基于单片机的瓦斯监测仪的设计本科毕业设计说明书.docx
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基于单片机的瓦斯监测仪的设计本科毕业设计说明书
基于单片机的瓦斯监测仪的设计本科毕业设计说明书
本科毕业设计说明书
基于单片机的井下瓦斯浓度智能传感器的设计
BASEDONTHEUNDERGROUNDGASDENSITYSINGLE-CHIPMICROCOMPUTERINTELLIGENTSENSEORQAN
DESIGN
学院：
专业班级：
学生姓名：
指导老师：
年月日
****
毕业设计（论文）开题报告
题目
基于单片机的矿井瓦斯检测系统设计
学生姓名
学号
院（系）
专业
指导教师
报告日期
2013年1月4日
毕业设计（论文）题目
基于单片机的矿井瓦斯检测系统设计
题目类别（请在有关项目下作√记号）
设计
论文
其它
√
题目需要在实验、实习、工程实践和社会调查等社会实践中完成
是
否□
毕业设计（论文）起止时间
2012年12月10日起至2013年5月19日（共16周）
1.课题研究的意义
随着我国经济的快速发展，煤炭的消费量持续增长，特别是近几年，煤炭的价格在不断提升，对煤炭的产量提出了更高的要求。
但是，在实际的煤炭生产中，矿难事故不断发生。
我国煤炭生产中每年的矿难死亡人数近万人，因此，我们不得不将更多的注意力放到煤炭生产的安全方面。
矿难的原因有多种多样，其中由于瓦斯而引起的矿难事故占到了相当大的一部分。
瓦斯是多种易燃易爆气体的总称，其主要成分是甲烷，它是在成煤过程中形成并大量贮存于煤层中的气体，浓度过高时会导致人缺氧、呼吸困难、窒息等。
当它与空气混合的百分比达到3.5%到16%时，遇到明火就会发生爆炸，给国家和人民的生命财产造成巨大的损失。
所以，对瓦斯的浓度进行实时的检测和报警以及对其采取相应的控制措施在煤矿系统中有着非常现实的意义。
由于我国检测技术应用较晚，所以我国当前对瓦斯的检测设备还存在很多的问题，例如，检测设备的寿命周期短，易受矿井不良坏境的影响并且会导致检测设备的工作性能不稳定、检测结果不准确，容易出现误报警等现象，维护周期短且费用高。
考虑到现代单片机的体积小、集成度高、速度快、稳定性好、价格低且应用领域广等特点，所以基于单片机的矿井瓦斯检测系统设计是势在必行的。
本设计中是以AT89S52单片机作为硬件电路核心开发出一种操作简单的检测系统来实现对甲烷的识别、浓度监测、阈值报警以及浓度显示，为更好的防御和减少由于瓦斯而引起的矿难事故。
AT89S52不仅具有AT89C51的全部功能，而且还增加了高可靠性、安全性的功能。
从经济的角度来看，AT89S52不但硬件结构简单，并且价格低、功能强、性价比高，符合我国工业设计制造的要求。
2.国内外的发展状况
2.1在国外的发展状况
世界各国均有煤矿瓦斯监测系统，如法国的TF200、德国的MINOS、英国的Senturion-200、美国的HIMASS等。
国外的监控系统技术理论上讲高于国内的发展水平，但要用于国内的煤矿生产中还有一定的局限性，我们可在技术上借鉴和参考。
1815年，当时工业最发达的英国发明了安全灯，它是利用火焰的高度测量瓦斯的浓度。
1897年瑞典造出了第一台容积压力式瓦斯浓度测量仪。
随着矿井开采深度的增大和仪表工业及电子技术的发展，矿井通风安全仪器也得到了不断的发展，1927年日本制造出光干涉原理甲烷检定器，此后又陆续出现热催化、热导原理、气敏半导体等各种不同原理的甲烷检定器，其测量精度不断提高，检测方式从“间断”、“就地”检测发展到“连续”、“集中自动”遥测。
1961年以后，前苏联、英、法、美、日、德等国家对其进行改进研究，并从此作为瓦斯检测的主要工作方向。
2.2在国内的发展状况
我国瓦斯监测监控技术的研究工作起步较晚，国内第一台催化原理的瓦斯报警器是1958年出现，采用铂丝元件位传感器。
