井下瓦斯浓度监测与报警系统(编辑修改稿)

井下瓦斯浓度监测与报警系统(编辑修改稿)内容摘要：

通讯电路组成。 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 7 图 21 系统框图 图 22 系统组网框图 由图可以看出煤矿瓦斯监测报警器的硬件 部分设计是以单片机系统为核心，用于整个设计的数据处理、声光报警电路等正常工作。 在这里 我们选用 ATMEL公司生产的 8 位单片机 AT89S51，该 种单 片机 与以往所采用的 AT89C51 相比新增加了很多功能，性能有了较大提升 ，片内 4K 的 FLASH 存储空间也能满足我们设计的要求， 价格较之 AT89C51 基本不变甚至更低。 甲烷 传感器采用 MC113 气敏传感器，用于探测采集瓦斯的浓度。 由于该传感器的输出信号为模拟电压信号，要想将采集到的数据送至单片机系统进行数据 AT89S51 LED 显示 信号处理电路 电源 ADC0809 MC113 传感器器 基准电源 声光报警 上传通讯 传感器 RXD TXD SCM1 RXD TXD SCMn ……… . TXD RXD 工 控 机 传感器 CAN 总线 断电控制 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 8 处理则需要将模拟信号转换成数字信号，所以在这里我们还要选用 A/D 转换器进行模数转换处理。 这里的 A/D0809 转换器是一种双积分的 8 位 A/D 转换器，其性能价格比很高，是一种高精度、低噪声、低漂移 A/D 转换器。 瓦斯浓度显示部分 采用四位的 LED 数码管显示， 在这里 我们采用动态扫描方法来显示各种参数。 工控 pc 机的控制参数等变量数据通过总线控制器下载到单片机中，单片机中的数据可通过 CAN 总线上传到工控机。 总线控制器作为工控机与 CAN 总线的接口装置，起到了工控机与单片机数据双向传输的网桥作用。 工作原理 在 这里我们用甲烷传感器 MC113 来对煤矿瓦斯浓度进行检测，由于其检测 所得数据模拟电压量而单片机只能对数字信号进行处理，所以在送入单片机中进行处理之前需先送入模数转换器 ADC0809 中进行模数转换，然后才能将转换所得数据送入单片机 AT89S51 中处理，这里的处理主要是指将输入进来的数据与我们设置的瓦斯爆炸预警值进行比较，显示其瓦斯浓度值，并通过远程通讯电路上传到监控主机进行实时监控。 一旦瓦斯浓度超过设定值时则启动报警电路。 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 9 3 硬件电路设计 作为一个 智能 监测系统、它包括数据的采集、变换处理等环节，硬件设计主要包括单片机的选型、传感器的选择 、 A/D 转换 器 的选择，电源电路、显示电路、声光报警电路及上传通讯电路等设计。 气体传感器 的 选择及供电电路设计 气体传感器的选择 要进行 — 个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，而这需要分析多方面的因素之后才能确定。 因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口， 还是自行研制，价格能否承受。 在考虑上述问题之后就能大致确定选用 MC113 气敏型传感器。 该传感器具有成本低、体积小、本质安全性高，其稳定性、中毒抗性、输出线性等都有了大幅度的提高。 根据催化燃烧效应的原理工作，由检测元件（黑元件）和补偿元件（白元件）配对组成电桥的两个臂，遇到可燃性气体时监测元件电阻升高，桥路输出电压变形，该变化随气体浓度增大而成正比例增大。 补偿元件起温度补偿作用，可有效去除因环境变化而引起铂丝电阻变化带来的附加误差。 MC113 的结构外形 MC113 根据催化燃烧效应的原理工作， 由检测元件和补偿元件配对组成电桥的两个臂，遇可燃性气体时检测元件电阻升高，桥路输出电压变化，该电压变量随气体浓度增大而成正比例增大，补偿元件起参比及温湿度补偿作用。 