煤矿瓦斯微机监测系统设计_毕业设计论文终稿(编辑修改稿)

煤矿瓦斯微机监测系统设计_毕业设计论文终稿(编辑修改稿)内容摘要：

不同化合物在光谱作用下由于震动和旋转变化表现不同的吸收峰。 测量吸收光谱可知气体类型。 测量吸收强度，可知气体浓度。 红外原理甲烷传感器的使用解决了现在瓦斯监测传感器存在响应速度慢，选择性差，测量精度低、受硫化氢气体的干扰大，高浓度瓦斯容易造成中毒而无法恢复，使用寿命短，标定周期短的缺陷。 光干扰式甲烷传感器是利用光在不同空气中的折射率不同的光学原理，通过测量不同瓦斯含量的空气与不含瓦斯空气的折射率的变化来确定瓦斯浓度。 该传感器维护简单，安全可靠，能够由人为控制操作，测点选取可根据操作者的判断，对可疑点进行测定，测点活动性太强；不存在一起中毒、失效或高浓度甲烷激活问 题；测量范围大，有足够的精度。 并且寿命长，除了电池和灯泡外几乎没有损耗部件，如不考虑其机械损伤，可疑认为寿命是无限的；可疑根据干涉条纹艰巨大小，粗劣估计仪器测量精度的可靠性。 其缺点主要表现在：受温度影响较大；受气压的影响；耐振性较差；监测选择性较差。 光纤气体甲烷传感器是一种以光信号为载体，以光纤为信号传输通道的高灵敏度的气体检测传感器。 光纤气体传感器具有优秀的远距离监控、抗电磁干扰和中毒、易燃易爆环境。 还具有高灵敏度，相应速度快，动态范围大，且耐高温、高压，结构简单，体积小，重量轻，能耗少等优点。 半导体 气敏传感器是以氧化物半导体为基本吸附材料，使甲烷吸附氧化时引起其电学特性发生变化，用以监测瓦斯浓度。 目前敏感材料的研究存在主要问题是灵敏度高、选择性好、稳定性好、工作温度常温化、能耗低、响应恢复时间短难以同时满足。 所选用的传感器应该可以在恶劣的环境下工作，拥有相对可靠的精度，并且价格便宜易于选购。 由于半导体气敏传感器的线性度不好，修正较为复杂，于是选择催化燃烧式甲烷传感器作为本系统的传感器。 考虑到检测系统的性价比采用型号为： MJC4/ 瓦斯检测传感器（郑州炜盛电子科技有限公司生产） MJC4/ 型催化元件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，遇到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。 主要特点有：桥路输出电压呈线性、响应速度快、具有良好的重复性和选择性、元件工作稳定可靠、抗 H2S的中毒。 主要应用有工业现场的天然气、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监测，可燃性气体泄漏警报器，可燃性气体检测器，气体浓度计。 其外观图如图 34 所示，技术指标如表 31 所示。 华东交通大学毕业设计 9 工作电压 (V) 177。 备注 工作电流 (mA) 110177。 10 灵敏度 (mV) 20 1%瓦斯 线形度（ %） 0~5 测量范围 0~4%瓦斯 输出电压（ mV） ≈0~90 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） 1419 灵敏度特性及响应恢复特性如图 35 所示： 长期稳定性：在空气中每年漂移小于 177。 2 个 mV，在 1%CH4 中每年漂移小于 177。 2 个 mV。 短期储存（两周内） 30 分钟即可稳定，如长期储存（一年），则需老化 5 小时才可稳定，其稳定性如图 36 所示： 图 34 MJC4/ 的外形图 表 31 MJC4/ 技术指标 图 35 MJC4/ 煤矿瓦斯微机监测系统设计 10 输出信号随环境温度、湿度的变化如图 37 所示 : 输出信号随工作电压的变化如图 38 所示： 图 36 MJC4/ 的稳定性 图 37 MJC4/ 的输出信号与工作电压的关系 图 38 MJC4/ 华东交通大学毕业设计 11 瓦斯检测电路 由于瓦斯传感器输出的电压非常微弱，为 mV 级的电压，必须将其放大，以适合 A/D转换，本设计决定采用两级放大电路来放大 MJC4/ 的输出电压。 在这里选择美国 BB公司推出的 INA114放大器。 INA114是一个低成本的普通仪用放大器，在一般应用时，只需外接一个普通电阻就可以得到任意增益，可广泛用 于电桥放大器、热电偶测量放大器及数据采集放大器等场合。 INA114的电路结构与基本接法如图 310所示。 