【正文】 開關(guān)，有簡單、方便、準(zhǔn)確、實(shí)用等特點(diǎn)。 關(guān)鍵字： 單片機(jī) ， 瓦斯氣體檢測 ， 氣敏傳感器 ， 報(bào)警 ，實(shí)用 Hardware Design of Gas Monitoring System Based on MCU III Abstract This paper summarizes the present situation of gas monitors and its basic principle, mainly discusses the use of the single chip microputer to gas monitor methods of design and realization. Gas monitor is a kind of the single chip microputer control intelligent instruments, in order to satisfy the coal mine underground use is easy to carry, safety and reliability requirements, on the design made the following the necessary to consider: considering the miniaturization of instrument structure, as well as future improvement convenience, we will deal with the modular MCU. System modules are made by singlechip microputer control pleted. In view of present situation design a portable gas monitors, underground based on singlechip microputer is gas sensor, the acquisition of the analog transfer to the A/D converter converted into digital quantity to MCU processing, when gas concentration close to dangerous value, automatic alarm and remind miners to leave at once. The equipment and also with sensitivity adjustment and testing strength, switch to adjust simple, convenient and accurate, practical and so on the characteristic. Key words: MCU, Gas detection, gas sensor, alarm, practical 1 第 1 章 引言 課題背景 我國是煤炭生產(chǎn)大國，隨著煤礦機(jī)械化程度的提高，礦井生產(chǎn)能力和生產(chǎn)效率普 遍加大，煤炭年產(chǎn)量居世界首位，產(chǎn)煤量占世界總產(chǎn)煤量的 20%。但同時(shí)我國也是煤礦安全形勢最為嚴(yán)峻的國家之一。 自 2020 年以來，隨著國家對煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)要求的不斷提高和企業(yè)自身發(fā)展的需 要，我國各大、中、小煤礦的高瓦斯或瓦斯突出礦井陸續(xù)在裝備礦井檢測監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)的裝備大大提高了礦井安全生產(chǎn)水平和安全生產(chǎn)管理效率，同時(shí)也為該技術(shù)的正確選擇、使用、維護(hù)和企業(yè)安全生產(chǎn)信息化管理提出了更高的要求。 近年來，瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出等災(zāi)害，嚴(yán)重威脅著煤礦的安全生產(chǎn)和數(shù)百萬名 煤礦工 人 的生命安全 ， 瓦斯災(zāi)害已成為制約我國煤礦安 全生產(chǎn)和煤炭工業(yè)發(fā)展的重要因素 ，可以說 瓦斯爆炸已經(jīng)成為礦難的第一大禍?zhǔn)住? 國有地方和鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦中，高瓦斯礦井和煤與瓦斯突出礦井占 15%左右。 在許多發(fā)達(dá)國家中為了減少事故的發(fā)生，一般不會(huì)開采高瓦斯災(zāi)害隱患嚴(yán)重的礦井。但中國是一個(gè)能源饑渴大國，煤炭是我國的主要能源，占一次性能源構(gòu)成的 75%， 所以不論是低瓦斯還是高瓦斯，都在積極創(chuàng)造條件，照采不誤。 多年來的實(shí)踐證明， 瓦斯?jié)舛鹊?檢測 監(jiān)控器在監(jiān)測煤礦井下安全狀況，防范安全隱患方面起著重要作用，充分發(fā)揮其作用，是我國煤礦安全形勢實(shí)現(xiàn)好轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。 近年來，國有重點(diǎn)煤礦瓦斯爆 炸事故較少的原因之一，就是絕大多數(shù)煤礦的高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井安裝了瓦斯 濃度 監(jiān)測監(jiān)控 器 。 綜上所述，瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測監(jiān)控器所要實(shí)現(xiàn)的功能包括根據(jù)所選的瓦斯傳感器來設(shè)定瓦斯?jié)舛阮A(yù)警值，采集瓦斯?jié)舛炔⑦M(jìn)行濃度顯示及處理。