【正文】 ................................................................................ 30 附錄 A：現(xiàn)場部分總體電路圖 .................................................................................. 32 附錄 B：手持部分總體電路圖 .................................................................................. 33 1 1 緒論 中國煤炭產(chǎn)量高居世界第一，國家一直把煤礦的安全生產(chǎn)作為重中之重，給予高度的關(guān)注。在我國的煤礦生產(chǎn)事故中，瓦斯爆炸造成的傷亡和損失成為實現(xiàn)安全生產(chǎn)的最大障礙 ， 及時準(zhǔn)確地檢測瓦斯?jié)舛群蛨蟾嫖ｋU在安全生產(chǎn)中具有重要意義。 為了確保礦井的生產(chǎn)安全，防止瓦斯爆炸，國內(nèi)外煤礦研究所在此領(lǐng)域進行了很長時間的研究，開發(fā)出很多種類型的瓦斯檢測儀，但目前已有的瓦斯檢測儀器都普遍存在著體積較大、安裝復(fù)雜、操作不便、智能 化程度低等缺點。因此開發(fā)研制便于攜帶、多功能、精度高的瓦斯檢測儀對促進煤炭行業(yè)的安全生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實意義 。 煤礦瓦斯氣體概述 要設(shè)計一個瓦斯?jié)舛葯z測儀，就必須首先搞清楚瓦斯氣體，明確研究對象的性質(zhì)及其爆炸所需的條件等，只有在明確了研究對象之后，才能很好地對其進行檢測，下面就將對瓦斯氣體的特性和爆炸條件作詳細(xì)地介紹。 瓦斯氣體性質(zhì) 了解瓦斯的特點和性質(zhì)是搞好瓦斯管理的先決條件 。 瓦斯是煤礦開采過程中的一種有害氣體的總稱，它有自己的性質(zhì)和特點，是可以被認(rèn)識的，也是可以被控制和利用的 。所以說要搞好瓦斯管理工作，必須首先學(xué)習(xí)有關(guān)瓦斯的知識，了解瓦斯的性質(zhì)和特點。礦井瓦斯是指從煤體和圍巖中逸出的以及在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的多成分的混合氣體，包括 4CH 、 2CO 、 CO、 2N 、26CH 、 2SO 、 2HS等。主要成分是甲烷 ( 4CH )、一氧化碳 (CO)和二氧化碳 ( 2CO )、硫化氫 ( 2HS)等 。 甲烷是礦井瓦斯的主要成分，是一種無色無味的氣體 ， 不助燃，但當(dāng)與空氣混合到一定濃度時，遇火能燃燒或爆炸，爆炸界限為 5～ 16%?？諝庵屑淄闈舛瘸^ 40%時，空氣中的氧含量將下降到 12%以下，此時空氣與甲烷的混合氣體不再發(fā)生爆炸，但將使人窒息。 瓦斯氣體的爆炸 瓦斯爆炸須具備 3個條件 ： 4CH 濃度、 2CO 濃度及引爆溫度。 瓦斯在煤體和圍巖中以游離狀態(tài)和吸附狀態(tài)存在，一般情況下處于動態(tài)平衡，當(dāng)外界溫度、壓力變化時，幾種狀態(tài)會互相轉(zhuǎn)化，煤層在開采過程中，瓦斯 2 被逸散出來，在井下積聚，造成瓦斯?jié)舛仍黾?，?dāng) 4CH 濃度達 5%～ 16%時具有爆炸性， 4CH 濃度為 %時，爆炸威力最大，當(dāng) 4CH 濃度小于 5%或大于 16%時，一般不會爆炸，遇明火只會燃燒，瓦斯爆炸的上下限是可變的，當(dāng)現(xiàn)場混合氣體的溫度和壓力發(fā)生變化或混入煤塵及其它可燃?xì)怏w時，可影響瓦斯爆炸的上下限，如空氣中的煤塵含量為 10～ 12 3mg/m 濃度達到 4%時，遇火就會爆炸。要消除引爆火源，必須嚴(yán)禁明電、明火下井，禁止明火放炮，要求井下電器設(shè)備必須防爆。所以控制瓦斯?jié)舛仁欠乐雇咚贡ǖ母?，實時掌握瓦斯?jié)舛葼顩r是煤礦安全的頭等大事。 國家關(guān)于煤礦安全濃度的規(guī)定 《煤礦安 全規(guī)程》對井下各點瓦斯?jié)舛纫?guī)定如下 ： (1) 礦井總回風(fēng)巷或一翼回風(fēng)巷風(fēng)流中瓦斯?jié)舛瘸^ %，礦總工程師必須立即查明原因，進行處理，并報告礦務(wù)局總工程師。 (2) 采區(qū)回風(fēng)巷、采掘工作面回風(fēng)巷風(fēng)流中瓦斯?jié)舛瘸^ 1%時，必須停止工作，撤出人員，并由礦總工程師負(fù)責(zé)采取措施，進行處理。 (3) 綜合機械化、水采和煤層厚度小于 8 米的保護層的采煤工作面，經(jīng)抽放瓦斯和增加風(fēng)量已達到最高允許風(fēng)速后，其回風(fēng)巷風(fēng)流中瓦斯?jié)舛热圆荒芙档偷?%以下時，經(jīng)礦務(wù)局局長批準(zhǔn)，瓦斯?jié)舛茸罡卟坏贸^ %，并應(yīng)符合下列要求 ： ① 工作 面的風(fēng)流控制必須可靠； ② 通風(fēng)巷必須保持設(shè)計斷面； ③ 必須制定安全措施，配 有專職瓦斯檢查員并安設(shè)瓦斯自動檢測報警、斷電裝置。 (4) 采掘工作面風(fēng)流中瓦斯?jié)舛冗_到 1%時，必須停止用電鉆打眼 。放炮地點附近 20 米以內(nèi)風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛冗_到 1%時，嚴(yán)禁放炮。采掘工作面風(fēng)流中瓦斯?jié)舛冗_到 %時，必須停止工作，撤出人員，切斷電源，進行處理 。電動機或其開關(guān)地點附近 20米以內(nèi)風(fēng)流中瓦斯?jié)舛冗_到 %時，必須停止運轉(zhuǎn)，撤出人員，切斷電源，進行處理。 (5) 采掘工作面內(nèi)，體積大于 ，局部積聚瓦斯?jié)舛冗_到 2%時，附近 20米內(nèi)，必須停止工作，撤出人員，切斷電源，進行處理。 (6) 綜合機械化采掘工作面，應(yīng)在采煤機和掘進機上安設(shè)機載式斷電儀，當(dāng)其附近瓦斯?jié)舛冗_到 1%時報警，達到 %時必須停止工作，切斷采煤機和掘進機的電源。 3 無線傳輸技術(shù)概述 常用的無線傳輸方式有 藍(lán)牙、紅外、 UWB、 ZigBee、 WIFI、微波、無線電波 ，其中 藍(lán)牙、紅外、 UWB、 ZigBee、 WIFI 適用于短距離或中距離無線信號傳輸，微波和無線電波適用于中遠(yuǎn)距離傳播，由于礦井巷道比較狹長，中短距離的無線傳輸方式在此無法使用，下面著重 介紹兩種較長距離數(shù)據(jù)傳送方式。 (1)無線電波 無線電波或射頻波是指在自由空間（包括空氣和真空）傳播的電磁波，其頻率 下限較不統(tǒng)一 ,在各種射頻規(guī)范書 ,常見的有三種 3kHz、 9kHz、 10kHz。 波長為3000 米～ 毫米 。無線電技術(shù)是通過無線電波傳播信號， 現(xiàn)在，無線電有著多種應(yīng)用形式， 包括無線數(shù)據(jù)網(wǎng)，各種移動通信以及無線電廣播等，其傳輸距離遠(yuǎn)，是應(yīng)用最廣的 無線通信手段。 (2)微波通信 微波通信 (Microwave Communication),是使用波長在 毫米至 1 米之間的電磁波進行的通信。微波通信不需要固體介質(zhì) ,當(dāng)兩點間直線距離內(nèi)無障礙時就可以使用微波傳送， 利用微波進行通信具有容量大、質(zhì)量好并可傳至很遠(yuǎn)的距離 ,因此是國家通信網(wǎng)的一種重要通信手段 ,也普遍適用于各種專用通信網(wǎng)，我國微波通信廣泛應(yīng)用 L、 S、 C、 X 諸頻段 ,K 頻段的應(yīng)用尚在開發(fā)之中。一般說來 ,由于地球幽面的影響以及空間傳輸?shù)膿p耗 ,每隔 50公里左右 ,就需要設(shè)置中繼站 ,將電波放大轉(zhuǎn)發(fā)而延伸。這種通 信方式 ,也稱為微波中繼通信或稱微波接力通信。長距離微波通信干線可以經(jīng)過幾十次中繼而傳至數(shù)千公里仍可保持很高的通信質(zhì)量。 煤礦有線監(jiān)控系統(tǒng)是煤礦安全生產(chǎn)的重要保障，但由于煤礦井下工況環(huán)境十分復(fù)雜，有線監(jiān)控系統(tǒng)由于自身的局限性還難以對瓦斯、煤塵、火災(zāi)、地壓、溫度、風(fēng)速等對礦井安全生產(chǎn)具有重要影響的礦井環(huán)境參數(shù)實施全面、有效和靈活的監(jiān)測，不可避免地留下大量的安全隱患。建立礦井無線安全監(jiān)測與預(yù)警信息系統(tǒng)可以對有線監(jiān)控系統(tǒng)難以監(jiān)測的區(qū)域?qū)嵤┦钟行А崟r和靈活的監(jiān)測。 