的位数来表示，比如8位、10位、12位和16位等。
分辨率为N，含义是可以对输入量的1/2N的变化量作出反应，即：
分辨率＝满刻度值/2N
（4）电源灵敏度
A/D转换器的电源变化随着输入电压的变化而变化，这种变化在实际中相当于A/D转换器对于输入量的变化，这样就产生了误差。
我们通常把A/D转换器对电源变化的灵敏度用相同变化的模拟输入量的百分数来表示。
ADC0832是美国一家半导体公司生产的，它是一种分辨率为8位和双通道A/D转换芯片。
它具有体积小，兼容性强和性价比高的优点。
因而很受单片机学习者的喜爱，它的普及率到目前为止已经很高了[3]。
下面通过分析ADC0832的性能指标，来了解其工作原理。
它的引脚图见图2-6。
2.ADC0832具有以下特点：
（1）8位的分辨率；
（2）双通道的A/D转换；
（3）输入输出电平和TTL门电路/CMOS门电路相兼容；
（4）电源供电电压为5V时输入电压在0-5V之间；
（5）工作频率为250KHZ，转换时间为32微秒；
（6）一般功耗仅为15mW；
图2-6ADC0832引脚图图2-7ADC0832的实物图
3.其芯片接口说明：
（1）CS非：
片选使能端，低电平有效；
（2）CH0：
模拟输入通道0，或作为IN+/-使用；
（3）CH1：
模拟输入通道1，或作为IN+/-使用；
（4）GND：
芯片接地端；
（5）DI：
数据信号输入端，选择控制通道；
（6）DO：
数据信号输出端，转换数据的输出；
（7）CLK：
芯片时钟输入端；
（8）VCC/REF：
电源输入端/参考电压输入（复用）端；
ADC0832的分辨率是8位，它的最高分辨可以达到256级，对于一般的转换要求都能达到。
当电源为5V时，芯片的模拟电压输入范围为0-5V。
芯片转换一
次的时间仅为32微秒，输出的双数据可作为校正使用，这样可以减少数据误差，并且稳定性比较高[3]。
4.单片机对ADC0832的控制原理：
一般情况下ADC0832与单片机的接口有4条数据线：
CS、CLK、DO和DI。
因为DO端和DI端在工作时并不是同时有效，考虑到与单片机的接口是双向的，
所以在电路中的设计是可以将二者并联在一条数据线上进行使用。
当CS非端为高电平时单片机不能工作，即此时芯片禁用，这时其他三条数据线任意电平。
但是A/D转换器工作时必须保证CS端低电平，并且低电平一直保持到转换结束。
这时芯片开始进行转换，同时芯片时钟输入端CLK有来自处理器的输入时钟脉冲，DO/DI端执行通道选择功能。
在第一个时钟脉冲到来之前DI端电平必须是高电平，这个代表了起始信号。
在第二、三个脉冲到来之前DI端输入的2位数据用于选择通道功能。
如果2位数据分别为“1”和“0”时，芯片工作选择CH0进行单通道转换；如果2位数据分别为“1”和“1”时，芯片工作选择CH1进行单通道转换；如果2位数据分别为“0”和“0”时，芯片工作选择两个通道，其中CH0是正输入端IN+，CH1是负输入端IN-；如果2位数据分别为“0”和“1”时，芯片工作选择仍是两个通道，CH0是负输入端IN-，CH1是正输入端IN+。
到第3个脉冲到来之后DI端的电平输入就会没有了作用，因此转换数据的读取是DI/DO端从DO端进行的。
当第4个脉冲到来之后从DO端首先输出转换数据最高位DATA7，接着每来一个脉冲就会输出一个数据。
一直到第11个脉冲到来之后输出最低位DATA0，这样一个字节的数据便输出完成了。
从这个位开始输出相反字节的数据，即当第11个脉冲的到来后输出的数据位为DATD0，接着输出这8位数据，一直到第19个脉冲到来之后数据便完成了输出，这样也就说明了完成了一次A/D转换。
将CS变成高电平后芯片不再工作了，这样便可以直接对转换后得到的数据进行处理[9]。
2.2.4单片机的选择
AT89C51是含4K字节既可编程又可擦除只读存储器的高性能8位微处理器，我们俗称它为单片机。
一般情况下，单片机的可擦除只读存储器可以反反复复擦除100次，所以说AT89C51是一种高效微控制器。
AT89C51单片机为很多嵌入式操作控制系统灵活性高和成本低[5]。
AT89C51外形及引脚排列如图2-8所示。
1.主要特性：
AT89C51单片机可以与51系列的兼容，内部含有4K字节的可编程存储器，该单片机的使用寿命很长并且数据的保留时间也很长。
芯片内部RAM是128×8位的，芯片有P0，P1、P2和P3共4个可以编程的I/O口，每个I/O口具有8位，也就说芯片有32条I/O口线。
芯片有两个16位的加1定时器/计数器，5个中断源（52系列的单片机含有6个中断源）并且具有片内振荡器和时钟电路。
在一般的实际应用中，单片机的功能是很强大的。
图2-8AT89C51的引脚图图2-9AT89C51的实物图
2.管脚说明：
VCC：
电源端
GND：
接地端
P0口：
P0口是具有8位漏级开路式的双向I/O口。
当P0口的管脚置为高电平时，即为高阻输入状态。
P0口也能用于外部程序数据存储器，它可以作为数据/地址的低八位。
在进行编程时，P0口作为源代码的输入；当进行校正时，P0口作为源代码的输出，这时P0必须被置为高电平。
P1口：
P1口是内部已经含有上拉电阻，在使用时不需要外接电阻的8位双向I/O口。
当P1口管脚被外部置为高电平时，可以用作输入信号；当P1口被外部置为低电平时，将输出信号，这都是因为内部具有上拉。
在编程和校验时，P1口可以是高八位的地址接收端[7]。
P2
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