1961年，由北京劳动保护研究所和和抚顺煤矿安全仪器厂协作开展了研究工作，于1964年研制出我国第一个达到实用水平的载体催化元件，接着制成了以这种元件位传感器的AQR-1型瓦斯测量仪。
随着电子计算机技术的应用，一套监测系统除了能检测出甲烷的浓度外，还可测一氧化碳、氢气的浓度，同时又可以对井下设备的工作状态进行监控。
煤炭科学研究总院重庆研究院的KJ90NB系统、镇江中煤电子有限公司的KJ101N系统、煤炭科学研究总院沈阳研究院的KJ333系统、天地科技股份公司常州自动化分公司的KJ95N系统在软硬件功能、稳定性和可靠性、专业技术服务能力、企业性质和生产规模等方面基本代表了我国煤矿瓦斯监控系统的技术水平。
当前我国矿井正在运行的瓦斯监控系统主要有三类：
一是20世纪80年代初，从英、法、美、波兰等国家引进的一批安全监控系统，并通过消化和吸收研制出适用于我国煤矿实际情况的监控系统，由于当时技术水平低和维护跟不上等原因系统已面临更新改造的机遇；二是20世纪90年代后期，国内各主要科研单位和生产厂家又相继推出了MSNM、WEBGIS、KJF2000等监控系统，但是整个系统的信息传输速率最高只能达到5000bps；三是21世纪以来，各个瓦斯监控系统生产厂家都在原有基础上推出了升级系统。
因此，根据我国的煤矿生产和管理模式，依照我国的有关技术标准，其技术的先进性、产品的可靠性和实用性则是本项目的关键所在，而且基于单片机的矿井瓦斯监测系统的研究和开发生产具有十分广泛的现实市场和潜在的市场需求。
3.课题的主要内容
本设计利用AT89S52单片机作为硬件电路的核心，结合外围元件设计出煤矿瓦斯监测系统，实现对甲烷的识别、浓度监测以及浓度显示。
整个硬件电路采用Protel画出，软件运用C语言编写，编译环境为KeilC51，并利用Proteus软件对系统进行仿真分析,补充实现系统运行所要求的功能,然后动手制作设计。
最后总结设计中所遇到的问题及其解决措施。
4.本课题的设计方案及步骤
4.1设计方案
硬件方面，本设计采用ATMEL公司生产的AT89S52单片机作为瓦斯监测系统的核心部件，运用单片机的内部的随机存储器和只读存储器及其引脚资源，外接显示设备，实现数据的处理传输和显示功能；气体通过甲烷传感器检测，将得到的数据与设定值比较处理后，输出控制量，达到对甲烷识别、浓度检测、阈值报警以及浓度显示的目的。
因此，控制器的硬件主要由AT89S52单片机、键盘输入设定模块、显示模块、数据采集模块和A/D转换等模块组成。
此控制器的的软件方面就是通过C语言程序设计对AT89S52单片机进行控制，实现对甲烷的识别、浓度检测、阈值报警以及浓度显示。
整个系统结构紧凑、简单可靠、操作灵活、功能强大、性能价格比高，较好的满足了现代煤矿开采的需要。
系统整体框图如下图所示：
系统整体框图
4.2设计步骤
（1）对矿井瓦斯检测进行了大量的资料阅读和研究，包括其意义，国内外的发展状况等。
（2）课题硬件的设计，选择ATMEL公司生产的AT89S52单片机和其它外围元件并分析它们的工作原理。
（3）课题软件电路的设计，包括甲烷的识别、浓度检测、浓度显示以及报警。
（4）测试结果的分析以及总结。
5.本课题的论文提纲
第一部分介绍基于AT89S52单片机的矿井瓦斯检测系统在现实煤矿生产中的重要性和矿井瓦斯检测系统在国内外的发展状况，及论文要完成的主要内容。
第二部分确定基于AT89S52单片机的矿井瓦斯检测系统的设计方案。
第三部分进行硬件设计。
硬件设计包括AT89S52单片机，显示模块，键盘输入设定模块，报警模块，A/D转换模块，甲烷传感器检测模块。
第四部分画出流程图并进行软件编程。
第五部分进行系统的调试，并分析结果。
6.本课题的工作量估计
6.1完成方案
（1）搜集、整理资料
利用图书馆，互联网查找各种资料，信息和相关视频。
对所有收集到的资料认真的进行整理和筛选。