礦井無線傳輸受工作頻率、導(dǎo)體、巷道截面 (包括形狀 尺寸 )、拐彎、分支、傾斜、風(fēng)門等影響，其特點有 ： ① 礦井無線傳輸受巷道截面和傳輸頻率影響。巷道截面越大，傳輸頻率越高，傳輸衰減越小。但在 300～ 900kHz頻率傳輸其衰減較小 。 4 ② 巷道截面對無線傳輸?shù)挠绊懗潭扰c波長有關(guān)，當(dāng)巷道截面等效半徑與波長相差不大于 10倍時 (無論等效半徑大于波長，還是波長大于等效半徑 )，巷道截面對無線傳輸?shù)挠绊戄^大；巷道截面等效半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長，或遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于波長時，巷道截面對無線傳輸?shù)挠绊戄^小。因此。巷道截面對中頻及其以下頻率的無線 傳輸影響較小，所以在本設(shè)計中可選用適當(dāng)頻率的無線電波作為無線傳輸方式。 煤礦瓦斯檢測儀的發(fā)展?fàn)顩r 多年來市場上用于瓦斯?jié)舛葯z測的儀器主要有：氣相色譜儀，氣敏元件傳感器，光學(xué)干涉儀等。 (1)氣相色譜儀 該類儀器可以檢測 4CH 、 CO、 C02等多種氣體，測量范圍大而且精度很高，但成本較高，目前國內(nèi)一臺這樣的儀器要 8萬元。這種儀器的缺點是：體積較大，無法方便攜帶，工作環(huán)境要求很高，無法進行野外探測；測量時要先對氣體取樣，無法實時探測，功率很大一般達到 2500W，需要與計算機相連。這種儀器目前主要應(yīng)用在實驗室內(nèi)。 (2)氣敏元件傳感器 該類儀器是以 “催化 ”元件作為傳感元件，利用催化元件在不同濃度的瓦斯中使電橋電阻發(fā)生變化而制成的，是目前礦井中最常見的瓦斯檢測手段。它的特點是：體積小、重量輕、線性度較好、可實現(xiàn)電量輸出、使用方便、價格便宜。但當(dāng)甲烷濃度較大時，催化元件溫度過高會使催化劑氧化或者燒斷鉑金絲而損壞儀器。該儀器的缺點是：測量范圍有限、精度較低、響應(yīng)時間長。 (3)光學(xué)干涉儀 該類儀器是利用光干涉的原理，當(dāng)兩束光所經(jīng)過光程相同時，干涉條紋不發(fā)生移動。如果氣 樣室中氣體的成分、溫度、壓力發(fā)生改變，則折射率會發(fā)生改變，光程也會發(fā)生變化，所看到的干涉條紋就發(fā)生移動。當(dāng)兩個氣室的溫度等條件相同時，由于甲烷的折射率 n=，而空氣的折射率 n=，便可以利用測量干涉條紋的移動對甲烷的濃度進行定量分析。這種儀器在使用中必須消除二氧化碳和水蒸氣的干擾。一般要在儀器的進氣口處加一個吸收管，裝入堿石灰和氯化鈣以吸收二氧化碳和水蒸氣。光學(xué)干涉儀的特點是：使用的條件要求不高，精度可以達到 ，一般礦井中的瓦斯安全員用的多為這種儀器。缺點是： 5 當(dāng)水蒸氣含量 較高時，測量精度下降，需要經(jīng)常更換藥品；儀器的安裝較困難，讀數(shù)不方便，讀數(shù)的精度直接與使用人員的操作有很大關(guān)系；測量范圍有限，精度不高。 綜合來說，目前市場上的每種系統(tǒng)都可能存在量程小、體積大、功耗大、需短期內(nèi)校準(zhǔn)、使用壽命短、無數(shù)據(jù)傳輸方式等其中某種或某幾種缺點。因此十分需要研制一種新型瓦斯?jié)舛葯z測儀以克服現(xiàn)有設(shè)備存在的各種問題，使其具有微型化、智能化、低功耗、無線化并能夠準(zhǔn)確的測量出現(xiàn)場的瓦斯?jié)舛葯z測儀。 本課題的研究意義 我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消費國，也是世界上少數(shù)幾個以煤為主要能源的國 家之一。雖然通過煤炭生產(chǎn)、加工和利用等各個環(huán)節(jié)，提供了相當(dāng)多的就業(yè)機會，但每個環(huán)節(jié)卻同時帶來了環(huán)境污染、安全等一系列的問題。其中之一便是有害氣體影響，包括 4CH ,CO , 2SO 等。后兩種氣體含量少，且 2SO 易溶于水，經(jīng)煤礦開采時的噴水處理后變成酸。但是 4CH 氣體含量多，且?guī)缀醪蝗苡谒瑢儆谝兹家妆瑲怏w，發(fā)生爆炸事極易 造成人身傷害。 瓦斯 ( 4CH )是在成煤過程中形成并大量貯存于煤層之中的氣體，對人體的危害是超限時能引起人窒息死亡。