其结构图如 31 所示 ： 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 10 图 31 mc113 外形结构图 主要特点 及技术参数 主要特点及应用： 桥路输出电压呈线性 响应速度快 具有良好的重复性、选择性 元件工作稳定、可靠 优异的抗 H2S、有机硅中毒能力 工业现场的天然气、液化气、煤气、烷类等可燃性气体及汽油、醇、酮、苯等有机溶剂蒸汽的浓度检测 可燃性气体泄漏报警 器；可燃性气体探测器；气体 浓度 计 主要技术参数 如表 31 所示： 表 11 主要技术参数 产品型号 MJC4/（ MC113型催化元件） 产品类型 载体催化气敏元件 标准封装 金属封装、冶金粉末网 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 11 工作电压 (V) 177。 工作电流 (mA) 90177。 10 灵敏度 (mV) 1%甲烷 20~40 1%丁烷 30~50 1%氢气 25~45 线形度（ %） ≤5 测量范围（％ LEL） 0~100 响应时间 (90%) 小于 10 秒 恢复时间 (90%) 小于 30 秒 使用 环境 40－ +70℃ 低于 95%RH 储存环境 20— +70℃ 低于 95%RH 外形尺寸（ mm） MC113:1419 MC113C: 81014 防爆标志 ExdibⅠ 传感器供电电路设计 传感器供电的稳定性直接影响检测桥路输出的准确度，为了提高测量的精度，设计了由基准电压、运算放大器和晶体管组成的恒压源专为传感器供电，电路原理如下图所示。 电路中 选用 作为基准电源，其温度系数为20pp/oC，片内带隙基准电压提供 15uA20mA 的电流范围，且具 有低噪声和长期稳定性特点。 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 12 图 32 传感器供电电路 从图可知，基准电源 W2与 R39 串联接 +5V，在基准电源 W2的引脚 2 输出一个 的基准电压，该电压作为运算放大器 U3A的同相输入信号， U3A负反馈回路由Ｒ 3８ 、 T1 T1 R3 R36组成，根据放大原理可知，反向输入端的电压等于同相端的电压为 ，由于运算放大器反相端不吸收电流，所以流过 R37的电流等于流过 R36的电流，按下列得到传感器的供电电压 U=（ R36 + R37） /R36 由于基准电源的电压稳定度受温度变化影响很小， 故该稳压电路受温度变化影响也很小，它作为恒压源向传感器供电，可以提高该装置的测量精度。 单片机的选型及基本特性 随着计算机技术的发展，单片机因具有集成度高、体积小、速度快、价格低等特点而在许多领域如过程控制、数据采集、机电一体化、智能化仪表、家用电器以及网络技术等方面得到广泛应用，从而使这些领域的技术水平、自动化程度大大提高。 正因为如此国内外多家电子生产厂商把目光投向了单片机的生产，其中最为著名的当数 INTEL 公司生产的 MCS51 系列单片机。 单片机型号的选择是根据控制系统的目标、功能、可靠性、性价比 、精度和速度等来决定的。 根据本课题的实际情况，单片机型号的选择主要从以下两点考虑 :一是要有较强的抗河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 13 干扰能力。 由于一氧化碳气体监测传感器在厨房使用，这些都对单片机的干扰较大，所以应采用抗干扰性能较好的单片机机型。 二是要有较高的性价比。 单片机自 20世纪 70年代问世以来，以极其高的性价比受到人们的重视和关注，所以应用很广，发展很快。 单片机的优点是体积小、重量轻、抗干扰能力强，对环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发较为容易。 广大工程技术人员通过学习有关单片机的知识后，也能依靠自己的力量来开发所希望的单 片机系统，并可获得较高的经济效益。 正因为如此，在我国，单片机已被广泛地应用在工业自动化控制、自动检测、智能仪表、家用电器等各个方面。 单片机 AT89S51 经综合分析选用单片机 AT89S51 适合。 AT89S51 是一种低功耗高性能的 8位单片机，片内带有一个 4KB 的 Flash 在线可编擦除只读存储器，它采用了 CMOS工艺和 ATMEL 公司的高密度非易失性存储器技术，而且其输出引脚和指令系统和51 系列单片机兼容。 片内的存储器允许在线重新编程或用常规的非易失性存储器编程器来编 R36 组在众多的 51 系列单片机中 ，要算 ATMEL 公司的 AT89S51 更实用，因为它不仅和 MCU51 系列单片机指令、管脚完全兼容，而且它将通用 CPU和在线可编程 Flash 集成在一个芯片上。 这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。 