【正文】 的目的和意義 在煤礦生產(chǎn)中，隨著煤層采動(dòng)，煤層中往往會(huì)涌出礦井瓦斯，瓦斯是煤礦開采中所產(chǎn)生的 有害氣體總稱，它具有獨(dú)特的性質(zhì)和特點(diǎn)。瓦斯的主要成份是甲烷，一氧化碳，二氧化碳，二氧化硫和硫化氫等。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)這幾種狀態(tài)就會(huì)發(fā)生相互轉(zhuǎn)化。瓦斯在煤層開采過程中被逸散出來，在井下積累造成井下瓦斯?jié)舛鹊脑黾?，?dāng)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到 5%16%時(shí)具有爆炸性，瓦斯?jié)舛葹?%時(shí)爆炸威力最大，當(dāng)瓦斯?jié)舛刃∮?5%或大于 16%時(shí)，一般不會(huì)爆炸，遇明火只會(huì)燃燒，形成燃燒事故。因此煤層瓦斯?jié)舛鹊拇笮≈苯佑绊懨旱V的設(shè)計(jì)、建設(shè)、安全生產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)利益。我國一 些煤礦由于瓦斯預(yù)測不準(zhǔn)，造成礦井投產(chǎn)后事故頻繁發(fā)生。因此準(zhǔn)確而迅速地測出礦井瓦斯涌出量與突出危險(xiǎn)區(qū)域，對煤礦安全生產(chǎn)和提高經(jīng)濟(jì)效益具有重大的意義。 瓦斯爆炸的主要參數(shù) : （ 1） 瓦斯的爆炸濃度 在正常的大氣環(huán)境中，瓦斯只在一定的濃度范圍內(nèi)爆炸，這個(gè)濃度范圍稱瓦斯的爆炸界限，其最低濃度界限叫爆炸下限，其最高濃度界限叫爆炸上限，瓦斯在空氣中的爆炸下限為 5～ 6％，上限為 14～ 16％。瓦斯爆炸界限不是固定不變的，它受到許多因素的影響，其中重要的有： （ 2） 氧的濃度 正常大氣壓和常溫時(shí)，瓦斯爆炸濃度與氧濃度關(guān)系，如柯瓦 德爆炸三角形。氧濃度降低時(shí)，爆炸下限變化不大 (BE 線 )爆炸上限則明顯降低 (CE 線 )。氧濃度低于 12％時(shí)，混合氣體就失去爆炸性。 （ 3） 煤塵 煤塵具有爆炸危險(xiǎn)， 300～ 400℃時(shí)就能從煤塵內(nèi)揮發(fā)出多種可燃?xì)怏w，形成混合的爆炸氣體，使瓦斯的爆炸危險(xiǎn)性增加 . （ 4） 空氣壓力 爆炸前的初始?jí)毫ν咚贡ㄉ舷抻泻艽笥绊?。可爆性氣體壓力增高，使其分子間距更為接近，碰撞幾率增高。 國內(nèi)外氣體檢測 監(jiān)控 系統(tǒng) 研究現(xiàn)狀 氣體檢測 監(jiān)控系統(tǒng) 是工礦企業(yè)、社會(huì)公用事業(yè)、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域必備的安全設(shè)備。經(jīng)過 20 多年的努力，氣體檢測儀表的敏感元件性能、質(zhì)量有了根本性的改善。在可測氣體種類、測量范圍、精度、穩(wěn)定性和壽命等主要技術(shù)指標(biāo)方面均有明顯的提高，尤其精度、穩(wěn)定性與壽命指標(biāo)，提高了幾倍。目前有代表性的是法國 OLDHAM 公司的 MX21，德國 Drager 公司的 Multiwarn，日本理研株式會(huì)社的 GX8 GX11 GX9 GX82 系列，美國 GasTech 公司的 GT、 SAFETMTE 等儀表。我們通過這幾種儀表的介紹和分析，概要說明 氣體檢測監(jiān)控系統(tǒng) 的現(xiàn)狀。 （ 1） 氣體敏感元件的性能便攜式氣體監(jiān)測儀表使用的氣體敏感 元件性能即代表了儀表整體的性能。 2 （ 2） 氣體儀表的功能氣體檢測儀表的功能主要是指所測氣體濃度值、報(bào)警點(diǎn)的設(shè)置，聲光報(bào)警，開機(jī)指示，電池欠壓指示等。 （ 3） 氣體儀表的智能化儀表的智能化是當(dāng)今電子產(chǎn)品的發(fā)展方向。目前技術(shù)水平較高的“智能化”，即程序化功能是指：自動(dòng)校正 和 可燃?xì)獾膶Ρ葏?shù)。 課題研究的內(nèi)容和方案 課題研究的內(nèi)容及要求 這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容與要求是：設(shè)計(jì)一個(gè) 瓦斯 氣體安全監(jiān)控裝置，在氣休濃度一定的范圍內(nèi)進(jìn)行安全檢測，并能在被控對象氣體濃度超過標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)進(jìn)行報(bào)警，避免造成人員傷亡。