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基于單片機的瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計-文庫吧

2024-11-11 23:01 本頁面


【正文】 的目的和意義 在煤礦生產(chǎn)中,隨著煤層采動,煤層中往往會涌出礦井瓦斯,瓦斯是煤礦開采中所產(chǎn)生的 有害氣體總稱,它具有獨特的性質(zhì)和特點。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,一般情況下處于動態(tài)平衡。當(dāng)外界溫度、壓力變化時這幾種狀態(tài)就會發(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)舛鹊脑黾樱?dāng)瓦斯?jié)舛冗_到 5%16%時具有爆炸性,瓦斯?jié)舛葹?%時爆炸威力最大,當(dāng)瓦斯?jié)舛刃∮?5%或大于 16%時,一般不會爆炸,遇明火只會燃燒,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、建設(shè)、安全生產(chǎn)及經(jīng)濟利益。我國一 些煤礦由于瓦斯預(yù)測不準,造成礦井投產(chǎn)后事故頻繁發(fā)生。因此準確而迅速地測出礦井瓦斯涌出量與突出危險區(qū)域,對煤礦安全生產(chǎn)和提高經(jīng)濟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,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,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,混合氣體就失去爆炸性。 ( 3) 煤塵 煤塵具有爆炸危險, 300~ 400℃時就能從煤塵內(nèi)揮發(fā)出多種可燃氣體,形成混合的爆炸氣體,使瓦斯的爆炸危險性增加 . ( 4) 空氣壓力 爆炸前的初始壓力對瓦斯爆炸上限有很大影響??杀詺怏w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)、社會公用事業(yè)、環(huán)境保護等領(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)指標方面均有明顯的提高,尤其精度、穩(wěn)定性與壽命指標,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、報警點的設(shè)置,聲光報警,開機指示,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:自動校正 和 可燃氣的對比參數(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)計的主要內(nèi)容與要求是:設(shè)計一個 瓦斯 氣體安全監(jiān)控裝置,在氣休濃度一定的范圍內(nèi)進行安全檢測,并能在被控對象氣體濃度超過標準值時進行報警,避免造成人員傷亡。假 設(shè)這個單片機氣體安全監(jiān)控系統(tǒng)要實現(xiàn)以下的功能:氣體測試,超過設(shè)定的門限值后自動報警裝置。以單片機為主機,氣敏傳感器通過一根口線與單片機相連接,再加上濃度控制部分和人機對話部分來共同實現(xiàn) 瓦斯 安全監(jiān)測與控制。 用單片機實現(xiàn)其具體控制功能如下: ( 1) 能夠連續(xù)測量 瓦斯 氣體,用十進制數(shù)碼管顯示水的實際濃度度值。 ( 2) 瓦斯 檢測儀的檢測范圍是 0— 1000ppm 報警門限為 50ppm, 100ppm。 ( 3) 用單片機 AT89C51 控制,通過自動監(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)計的瓦斯自動報警系統(tǒng)采用 AT89C51 作為單片機進行控制,傳感信號由氣敏電阻和放大器轉(zhuǎn)換成電信號,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、報警點的設(shè)置,聲光報警,開機指示,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,以及時中斷主程序,實現(xiàn)按鍵控制。 本論文針對 AT89C51 單片機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,詳細敘述了該實例的物理工作 原理和電路工作原理 。 2 瓦斯 監(jiān)控系統(tǒng)的總體 設(shè)計 方案 概述 一個易燃易爆氣體監(jiān)控系統(tǒng)能夠及時的發(fā)現(xiàn)易燃易爆氣體并報警,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),有利于整個社會穩(wěn)定?;谶@個思路,我們研究設(shè)計了易燃易爆氣體監(jiān)控系統(tǒng)。當(dāng)氣體的濃度超出某一設(shè)定范圍后會產(chǎn)生報警并實時的關(guān)閉氣體閥門,從而達到實時安全監(jiān)控作用。 設(shè)計方案 針對此課題要求,現(xiàn)提出以下二種設(shè)計方案: 3 總體方案一:基于 FPGA 的總體設(shè)計模塊。 F P G A晶 振報 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,是一個效率比較高的設(shè)計方案,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)可以分兩個部分,前一部分主要是關(guān)于傳感器的信號,包括信號的監(jiān)測、發(fā)大和 A/D轉(zhuǎn)換。氣敏傳感器輸出的信號是毫伏級的,所以要經(jīng)過運放發(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,系統(tǒng)便會報警,并且控制閥電路工作加快空氣流動。該系統(tǒng)的可靠性強,容易實現(xiàn),但 FPGA作為核心電路,成本是其最大的障礙,因為本產(chǎn)品是要進入平常百姓家,不能在實際產(chǎn)品中的應(yīng)用。 總體方案二:基于單片機的總體設(shè)計模塊。 4 8 9 C 5 1晶 振報 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)是以單片機為核心,系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能幾乎與前面方案一樣,具有信號的監(jiān)控處理和報警顯示和自動控制閥門。用單片機完全可以取代了方案一的 FPGA的功能,使整體的價格大幅度的下降,具有很高的實際開發(fā)價值。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)此信號來控制不同的操作。比如報警模塊的狀態(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)置了四級報警等級,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 ,因為實驗環(huán)境的原因,這里的等級之分并不是準確的定量,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)計方案,根據(jù)各種性能以及實驗室的各種環(huán)境以及芯片等原因,第二種方案是作為本系統(tǒng)的設(shè)計方案。優(yōu)點:功能強大,精度高,性能穩(wěn)定,實際可行性很強,而且適合性能的擴展。 3 系統(tǒng)的 硬件設(shè)計 本系統(tǒng)的基本組成單元包括:主控單元、氣體采樣單元、單片機控制單元、調(diào)節(jié)執(zhí)行單元、電源、報警單元六部分,本章將逐一進行介紹。 5 主控單元 的設(shè)計 主控單元如圖 3 所示。監(jiān)控系統(tǒng)的核心將采用 C51 系列單片機中的 AT89C51,這類單片機是在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。由于這類單片機具有更加優(yōu)越的特點,將取代 MCS51 系列成為第三代單片機。 圖 3 主控單元 AT89C51 系列單片機介紹: 一、 AT89C51 系列基本組成及特性 在眾多的 51系列單片機中,要算 ATMEL 公司的 AT89C51更實用,因為它不但和 8051指令、管腳完全兼容,而且其片內(nèi)的 4K程序存儲器是 FLASH工藝的,這種工藝的存儲器,用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫,一般專為 AT
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