當(dāng)實(shí)際濃度超限時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警并同時(shí)控制排風(fēng)扇進(jìn)行排風(fēng)以降低濃度含量。所以開發(fā)設(shè)計(jì)出一種操作簡單的瓦斯監(jiān)測監(jiān)控器，對有效的預(yù)防和減少瓦斯爆炸具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義。 課題研究的目的和意義 能源工業(yè)是一個(gè)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈。近年來，隨著石油的緊張，石油價(jià)格的飆升，煤炭行業(yè)的重要地位和不可替代性也日 益顯現(xiàn)。然而，中國煤炭行業(yè)的安全形勢卻不容樂觀，尤其是重、特大 瓦斯爆炸 事故屢見報(bào)端， 2020 年全國煤礦發(fā)生瓦斯事故 135 起，死亡 593 人。在這些事故中，瓦斯爆炸 又 占絕大多數(shù)。這其中，固然有很多誘發(fā)因素，但煤礦生產(chǎn)企業(yè)安全監(jiān)測設(shè)備不完備、管理手段落后是造成事故的重要因素之一。 煤礦中含有大量的甲烷（ CH4）等易燃易爆氣體，發(fā)生事故后會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，危及礦工的生命。隨著煤礦開采技術(shù)手段的不斷改進(jìn)和開采規(guī)模的擴(kuò)大及開采深度的不斷延伸，安全隱患越來越多，瓦斯事故特別是中、特大瓦斯事故在煤礦事故中所占的比例也越 來越高。如果不把瓦斯事故控制住，就不能實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)狀況的穩(wěn)定，也就無法保障煤炭工業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展。所以，對煤礦井下瓦斯氣 2 體進(jìn)行快速準(zhǔn)確的監(jiān)測顯得尤為重要，對易燃易爆混合氣體監(jiān)測的研究和開發(fā)也成為人們一直關(guān)注的問題。 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)舛鹊脑黾樱?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。 國內(nèi)外瓦斯監(jiān)測的現(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 GX8GX11 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。 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。 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。 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)。 國內(nèi)對瓦斯的檢測以甲烷檢測為主 ， 毒氣的檢測以一氧化碳檢測為主 。而國外用可燃性氣體的檢測代替單一甲烷氣體的測量 ， 毒氣包括硫化氫的測量。 單從我國技術(shù)發(fā)展上來說，我國在瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用上起 步較晚，上世紀(jì) 80 年代初才從國外引進(jìn)了這一系統(tǒng)，而且僅用于部分國有重點(diǎn)煤礦，所以就瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)而言，目前也存在著不夠完善的地方： 我國煤礦的瓦斯災(zāi)害防治技術(shù)雖已處于世界先進(jìn)水平，但防災(zāi)抗災(zāi)的安全儀表和裝備的技術(shù)水平與國外相比差距較大。 受技術(shù)條件限制，許多煤礦的瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)無法傳輸給集團(tuán)公司或上級主管部門，仍未建立全集團(tuán)或整個(gè)地區(qū)的瓦斯監(jiān)測監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。 已安裝的瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)型號(hào)各異，信號(hào)傳輸方式不盡相同，有的采取時(shí)分制，有的采取頻 3 分制，還有的利用載波傳輸，給系統(tǒng)的管理、使用、維護(hù)以及聯(lián)網(wǎng)帶 來諸多不便。 由于瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)對氣體傳感器的精度、性能、穩(wěn)定性方面的要求越來越高，因此對氣體傳感器的研究和開發(fā)也越來越重要。 瓦斯監(jiān)測的發(fā)展方向 隨著我國電子技術(shù)以及各項(xiàng)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，作為保證我國煤礦安全生產(chǎn)的有效措施之一的煤礦瓦斯監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)在科研和應(yīng)用方面必定會(huì)在原有基礎(chǔ)上不斷的加以完善，并取得長足的發(fā)展。 研制高可靠性、品種齊全的各類礦用傳感器。