假 設(shè)這個(gè)單片機(jī)氣體安全監(jiān)控系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)以下的功能：氣體測試，超過設(shè)定的門限值后自動(dòng)報(bào)警裝置。以單片機(jī)為主機(jī)，氣敏傳感器通過一根口線與單片機(jī)相連接，再加上濃度控制部分和人機(jī)對話部分來共同實(shí)現(xiàn) 瓦斯 安全監(jiān)測與控制。 用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)其具體控制功能如下： （ 1） 能夠連續(xù)測量 瓦斯 氣體，用十進(jìn)制數(shù)碼管顯示水的實(shí)際濃度度值。 （ 2） 瓦斯 檢測儀的檢測范圍是 0— 1000ppm 報(bào)警門限為 50ppm, 100ppm。 （ 3） 用單片機(jī) AT89C51 控制，通過自動(dòng)監(jiān)控 瓦斯 氣體濃度設(shè)定值，數(shù)值采用數(shù)碼管顯示。 課題研究的總體解決方 案 本論文中設(shè)計(jì)的瓦斯自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)采用 AT89C51 作為單片機(jī)進(jìn)行控制，傳感信號(hào)由氣敏電阻和放大器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由 ADC0809 轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，監(jiān)測電路可靠工作，氣體設(shè)定采用按鍵移位式設(shè)定方法，使電路結(jié)構(gòu)簡單，氣體檢測儀表的功能主要是指所測氣體濃度值、報(bào)警點(diǎn)的設(shè)置，聲光報(bào)警，開機(jī)指示，電池欠壓指示等。軟件算法采用設(shè)定值和測量值比較的算法，并采用中斷程序，以及時(shí)中斷主程序，實(shí)現(xiàn)按鍵控制。 本論文針對 AT89C51 單片機(jī)在檢測和過程控制方面的應(yīng)用來分析 瓦斯 氣體濃度控制系統(tǒng)。在分析過程中，詳細(xì)敘述了該實(shí)例的物理工作 原理和電路工作原理 。 2 瓦斯 監(jiān)控系統(tǒng)的總體 設(shè)計(jì) 方案 概述 一個(gè)易燃易爆氣體監(jiān)控系統(tǒng)能夠及時(shí)的發(fā)現(xiàn)易燃易爆氣體并報(bào)警，肯定能提高人民的生活水平和加快我們的現(xiàn)代化建設(shè)，有利于整個(gè)社會(huì)穩(wěn)定?；谶@個(gè)思路，我們研究設(shè)計(jì)了易燃易爆氣體監(jiān)控系統(tǒng)。當(dāng)氣體的濃度超出某一設(shè)定范圍后會(huì)產(chǎn)生報(bào)警并實(shí)時(shí)的關(guān)閉氣體閥門，從而達(dá)到實(shí)時(shí)安全監(jiān)控作用。 設(shè)計(jì)方案 針對此課題要求，現(xiàn)提出以下二種設(shè)計(jì)方案： 3 總體方案一：基于 FPGA 的總體設(shè)計(jì)模塊。 F P G A晶 振報(bào) 警 模 塊數(shù) 碼 管 顯 示氣 敏 傳 感 器 放 大 電 路A D C 0 8 0 9復(fù) 位 電 路電 源 電 路 按 鍵 電 路控 制 閥 電 路 圖 1 方案一 總體框圖 方案一總體框圖如圖 1所示。本系統(tǒng)基于 FPGA，充分利用了它的功能，是一個(gè)效率比較高的設(shè)計(jì)方案，從框圖可以看出系統(tǒng)的核心處理模塊幾乎全是要經(jīng)過 FPGA。系統(tǒng)可以分兩個(gè)部分，前一部分主要是關(guān)于傳感器的信號(hào)，包括信號(hào)的監(jiān)測、發(fā)大和 A/D轉(zhuǎn)換。氣敏傳感器輸出的信號(hào)是毫伏級(jí)的，所以要經(jīng)過運(yùn)放發(fā)大后送給 ADC0809轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，最終送給 FPGA來處理， FPGA根據(jù)檢測量的大小將氣體濃度顯示到數(shù)碼管上，當(dāng)檢測到的氣體濃度超過設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)便會(huì)報(bào)警，并且控制閥電路工作加快空氣流動(dòng)。