其有易燃、易爆等特點，因此煤礦對瓦斯的治理應(yīng)非常重視。瓦斯的災(zāi)害主要表現(xiàn)為四個方面。第一、瓦斯?jié)舛冗^高，對工人身體健康的影響表現(xiàn)為缺氧，呼吸困難，窒息等。第二、瓦斯煤塵爆炸，瓦斯爆炸所產(chǎn)生的巨大沖擊波和高溫火焰，往往導(dǎo)致群死群傷，而且揚起的煤塵又會參與爆炸，摧毀巷道，毀壞設(shè)備，甚至毀滅整個礦井，給國家和人民生命財產(chǎn)造成巨大損失。第二、煤中瓦斯突出。 突出直接影響著工人的人身安全。第四、大量的瓦斯從通風(fēng)井排入大氣，污染大氣環(huán)境。 我國煤礦的瓦斯災(zāi)害是比較嚴(yán)重的，瓦斯災(zāi)害始終是煤礦安全生產(chǎn)的大敵，日前已成為制約煤礦安全生產(chǎn)的主要矛盾。因此，研制先進適用的煤礦瓦斯氣體監(jiān)測儀對煤礦工業(yè)安全生產(chǎn)，減少事故發(fā)生和生命財產(chǎn)損失有重要意義，市場應(yīng)用前景十分廣闊。 本課題的主要工作內(nèi)容 本課題假設(shè)煤礦的礦井巷道無彎道，由甲烷傳感器檢測礦井空氣中甲烷的含量并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，經(jīng)信號調(diào)理和放大而成為標(biāo)準(zhǔn)電信號，然后標(biāo)準(zhǔn)電信 6 號經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入單片機中 ，然后經(jīng)無線發(fā)射模塊發(fā)射，由接收模塊接收信號后送入手持部分的單片機，經(jīng)處理后進行顯示和超限報警。 使用單片機 AT89C51 作為控制芯片，用匯編語言進行程序設(shè)計，采用甲烷氣體傳感器、信號調(diào)理電路、 A/D 轉(zhuǎn)換器、無線發(fā)射模塊、無線接收模塊加上顯示報警電路等器件構(gòu)成系統(tǒng)， 具體部件及其功能如下： (1) 使用數(shù)碼管顯示瓦斯?jié)舛鹊拇笮? (2) 使用報警電路，當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸^ 1%時發(fā)出報警信號 (3) 使用發(fā)射和接收模塊對信號進行無線傳輸 (4) 使用電源監(jiān)測電路對干電池電量進行監(jiān)測 目 前國內(nèi)有一些用于煤礦中 CH4氣體的 檢測儀，但是很少有能實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，本文針對煤礦氣體檢測儀的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，閱讀了大量文獻及資料，研發(fā)了基于無線傳輸?shù)耐咚節(jié)舛葯z測儀，本文的主要工作包括 ： (1) 甲烷氣體傳感器的選用 (2) 單片機的選用 (3) 系統(tǒng)方案的設(shè)計及論證 (4) 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 (5) 系統(tǒng)軟件的設(shè)計 7 2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 本系統(tǒng)的總體方案設(shè)計包括：系統(tǒng)總體構(gòu)成和工作原理；系統(tǒng)的設(shè)計要求或者指標(biāo)；系統(tǒng)設(shè)計原理。在第一部分中介紹了系統(tǒng)的總體的構(gòu)成及其由各部分組成的完整系統(tǒng)的工作原理。而在設(shè)計要求 中詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的設(shè)計要求，包含設(shè)計所應(yīng)達到的技術(shù)指標(biāo)和儀表在特殊場合的防爆設(shè)計要求。最后，在系統(tǒng)設(shè)計原理部分主要介紹了本設(shè)計主要用到的幾個器件的選擇及器件的性質(zhì)介紹。 系統(tǒng)總體構(gòu)成及工作原理 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖 。圖 濃度進行檢測和無線數(shù)據(jù)發(fā)射部分，主要由單片機、氣體檢測與變送單元、 A/D轉(zhuǎn)換