【正文】 綜 合 課 程 設(shè) 計 基于單片機的井下瓦斯監(jiān)控 報警 系統(tǒng)設(shè)計 設(shè)計說明書 班 級： 學(xué) 號： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 電氣工程 學(xué)院 2021 年 1 月 1 日 目 次 I 目 錄 引 言 ............................................................................................................................. 2 1 文獻綜述 ...................................................................................................................... 3 國內(nèi)外發(fā)展概況 .......................................................................................................... 3 瓦斯監(jiān)測的發(fā)展方向 .................................................................................................. 3 2 總體設(shè)計方案 .............................................................................................................. 4 系統(tǒng)設(shè)計要求 .............................................................................................................. 4 技術(shù)指標(biāo)要求 .......................................................................................................... 4 隔爆儀表設(shè)計要求 .................................................................................................. 4 系統(tǒng)的功能 .............................................................................................................. 5 設(shè)計原理 ..................................................................................................................... 5 氣體傳感器的選擇 .................................................................................................. 5 單片機型號的選擇 .................................................................................................. 7 3 具體實施方案 .............................................................................................................. 9 系統(tǒng)原理框圖 ............................................................................................................. 9 系統(tǒng)硬件設(shè)計 ............................................................................................................ 10 系統(tǒng)電源 ................................................................................................................. 10 氣體傳感器 ............................................................................................................ 11 A/D 轉(zhuǎn)換器芯片 ADC0809 的原理及應(yīng)用 ........................................................... 14 HD7279A 顯示電路 ................................................................................................ 17 看門狗硬件電路 .................................................................................................... 20 4 總結(jié)與展望 .................................................................................................................. 22 研究工作總結(jié) ............................................................................................................ 22 研究工作展望 ............................................................................................................ 22 致謝 .................................................................................................................................. 23 參考文獻 .......................................................................................................................... 24 河北 聯(lián)合 大學(xué) 綜合課程設(shè)計說明書 1 文獻綜述 2 引 言 隨著我國國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，對煤炭需求量也越來越大，這就使得煤礦的安全生產(chǎn)面臨著一個十分嚴(yán)峻的問題。煤礦礦難事故屢屢發(fā)生，造成的原因有很多，其中不少是因為瓦斯爆炸引起的。煤礦瓦斯是指礦井中主要由煤層氣構(gòu)成的以甲烷為主的有害氣體的總稱。有時也單獨指甲烷。