单片机 AT89S51 的基本特性 AT89S51 是一个低功耗高性能单片机， 40 个引脚， 32 个外部双向输入 /输出（ I/O）端口，同时内含 2 个外中断口， 2个 16位可编程定时计数器 ,2个全双工串行通信口， AT89S51 可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。 其将通用的微处理器和 Flash 存储器 结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash 存储器可有效地降低开发成本。 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 14 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBA总线128B至R7 至R0至R1至R2R3R4R5R67FH07H08H00HRAM器4KB器ROM器(FLASH)器0FFFH器0000H器器器动动动动驱驱驱驱存存存存琐琐琐琐振 荡 器制控时定VSSVCCXTAL2XTAL1CPU(BUS)90HB0HPSENA0HALE80HEARSTP2P1P0P3P0P3P1P2 图 33 AT89S51 内部结构 图 引脚 功能 ： 40 只引脚按其功能来分，可分为三个部分： * 电源及时钟引脚： Vcc， Vss； XTAL1， XTAL2。 * 控制引脚： PSEN、 ALE、 EA、 RESET（即 RST）。 * I/O 口引脚： P0、 P P P3，为 4个 8位 I/O口的外部引脚。 电源引脚接入单片机的工作电源。 Vcc（ 40 脚）：接 +5V 电源； Vss（ 20 脚）：接地。 XTAL XTAL2。 时钟 引脚外接晶体与片内的反相放大器构成了一个振荡器，它提供单片机的时钟控制信号。 时钟引脚也可外接晶体振荡器。 XTAL1（ 19 脚）：接外部晶体的一个引脚。 在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端。 这个放大器构成了片内振荡器。 当采用外接晶体振荡器时，此引河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 15 脚应接地。 XTAL2（ 18 脚）：接外部晶体的另一端，在单片机内部接至内部反相放大器的输出端。 若采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。 晶体振荡电路 实现测量的另一 必备 环节是时基电路。 通常采用石英晶体振荡器来 作为标准时基信号，要求频率准确 、 稳定。 为获得较稳定的时基信号，以控制主控门的开启时间，可采用石英晶体多谐振荡器来产生时基信号。 51 单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别是比较放大器的输入端和输出端，这个放大器与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振器和微调电容一起构成一个自激振荡器，它提供了单片机的时钟控制信号，控制 CPU 的时序，对指令 进行译码，然后发出各种控制信号，将各个硬件环节组织在一起， 使它们有条不紊地一拍一拍地工作。 因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质 量也直接影响整个系统的稳定性。 本系统使用内部时钟方式，微调电容 CC2的值选择为 30pF， 晶体为 12MHz， 芯片内的时钟发生器是一个 2分频触发器，振荡器的输出 fosc 为其输入，输出为两相的时钟信号，频率为振荡器输出信号fosc 的 1/2。 状态时钟经 3 分频后为低字节地址锁存信号 ALE，频率为振荡器输出信号 fosc 的 1/6，经 6分频后为机器周期信号，频率为 fosc/12。 机器周期就是振荡器输出信号 fosc 经 12分频后的信号周期。 本系统使 用 12MHz 晶体 做 主频率，执行一条指令的时间，也就是一个指令周期为 1181。 S。 其接线图如图 下图 所示： C12 2 PC22 2 PB11 2 M H ZX1X2 图 34 晶振接线图 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 16 报警解除 电路 当系统检测出瓦斯浓度超出报警值时，声光报警器就会发出报警， 当达到提醒人们离开的目的后，我们。