【正文】 .............................................................................. 30 附錄 A：現(xiàn)場(chǎng)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(guó)煤炭產(chǎn)量高居世界第一，國(guó)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(guó)的煤礦生產(chǎn)事故中，瓦斯爆炸造成的傷亡和損失成為實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的最大障礙 ， 及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)瓦斯?jié)舛群蛨?bào)告危險(xiǎn)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(guó)內(nèi)外煤礦研究所在此領(lǐng)域進(jìn)行了很長(zhǎng)時(shí)間的研究，開(kāi)發(fā)出很多種類型的瓦斯檢測(cè)儀，但目前已有的瓦斯檢測(cè)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(diǎn)。因此開(kāi)發(fā)研制便于攜帶、多功能、精度高的瓦斯檢測(cè)儀對(duì)促進(jìn)煤炭行業(yè)的安全生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義 。 煤礦瓦斯氣體概述 要設(shè)計(jì)一個(gè)瓦斯?jié)舛葯z測(cè)儀，就必須首先搞清楚瓦斯氣體，明確研究對(duì)象的性質(zhì)及其爆炸所需的條件等，只有在明確了研究對(duì)象之后，才能很好地對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，下面就將對(duì)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(diǎn)和性質(zhì)是搞好瓦斯管理的先決條件 。 瓦斯是煤礦開(kāi)采過(guò)程中的一種有害氣體的總稱，它有自己的性質(zhì)和特點(diǎn)，是可以被認(rèn)識(shí)的，也是可以被控制和利用的 。所以說(shuō)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(shí)，了解瓦斯的性質(zhì)和特點(diǎn)。礦井瓦斯是指從煤體和圍巖中逸出的以及在生產(chǎn)過(guò)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(wú)色無(wú)味的氣體 ， 不助燃，但當(dāng)與空氣混合到一定濃度時(shí)，遇火能燃燒或爆炸，爆炸界限為 5～ 16%?？諝庵屑淄闈舛瘸^(guò) 40%時(shí)，空氣中的氧含量將下降到 12%以下，此時(shí)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(gè)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(dòng)態(tài)平衡，當(dāng)外界溫度、壓力變化時(shí)，幾種狀態(tài)會(huì)互相轉(zhuǎn)化，煤層在開(kāi)采過(guò)程中，瓦斯 2 被逸散出來(lái)，在井下積聚，造成瓦斯?jié)舛仍黾?，?dāng) 4CH 濃度達(dá) 5%～ 16%時(shí)具有爆炸性， 4CH 濃度為 %時(shí)，爆炸威力最大，當(dāng) 4CH 濃度小于 5%或大于 16%時(shí)，一般不會(huì)爆炸，遇明火只會(huì)燃燒，瓦斯爆炸的上下限是可變的，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)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(shí)，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(dá)到 4%時(shí)，遇火就會(huì)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荆瑢?shí)時(shí)掌握瓦斯?jié)舛葼顩r是煤礦安全的頭等大事。 國(guó)家關(guān)于煤礦安全濃度的規(guī)定 《煤礦安 全規(guī)程》對(duì)井下各點(diǎn)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^(guò) %，礦總工程師必須立即查明原因，進(jìn)行處理，并報(bào)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^(guò) 1%時(shí)，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(jìn)行處理。 (3) 綜合機(jī)械化、水采和煤層厚度小于 8 米的保護(hù)層的采煤工作面，經(jīng)抽放瓦斯和增加風(fēng)量已達(dá)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(shí)，經(jīng)礦務(wù)局局長(zhǎng)批準(zhǔn)，瓦斯?jié)舛茸罡卟坏贸^(guò) %，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(jì)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(dòng)檢測(cè)報(bào)警、斷電裝置。 (4) 采掘工作面風(fēng)流中瓦斯?jié)舛冗_(dá)到 1%時(shí)，必須停止用電鉆打眼 。放炮地點(diǎn)附近 20 米以內(nèi)風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛冗_(dá)到 1%時(shí)，嚴(yán)禁放炮。采掘工作面風(fēng)流中瓦斯?jié)舛冗_(dá)到 %時(shí)，必須停止工作，撤出人員，切斷電源，進(jìn)行處理 。電動(dòng)機(jī)或其開(kāi)關(guān)地點(diǎn)附近 20米以內(nèi)風(fēng)流中瓦斯?jié)舛冗_(dá)到 %時(shí)，必須停止運(yùn)轉(zhuǎn)，撤出人員，切斷電源，進(jìn)行處理。 (5) 采掘工作面內(nèi)，體積大于 ，局部積聚瓦斯?jié)舛冗_(dá)到 2%時(shí)，附近 20米內(nèi)，必須停止工作，撤出人員，切斷電源，進(jìn)行處理。 (6) 綜合機(jī)械化采掘工作面，應(yīng)在采煤機(jī)和掘進(jìn)機(jī)上安設(shè)機(jī)載式斷電儀，當(dāng)其附近瓦斯?jié)舛冗_(dá)到 1%時(shí)報(bào)警，達(dá)到 %時(shí)必須停止工作，切斷采煤機(jī)和掘進(jìn)機(jī)的電源。 