該系統(tǒng)的可靠性強(qiáng)，容易實(shí)現(xiàn)，但 FPGA作為核心電路，成本是其最大的障礙，因?yàn)楸井a(chǎn)品是要進(jìn)入平常百姓家，不能在實(shí)際產(chǎn)品中的應(yīng)用。 總體方案二：基于單片機(jī)的總體設(shè)計(jì)模塊。 4 8 9 C 5 1晶 振報(bào) 警 模 塊數(shù) 碼 管 顯 示氣 敏 傳 感 器 放 大 電 路A D C 0 8 0 9復(fù) 位 電 路電 源 電 路 按 鍵 電 路控 制 閥 電 路 圖 2 方案二總體框圖 方案二總體框圖如圖 2所示。本系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心，系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能幾乎與前面方案一樣，具有信號(hào)的監(jiān)控處理和報(bào)警顯示和自動(dòng)控制閥門。用單片機(jī)完全可以取代了方案一的 FPGA的功能，使整體的價(jià)格大幅度的下降，具有很高的實(shí)際開發(fā)價(jià)值。氣敏傳感器的電路的處理使其精度可能受到周圍的環(huán)境的影響比較大，方 案一也是一樣。 綜合考慮采用方案二。 系統(tǒng)分析 單片機(jī)處理部分作為本系統(tǒng)的核心部分，其主要的功能是檢測氣體濃度，并根據(jù)此信號(hào)來控制不同的操作。比如報(bào)警模塊的狀態(tài)、數(shù)碼管的不同的狀態(tài)顯示和控制閥電路的工作狀態(tài)。 系統(tǒng)的原理圖參見附錄 A. 我們在系統(tǒng)里設(shè)置了四級(jí)報(bào)警等級(jí)，是根據(jù)前端的不同的氣體濃度情況下設(shè)置的，分別為 gas detected、 warning、 may explode、 dangerous ，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)環(huán)境的原因，這里的等級(jí)之分并不是準(zhǔn)確的定量，而是定性而得的結(jié)果。 本章小結(jié) 總結(jié)和分析 了前面所想到的二種設(shè)計(jì)方案，根據(jù)各種性能以及實(shí)驗(yàn)室的各種環(huán)境以及芯片等原因，第二種方案是作為本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。優(yōu)點(diǎn)：功能強(qiáng)大，精度高，性能穩(wěn)定，實(shí)際可行性很強(qiáng)，而且適合性能的擴(kuò)展。 3 系統(tǒng)的 硬件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)的基本組成單元包括：主控單元、氣體采樣單元、單片機(jī)控制單元、調(diào)節(jié)執(zhí)行單元、電源、報(bào)警單元六部分，本章將逐一進(jìn)行介紹。 5 主控單元 的設(shè)計(jì) 主控單元如圖 3 所示。監(jiān)控系統(tǒng)的核心將采用 C51 系列單片機(jī)中的 AT89C51，這類單片機(jī)是在MCS51的 CMOS基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，與 MCS51系列相兼容，保留了 它的全部特性，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也基本相同。由于這類單片機(jī)具有更加優(yōu)越的特點(diǎn)，將取代 MCS51 系列成為第三代單片機(jī)。 圖 3 主控單元 AT89C51 系列單片機(jī)介紹： 一、 AT89C51 系列基本組成及特性 在眾多的 51系列單片機(jī)中，要算 ATMEL 公司的 AT89C51更實(shí)用，因?yàn)樗坏?8051指令、管腳完全兼容，而且其片內(nèi)的 4K程序存儲(chǔ)器是 FLASH工藝的，這種工藝的存儲(chǔ)器，用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫，一般專為 AT