（2）总体框架设计
对整理和筛选好的资料结合论文的目的，要求确定论文的框架。
（3）撰写开题报告
（4）进行硬件设计
利用Protel画出硬件电路图，以及PCB图。
（5）接受中期检查，进行软件设计
根据硬件电路图编写软件程序，并用Proteus软件画出电路仿真图。
（6）进行系统的调试，并分析结果。
（7）仔细阅读初稿，对初稿进行修改。
（8）完成毕业设计。
6.2拟定的工作进度（以周为单位）
第1-3周接受任务，查阅并搜集相关资料；
第4周整理资料，完成开题报告；
第5-8周完成硬件电路图设计及PCB图；
第9-11周绘制Proteus电路仿真图，接受中期检查；
第12-14周完成程序编写并进行仿真测试；
第15周与指导教师交流，反复修改毕业设计；
第16周完成毕业设计，形式审查。
7.现存在的问题及拟采取的解决措施
（1）对AT89S52单片机的工作原理和结构不熟悉。
应对办法：
找相关视频和资料学习，并向导师求助。
（2）对软件的程序的编译环境不是很了解。
应对办法：
向指导老师和同学请教。
（3）对单片机编写程序不太熟悉。
应对办法：
向指导老师请教，或者去图书馆借单片机编程方面的相关书籍或资料，来完成程序的编写。
（4）动手搭建硬件模型还不太熟练。
应对办法：
多加练习。
（5）运用C语言编写程序还存在一定的问题。
应对办法：
找相关资料进行练习，或者向老师和同学请教。
参考文献
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（2）:
103-105.
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清华大学出版社,2010.
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清华大学出版社,2004.
指导教
师意见
指导教师（签名）：
20年月日
院系
意见
院系负责人（签名）：
20年月日
备注
基于单片机的井下瓦斯浓度智能传感器的设计
摘要
随着我国经济的快速发展，各行各业对煤炭的需求急剧增加，而各种矿难事故的发生，使得煤炭安全生产面临严峻的挑战。
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。
在文章里，我针对瓦斯的特点，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。
同时采用声光报警系统，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。
设计这种智能传感器采用闭环控制来确保采样的平稳。
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，安全可靠，经久耐用，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，为我国煤炭事业做出贡献。
关键词：
瓦斯，AT87C552，PID控制器
BASEDONTHEUNDERGROUNDGASDENSITYSINGLE-CHIPMICROCOMPUTERINTELLIGENTSENSEORQANDESIGN
ABSTRACT
WiththerapiddevelopmentofChina'seconomy,variousindustriesonthesharpincreaseinthedemandforcoal.buteachkindofminingaccident'soccurrence,causesthecoalsafetyinproductionfacedwiththesternchallenge.Thispieceofarticleaimsatthegastocarryonthemonitoringtodesign.