3 無(wú)線傳輸技術(shù)概述 常用的無(wú)線傳輸方式有 藍(lán)牙、紅外、 UWB、 ZigBee、 WIFI、微波、無(wú)線電波 ，其中 藍(lán)牙、紅外、 UWB、 ZigBee、 WIFI 適用于短距離或中距離無(wú)線信號(hào)傳輸，微波和無(wú)線電波適用于中遠(yuǎn)距離傳播，由于礦井巷道比較狹長(zhǎng)，中短距離的無(wú)線傳輸方式在此無(wú)法使用，下面著重 介紹兩種較長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳送方式。 (1)無(wú)線電波 無(wú)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(shū) ,常見(jiàn)的有三種 3kHz、 9kHz、 10kHz。 波長(zhǎng)為3000 米～ 毫米 。無(wú)線電技術(shù)是通過(guò)無(wú)線電波傳播信號(hào)， 現(xiàn)在，無(wú)線電有著多種應(yīng)用形式， 包括無(wú)線數(shù)據(jù)網(wǎng)，各種移動(dòng)通信以及無(wú)線電廣播等，其傳輸距離遠(yuǎn)，是應(yīng)用最廣的 無(wú)線通信手段。 (2)微波通信 微波通信 (Microwave Communication),是使用波長(zhǎng)在 毫米至 1 米之間的電磁波進(jìn)行的通信。微波通信不需要固體介質(zhì) ,當(dāng)兩點(diǎn)間直線距離內(nèi)無(wú)障礙時(shí)就可以使用微波傳送， 利用微波進(jìn)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(guó)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(guó)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(kāi)發(fā)之中。一般說(shuō)來(lái) ,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(zhǎng)距離微波通信干線可以經(jīng)過(guò)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(duì)瓦斯、煤塵、火災(zāi)、地壓、溫度、風(fēng)速等對(duì)礦井安全生產(chǎn)具有重要影響的礦井環(huán)境參數(shù)實(shí)施全面、有效和靈活的監(jiān)測(cè)，不可避免地留下大量的安全隱患。建立礦井無(wú)線安全監(jiān)測(cè)與預(yù)警信息系統(tǒng)可以對(duì)有線監(jiān)控系統(tǒng)難以監(jiān)測(cè)的區(qū)域?qū)嵤┦钟行?、?shí)時(shí)和靈活的監(jiān)測(cè)。 礦井無(wú)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(mén)等影響，其特點(diǎn)有 ： ① 礦井無(wú)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(duì)無(wú)線傳輸?shù)挠绊懗潭扰c波長(zhǎng)有關(guān)，當(dāng)巷道截面等效半徑與波長(zhǎng)相差不大于 10倍時(shí) (無(wú)論等效半徑大于波長(zhǎng)，還是波長(zhǎng)大于等效半徑 )，巷道截面對(duì)無(wú)線傳輸?shù)挠绊戄^大；巷道截面等效半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，或遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)時(shí)，巷道截面對(duì)無(wú)線傳輸?shù)挠绊戄^小。因此。巷道截面對(duì)中頻及其以下頻率的無(wú)線 傳輸影響較小，所以在本設(shè)計(jì)中可選用適當(dāng)頻率的無(wú)線電波作為無(wú)線傳輸方式。 煤礦瓦斯檢測(cè)儀的發(fā)展?fàn)顩r 多年來(lái)市場(chǎng)上用于瓦斯?jié)舛葯z測(cè)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(cè) 4CH 、 CO、 C02等多種氣體，測(cè)量范圍大而且精度很高，但成本較高，目前國(guó)內(nèi)一臺(tái)這樣的儀器要 8萬(wàn)元。這種儀器的缺點(diǎn)是：體積較大，無(wú)法方便攜帶，工作環(huán)境要求很高，無(wú)法進(jìn)行野外探測(cè)；測(cè)量時(shí)要先對(duì)氣體取樣，無(wú)法實(shí)時(shí)探測(cè)，功率很大一般達(dá)到 2500W，需要與計(jì)算機(jī)相連。這種儀器目前主要應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)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(jiàn)的瓦斯檢測(cè)手段。它的特點(diǎn)是：體積小、重量輕、線性度較好、可實(shí)現(xiàn)電量輸出、使用方便、價(jià)格便宜。但當(dāng)甲烷濃度較大時(shí)，催化元件溫度過(guò)高會(huì)使催化劑氧化或者燒斷鉑金絲而損壞儀器。該儀器的缺點(diǎn)是：測(cè)量范圍有限、精度較低、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。 (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(guò)光程相同時(shí)，干涉條紋不發(fā)生移動(dòng)。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(huì)發(fā)生改變，光程也會(huì)發(fā)生變化，所看到的干涉條紋就發(fā)生移動(dòng)。當(dāng)兩個(gè)氣室的溫度等條件相同時(shí)，由于甲烷的折射率 n=，而空氣的折射率 n=，便可以利用測(cè)量干涉條紋的移動(dòng)對(duì)甲烷的濃度進(jìn)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(jìn)氣口處加一個(gè)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(diǎn)是：使用的條件要求不高，精度可以達(dá)到 ，一般礦井中的瓦斯安全員用的多為這種儀器。缺點(diǎn)是： 5 當(dāng)水蒸氣含量 較高時(shí)，測(cè)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(cè)量范圍有限，精度不高。 