目前，國內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)的配套傳感器主要存在 兩大 問題：一 是 品種不全，用于檢測環(huán)境參數(shù)的傳感器較多，而用于生產(chǎn)設(shè)備工作運(yùn)行狀況參數(shù)的傳感器少；二 是現(xiàn)有的傳感器不同程度存在精度差、可靠性不高的缺陷特別是用于瓦斯綜合治理和災(zāi)害預(yù)測的甲烷傳感器， 也 存在使用壽命短、工作穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)，嚴(yán)重制約著礦井瓦斯的 安全 檢測。為了滿足安全生產(chǎn)的需求，隨著先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，氣體傳感器發(fā)展的趨勢應(yīng)該是微型化、智能化和多功能化。 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，在一定范圍內(nèi)對氣休的濃度進(jìn)行安全檢測，并能在被檢測氣體濃度超過危險(xiǎn)值時(shí)進(jìn)行報(bào)警，避免造成人員傷亡。假設(shè)這個(gè)瓦斯氣體安全監(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)，氣敏傳感器檢測氣體濃度，并將采集的模擬量傳送給單片機(jī)，再加上按鍵調(diào)控部分來共同實(shí)現(xiàn)對瓦斯的安全監(jiān)測與控制。 用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)其具體控制功能如下： 能夠連續(xù)測量瓦斯氣體，用四位數(shù)碼管顯示瓦斯的實(shí)際濃度值。 瓦斯檢測儀的檢測范圍是 0—10000ppm 報(bào)警門限為 50ppm， 5000ppm。 用單片機(jī)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 論文設(shè)計(jì)的內(nèi)容是煤礦監(jiān)測報(bào)警器，論文的內(nèi)容從題目上看就可知道要分兩部分 來解決：一是煤礦瓦斯的監(jiān)測，二是系統(tǒng)的報(bào)警。論文首先闡述了 CH4 監(jiān)測系統(tǒng)同的發(fā)展及狀況。 在本文中，我們設(shè)計(jì)介紹了一種基于甲烷傳感器 MQ4 和單片機(jī) AT89S51 的煤礦瓦斯監(jiān)測報(bào)警器。我們給出了其硬件組成及軟件的設(shè)計(jì)方案，使其能達(dá)到進(jìn)行瓦斯監(jiān)測的預(yù)期目標(biāo)。本設(shè)計(jì)的硬件電路包括濃度檢測， A/D 轉(zhuǎn)換，單片機(jī) 拓展 系統(tǒng)，鍵盤電路，數(shù)據(jù)顯示電路及各控制電路；軟件設(shè)計(jì)包括濃度采集，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及處理，鍵盤掃描，動(dòng)態(tài)顯示及濃度控制等。通過軟硬件的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)對瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測并且當(dāng)其濃度超過預(yù)警值時(shí)可進(jìn)行聲光報(bào)警。 在論文中，我們 簡單論述了報(bào)警器的控制方案及工作原理，給出了主程序及主要子程序的框圖。此次設(shè)計(jì)的瓦斯監(jiān)測報(bào)警器具有操作簡便，運(yùn)行穩(wěn)定，檢測比較準(zhǔn)確的特點(diǎn)。 4 第 2 章 瓦斯 監(jiān)控系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)概述 概述 一個(gè) 瓦斯 氣體監(jiān)控系統(tǒng)能夠及時(shí)的發(fā)現(xiàn) 瓦斯 氣體 濃度 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 瓦斯 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，從而達(dá)到實(shí)時(shí)安全監(jiān)控作用。鑒于多方面考慮，我們提出了兩種設(shè)計(jì)方案，從中選擇比較合適的一種。 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： 總體方案一：基于 FPGA 的總體設(shè)計(jì)模塊，如圖 。 圖 基于 FPGA的總體設(shè)計(jì)模塊 方案一總體框圖如圖 所示。 FPGA（ Field－ Programmable Gate Array），即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在 PAL、 GAL、 CPLD 等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是 作 為專用集成電路（ ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程 器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。 此 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)，氣敏傳感器 放大電路 FPGA 數(shù)碼模塊 報(bào)警模塊 復(fù)位電路 晶振電路 電源電路 按鍵電路 ADC0809 5 包括信號(hào)的監(jiān)測、 放大 大和 A/D 轉(zhuǎn)換。氣敏傳感器輸出的信號(hào)是毫伏級的，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