瓦斯在空氣的體積分?jǐn)?shù)達到一定的程度（ 5%～ 12%）時，在一定條件下可與空氣中的氧氣發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)而形成瓦斯爆炸，對煤礦安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。 20 世紀(jì) 60 年代初期，我國開始研制載體催化元 件，隨著敏感元件制造水平的提高和電子技術(shù)的發(fā)展，特別是大規(guī)模集成電路、微型計算機的廣泛應(yīng)用，使監(jiān)控技術(shù)進入了新的發(fā)展時期。 20 世紀(jì) 70 年代瓦斯斷電儀問世，裝備在采掘工作面、回風(fēng)港道等井下固定地點，實現(xiàn)了對瓦斯的自動連續(xù)檢測及超限自動切斷被控制設(shè)備的電源。隨后，陸續(xù)研制了便攜式瓦斯監(jiān)控檢測報警儀、瓦斯報警礦燈。 1983 年至 1985年，從歐美國家先后引進了數(shù)十套監(jiān)控系統(tǒng)及配套的傳感器和便攜式儀器裝備煤礦礦井，并相應(yīng)地引進了部分監(jiān)控系統(tǒng)、傳感器和敏感元件制造技，由此推動了我國礦井安全監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展。 1983 年 以后，國內(nèi)有多種型號礦井監(jiān)控系統(tǒng)通過了技術(shù)鑒定，逐步實現(xiàn)了對煤礦礦井安全、生產(chǎn)多種參數(shù)的連續(xù)監(jiān)測、監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理。近幾年，隨著計算機的發(fā)明和應(yīng)用，特別是網(wǎng)絡(luò)和信息化建設(shè)的不斷發(fā)展，給瓦斯治理提供了機遇條件，煤礦瓦斯監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)運而生。這些裝備和系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用，豐富了我國煤礦安全監(jiān)控 產(chǎn)品的市場，改善了煤礦安全技術(shù)裝備的面貌，縮小了我國與國外先進技術(shù)水平的差距。 煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)的意義不言而喻。以山西省為例，近幾年，特別是 2021年以來，山西省煤炭系統(tǒng)在黨和各級政府及安全部門的重視下，全省煤 礦信息化工作有了新發(fā)展，取得了新成績。特別是由瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)所形成的全省煤礦四級信息網(wǎng)絡(luò)平臺，是計算機網(wǎng)絡(luò)及信息技術(shù)用于瓦斯安全治理的一項創(chuàng)舉，極大的促進了山西煤炭信息化工作。山西省煤炭系統(tǒng) 2021 年底累計安裝使用瓦斯監(jiān)控系統(tǒng) 3868套。目前，該省國有重點煤礦 121 座礦井全部安裝了瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，并全部聯(lián)網(wǎng)運行，在線運行率達 100%。地方煤礦現(xiàn)有 2806 座礦井全部安裝了瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，已連網(wǎng)運行 2671 座。這些系統(tǒng)的運用，極大的降低了煤礦瓦斯事故。 由此可知，為了最大限度的降低煤礦瓦斯事故的發(fā) 生，除了對工作人員嚴(yán)格要求外，加緊建設(shè)煤礦瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)必不可少，它對預(yù)防瓦斯事故的發(fā)生具有舉足輕重的作用。 河北 聯(lián)合 大學(xué) 綜合課程設(shè)計說明書 1 文獻綜述 3 1 文獻綜述 國內(nèi)外發(fā)展概況 儀器不斷更新。其類型 根據(jù) 監(jiān)測對象可分為可燃性氣體監(jiān)測儀，毒性氣體監(jiān)測儀和氧氣監(jiān)測儀等；從儀器結(jié)構(gòu)和方法上分為袖珍式，便攜式和固定式。袖珍式儀器的采樣方法為擴散式，用于在危險環(huán)境中的工作人員隨身攜帶；便攜式儀器采樣方法為泵吸式，用于監(jiān)測人員定期安檢；固定式儀器用于煤礦井下固定地點氣體監(jiān)測。 世界各國均有煤礦瓦斯氣體監(jiān)測的系統(tǒng)，如波蘭的 DAN6400、法國的 TF200、德國的 MINOS 和英國的 Senturion200等，其中全礦井綜合監(jiān)測控制系統(tǒng)有代表性的產(chǎn)品有美國公司生產(chǎn)的 MSN 系統(tǒng)，德國 BEBRO 公司的 PROMOS 系統(tǒng)。但是這兩種系統(tǒng)只是基于井下監(jiān)測，并無數(shù)據(jù)上傳，不能實現(xiàn)智能化監(jiān)控。 瓦斯監(jiān)測的發(fā)展方向 隨著我國電子技術(shù)以及各項科學(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)用方面必定會在原有基礎(chǔ)上不斷的加以完善，并取得長足的發(fā)展。為了滿足安全生產(chǎn)的需求，隨著先進科學(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 河北理工大學(xué) 綜合課程設(shè)計說明書 參考文獻 4 2 總體設(shè)計方案 系統(tǒng)設(shè)計要求 技術(shù)指標(biāo)要求 本課題對煤礦氣體監(jiān)測儀表及其所用氣體傳感器在技術(shù)指標(biāo)上的要求如下 : (1)應(yīng)用環(huán)境 :煤礦氣體監(jiān)測； (2)監(jiān)測對象 :監(jiān)測甲烷氣體 ； (3)測量范圍 :甲烷 O10%； (4)靈敏度 :%； (5)響應(yīng)時間 :30s； (6)功耗 :100mW； (7)環(huán)境工作溫度范圍 :20℃ +70℃； (8)環(huán)境工作濕度范圍 :95%RH。 隔爆儀表設(shè)計要求 煤礦井下工作環(huán)境特殊，空間狹窄，濕度大，有 易燃易爆的瓦斯和煤塵，所以，煤礦電器同一般電器有較大的區(qū)別。這就對煤礦電器有特殊要求，如體積要小，易于搬運，堅固 ，防潮防水，防爆。屬于煤礦安全標(biāo)志管理目錄內(nèi)的礦用產(chǎn)品應(yīng)有安全標(biāo)志，電氣設(shè)備必須符合防爆要求，應(yīng)有接地、過流、漏電保護裝置。 河北理工大學(xué) 綜合課程設(shè)計說明書 參考文獻 5 隔爆型儀表的主要特點是有一個可靠的隔爆外殼 ，它將把可能產(chǎn)生火花和危險溫度的儀表傳感器、電阻電路及接線端子等，都放在隔爆外殼里，達到外殼內(nèi)可能發(fā)生的爆炸不影響周圍易燃易爆物質(zhì)，它的設(shè)計方法與隔爆型電器和電機基本相類似。 系統(tǒng)的功能 在本項目中，煤礦氣體監(jiān)測系統(tǒng)的 功能是能夠監(jiān)測 CH4，同時本著方便應(yīng)用的原則，還應(yīng)具備聲光報警、人機界面操作、數(shù)據(jù)存儲以及與 PC 機通訊等功能?；谶@些要求，儀表應(yīng) 由敏感探頭、 A/D 轉(zhuǎn)換、單片機、數(shù)據(jù)存儲器、顯示器、按鍵面板及報警模塊、等組成。 設(shè)計原理 本項目采用 CH4 氣體傳感器，研制 CH4 氣體傳感器應(yīng)用系統(tǒng)，實現(xiàn)對 CH4 的識別、濃度的測量、是否達到報警 閾值 的判斷以及數(shù)據(jù)的遠傳。 氣體傳感器的選