綜合來(lái)說(shuō)，目前市場(chǎng)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(wú)數(shù)據(jù)傳輸方式等其中某種或某幾種缺點(diǎn)。因此十分需要研制一種新型瓦斯?jié)舛葯z測(cè)儀以克服現(xiàn)有設(shè)備存在的各種問(wèn)題，使其具有微型化、智能化、低功耗、無(wú)線化并能夠準(zhǔn)確的測(cè)量出現(xiàn)場(chǎng)的瓦斯?jié)舛葯z測(cè)儀。 本課題的研究意義 我國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)，也是世界上少數(shù)幾個(gè)以煤為主要能源的國(guó) 家之一。雖然通過(guò)煤炭生產(chǎn)、加工和利用等各個(gè)環(huán)節(jié)，提供了相當(dāng)多的就業(yè)機(jī)會(huì)，但每個(gè)環(huán)節(jié)卻同時(shí)帶來(lái)了環(huán)境污染、安全等一系列的問(wèn)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(kāi)采時(shí)的噴水處理后變成酸。但是 4CH 氣體含量多，且?guī)缀醪蝗苡谒?，屬于易燃易爆氣體，發(fā)生爆炸事極易 造成人身傷害。 瓦斯 ( 4CH )是在成煤過(guò)程中形成并大量貯存于煤層之中的氣體，對(duì)人體的危害是超限時(shí)能引起人窒息死亡。其有易燃、易爆等特點(diǎn)，因此煤礦對(duì)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(gè)方面。第一、瓦斯?jié)舛冗^(guò)高，對(duì)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(yáng)起的煤塵又會(huì)參與爆炸，摧毀巷道，毀壞設(shè)備，甚至毀滅整個(gè)礦井，給國(guó)家和人民生命財(cái)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(guó)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(jìn)適用的煤礦瓦斯氣體監(jiān)測(cè)儀對(duì)煤礦工業(yè)安全生產(chǎn)，減少事故發(fā)生和生命財(cái)產(chǎn)損失有重要意義，市場(chǎng)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(wú)彎道，由甲烷傳感器檢測(cè)礦井空氣中甲烷的含量并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理和放大而成為標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，然后標(biāo)準(zhǔn)電信 6 號(hào)經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)中 ，然后經(jīng)無(wú)線發(fā)射模塊發(fā)射，由接收模塊接收信號(hào)后送入手持部分的單片機(jī)，經(jīng)處理后進(jìn)行顯示和超限報(bào)警。 使用單片機(jī) AT89C51 作為控制芯片，用匯編語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，采用甲烷氣體傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、 A/D 轉(zhuǎn)換器、無(wú)線發(fā)射模塊、無(wú)線接收模塊加上顯示報(bào)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(bào)警電路，當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸^(guò) 1%時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào) (3) 使用發(fā)射和接收模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行無(wú)線傳輸 (4) 使用電源監(jiān)測(cè)電路對(duì)干電池電量進(jìn)行監(jiān)測(cè) 目 前國(guó)內(nèi)有一些用于煤礦中 CH4氣體的 檢測(cè)儀，但是很少有能實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，本文針?duì)煤礦氣體檢測(cè)儀的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，閱讀了大量文獻(xiàn)及資料，研發(fā)了基于無(wú)線傳輸?shù)耐咚節(jié)舛葯z測(cè)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(jī)的選用 (3) 系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)及論證 (4) 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì) (5) 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 7 2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)包括：系統(tǒng)總體構(gòu)成和工作原理；系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求或者指標(biāo)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)要求 中詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，包含設(shè)計(jì)所應(yīng)達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)和儀表在特殊場(chǎng)合的防爆設(shè)計(jì)要求。最后，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理部分主要介紹了本設(shè)計(jì)主要用到的幾個(gè)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(jìn)行檢測(cè)和無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)射部分，主要由單片機(jī)、氣體檢測(cè)與變送單元、 A/D轉(zhuǎn)換電路、電