Inthearticle,Iinviewofthegascharacteristic,designsimultaneouslymonitortheheightdensitythegassystem,all-weatheruninterruptedcarriesonthemonitortothemineshaftgasdensity.Simultaneouslyusestheacousto-opticsalarmsystem,oncegasexceedingtheallowedfigure,thesystemremindsthedownholeoperationworkertoevacuateurgentlyimmediately,avoidsthepersonnelcasualty.Alsoputtouseinfraredremote-controlsystemcarrythroughlong-distencesupurrisorycontrol.Designthisintelligentsensoradoptclose-cyclecontrolinsuresamplingplacidity.
Thissystemtakeat87C552monolithicintegratedcircuitasacore,realizestothegasexamination,thewarningandthecontrol,safereliable,durable,suitseachkindofcoalminegasthemonitoring,mayreducecoalminingaccident'soccurrencegreatly,reducestheprivatecosts,raisesthecoalrecoveryratio,makesthecontributionforourcountrycoalenterprise.
KEYWARDS:
gas,AT87C552,PIDcontroller
1绪论
1.1引言
随着我国国民经济的不断发展，对煤炭需求量也越来越大，这就使得煤矿的安全生产面临着一个十分严峻的问题。
煤矿矿难事故屡屡发生，造成的原因有很多，其中不少是因为瓦斯爆炸引起的。
为了防止瓦斯爆炸事故的发生，除了加强井下作业人员的管理，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系统。
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。
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。
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。
山西省煤炭系统2005年底累计安装使用瓦斯监控系统3868套。
目前，该省国有重点煤矿121座矿井全部安装了瓦斯监测监控系统，并全部联网运行，在线运行率达100%。
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。
由此可知，为了最大限度的降低煤矿瓦斯事故的发生，除了对工作人员严格要求外，加紧建设煤矿瓦斯监测监控系统必不可少，它对预防瓦斯事故的发生具有举足轻重的作用。
1.2系统简介
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。
该系统可有效的降低瓦斯事故发生率，，结构灵活，扩展性强，具有较高的性价比，AT87C552的应用实现了电子硬件设计的“软件化”，大大的提高了系统的可靠性和抗干扰能力，非常实用于各种大小煤矿井下瓦斯的监测监控，性能优良，经久耐用，可靠性高。
2系统原理介绍
图2.1原理框图
2.1电路简介
根据上节所述的变流瓦斯检测原理，设计了如图7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。
图7变流检测电路
Fig7methanedetectingcircuitonvariablecurrent
A部分为电桥不平衡信号取样电路，用此信号去调节C部分电压比较器输出的脉冲电压宽度；B部分为锯齿波发生电路，由555构成的时基电路工作在自激状态，振荡频率为1kHz，即周期为T=1ms，输出的锯齿波电压送到电压比较器的正端；C部分电压比较器的负端接受来自A部分的输出电压Uo2，当锯齿波电压超过控制电压Uo2时，比较器输出电压为高电平，锯齿波回扫时，当其电压值低于Uo2时，比较器输出为低电平，这样将形成一个矩形脉冲电压。
在一系列锯齿波作用下，比较器就输出一矩形脉冲电压系列；D部分由高准确度可控稳压管TL431构成的脉冲稳幅电路，当通过TL431的电流在（1～100）mA范围内时，只要分压电阻的温度系数相同，则输出电压有很高的稳定性，从而保证了在输入脉冲幅值变化时，输出脉冲的幅值恒定。
为保证有足够的电流通过载体催化元件，设置了由三极管组成的脉冲电流放大环节。
下面将详细讨论这四部分电路。
2.1.1恒温控制信号取样电路
图8为恒温控制信号取样电路：
这里没有采用传统的惠斯通电桥来获取瓦斯
图8恒温控制信号取样电路
Fig8constanttemperaturecontrollingsignalsamplingcircuit
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：
式中
、
为无瓦斯时的阻值，
、
为电流流经元件时温度上升产生的阻值，
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
、
、
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。
在图8中有
则
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。
在图8中有：
取
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：
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