已知 VCC=3V， R0=2020ᾨ， Umax=75mV=，又由于 Rg=50ku/(G1)， G 为增益，令 G=66， Rg=770ᾨ。 经放大的信号为模拟信号，而单片机只能接受数字信号，必须采用 A/D 转换电路。 A/D图 39 瓦斯浓度 测量电路 图 310 INA114 的电路结构与基本接法 煤矿瓦斯微机监测系统设计 12 转换器用以实现模拟量向数字量的转换。 按其转换原理可分 4 种：计数式、双积分式、逐次逼近式及并行式 A/D 转换器。 目前最常用的是双积分式和逐次逼近式。 双积分式 A/D 转换器的主要优点为转换精度高、抗干扰性能好、价格便宜；缺点为转换速度较慢。 因此这种转换器主要用于速度要求不高的场合。 另一种常用的 A/D 转换器是逐次逼近式。 逐次逼近式 A/D 转换器是一种速度较快、精度较高的转换器，其转换时间大约在几 微秒到几百微秒之间。 综上所述，决定采用 PCF8591 的 8 位 A/D 和 D/A 转换器，其内部框图如图 311所示。 PCF8591 是一个单片集成、单独供电、低功耗、 8bit CMOS 数据获取器件。 PCF8591具有 4 个模拟输入、 1 个模拟输出和 1 个串行 I2C 总线接口。 PCF8591 的 3 个地址引脚 A0, A1 和 A2 可用于硬件地址编程，允许在同个 I2C 总线上接入 8 个 PCF8591 器件，而无需额外的硬件。 在 PCF8591 器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向 I2C 总线以串行的方式进行传输。 1) AIN0～ AIN3：模拟信号输入端。 2) A0～ A2：引脚地址端。 3) VDD、 VSS：电源端。 （ ～ 6V） 4) SDA、 SCL： I2C 总线的数据线、时钟线。 5) OSC：外部时钟输入端，内部时钟输出端。 6) EXT：内部、外部时钟选择线，使用内部时钟时 EXT 接地。 7) AGND：模拟信号地。 8) AOUT： D/A 转换输出端。 9) VREF：基准电源端。 PCF8591 与 AT89S52 单片机的连接方法见附录 C（系统硬件原理图）。 图 311 PCF8591 内部框图 华东交通大学毕业设计 13 其管脚图如图 312所示： PCF8591 基本连接图如图 313 所示： 显示模块 瓦斯监测系统显示部分采用 LED 显示， LED 显示具有亮度高、耗电少、操控要求低的特点，这里我们考虑到 AT89S52 单片机处理性 能有限，如果驱动 LCD 会浪费较多的 CPU和内存，从而无法保证其高精度的输出，因为选用八段位 LED 数码管进行显示，并且 LED在黑暗的矿井内亮度更高、更加省电。 下面简要介绍八段位 LED 的工作原理。 8 位数码管动态扫描显示需要由两组信号来控制：一组是字段输出的字形代码，用来控制显示的字形，称为段码；另一组是位输出口输出的控制信号，用来选择第几位数码管工作，称为位码。 由于各位数码管的段线并联，段码的输出对各位数码管来说都是相同的。 因此，在同一时刻如果各位数码管的位选线都处于选通状态的话， 8 位数码管将显示相同的字符。 若 要各位数码管能够显示出与本位相应的字符，就必须采用扫描显示方式。 即在某一时刻，只让某一位的位选线处于导通状态，而其它各位的位选线处于关闭状态。 虽然这些字符实在不图 312 PCF8591 引脚图 图 313 PCF8591 基本连接图 煤矿瓦斯微机监测系统设计 14 同时刻出现的，而且同一时刻，只有一位显示，其它各位熄灭，但由于数码管具有余辉特性和人眼有视觉暂留现象，只要每一位数码管显示间隔足够短，给人眼的视觉印象就会是连续稳定地显示。 （ 1） 共阴极数码管 共阴极数码管是将所有发光二极管的阴极接在一起作为公共端 COM，当公共端接低电平时，某一段阳极上的电平为“ 1”时，该段点亮，电平为“ 0”时，该段熄灭，连接方式如图 314。 （ 2）共阳极数码管 共阳极数码管是将所有发光二极管的阳极接在一起作为公共端 COM，当公共端接高电平时，某一段阴极上的电平为“ 0”时，该段点亮，电平为“ 1”时，该段熄灭。 结构图如图 315 所示。 （ 3）共阳极数码管的字型代码表，如表 32。 字型 dp g f e d c b a 段码 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0C0H 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0F9H 2 1 0 1 0 0 1 0 0 0A4H 3 1 0 1 1 0 0 0 0 0B0H 4 1 0 0 1 1 0 0 1 99H 5 1 0 0 1 0 0 1 0 92H 6 1 0 0 0 0 0 1 0 82H 图 314 共阴数码管结构图 图 315 共阳数码管结构图 表 32 共阳极数码管代码图 华东交通大学毕业设计 15 LED 显示电路如图 316 所示 通信模块 通信方式的选择 这里要将单片机采集处理后的瓦斯浓度的数据上传到 PC 机， 就应该将单片机与上位机实施通信。 单片机和外部设备可以采用并行通信和串行通信 两种方法进行数据传输，这两种数据传输方式各有其优缺点。 并行通信时指数据的各个二进制位同时进行传输，这种通信方式的优点是传输速度快，效率高，缺点是需要比较多的数据线，另外并行的数据线易受外界干扰，传输距离不能太远；串行通信是指数据的各个二进制位按照顺序一位一位地进行传输，这种通信方式的优点是所需的数据线少，节省硬件成本及单片机的引脚资源，并且抗干扰能力强，适合于远距离数据传输，缺点是每次发送一个比特，导致传输速度慢。 这样由于考虑到单片机和 PC 机是远距离传输，因此采用串行异步通信。 通信规定：双方波特率为 4800b／ s， 1 位起始位， 8 位数据位，无奇偶校验位， l 位停止位，一帧信息为10 位， AT89S52 单片机的串行口的工作于方式 1，其串行移位时钟脉冲由定时器 T1 的溢出率和 SOMD 来共同决定的，这里令 SMOD=1。 7 1 1 1 1 1 0 0 0 0F8H 8 1 0 0 0 0 0 0 0 80H 9 1 0 1 1 0 0 0 0 90H A 1 0 0 0 1 0 0 0 88H B 1 0 0 0 0 0 1 1 83H C 1 1 0 0 0 1 1 0 0C6H D 1 0 0 0 0 0 0 1 0A1H E 1 0 0 0 0 1 1 0 86H F 1 0 0 0 1 1 1 0 8EH 图 316 LED 与 AT89S52 连接示意图 煤矿瓦斯微机监测系统设计 16 定时器 T1 工作于方式 2，位自动重装入的 8 位定时器，则装入的初值如公式 (31)所示： X = 256﹣ (SMOD+1)fosc／ (波特率 384) (31) 则由公式可得： X=256 2106／ (3844800) X=233=F4H 所以定时器 T1 的定时初 值设为 :TH1=F4H,TL1=F4H 串行接口电路设计 单片机与 PC 机的通信常用有 RS23 RS485 以及 RS422 三种串行接口。 RS232C标准规定，驱动器允许有 2500pF 的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用150pF/m 的通信电缆时，最大通信距离为 15m；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。 传输距离短的另一原因是 RS232 属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于 20m 以内的通信； . RS485 接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗 共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好。 RS485 最大的通信距离约为 1219m，最大传输速率为 10Mbps，传输速率与传输距离成反比，在 100Kb/S 的传输速率下，才可以达到最大的通信距离，如果需传输更长的距离，需要加 485 中继器。 RS485 总线一般最大支持 32 个节点，如果使用特制的 485 芯片，可以达到 128 个或者 256 个节点，最大的可以支持到 400 个节点； RS422 同 RS485 差不多。 RS232 与 RS485 标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的 高层通信协议。 但由于 PC 上的串行数据通讯是通过 UART 芯片来处理的 ,基于 PC 的 RS232 与 RS485 标准。