【正文】 sound the alarm bell based on the limit of methane concentration，and start device to drain the gas at the same time. The instrument include CPU，sensitive element，Canmengou monitoring circuit，little signal amplify circuit，A/D transform circuit，munication circuit，display circuit，monitoring circuit，CPU is the core in the instrument，plete data gather，Process，export，display and so on. Sensitive element is one of the important to measure the concentration of methane，and it’s export is a little voltage signal，little signal amplify circuit is to transform the analogue signal to digital signal，display circuit is to display the concentration of methane，monitoring circuit is to monitor the overstep limit of methane concentration瓦斯的主要成分是甲烷，它的化學(xué)元素符號(hào)是 CH4，一種無(wú)毒、無(wú)味、無(wú)顏色，可以燃燒的氣體。當(dāng)爆炸混合物吸收一定能量（通常是引火源給予的熱能）后，反應(yīng)分子的鏈即行斷裂，離解成兩個(gè)或兩個(gè)以上的游離基（也叫自由基）。所以，瓦斯爆炸就其本質(zhì)來(lái)說(shuō)，是一定濃度的甲烷和空氣中度作用下產(chǎn)生的激烈氧化反應(yīng)。從我國(guó)煤炭生產(chǎn)的現(xiàn)狀及我國(guó)能源結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略規(guī)劃均可看出，在本世紀(jì)中葉以前，煤炭仍是支持我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要能源，煤炭生產(chǎn)，作為我國(guó)能源工業(yè)的支柱，其地位將是長(zhǎng)期的，穩(wěn)定的，但是煤炭工業(yè)的安全生產(chǎn)狀況卻不容樂(lè)觀，中小型煤礦的情況尤為嚴(yán)重，已經(jīng)直接威脅到整個(gè)煤炭工業(yè)的穩(wěn)定生產(chǎn)，給國(guó)家財(cái)產(chǎn)和人民生命造成了很大的損失，作為“萬(wàn)惡之首”的瓦斯爆炸事故更是重大事故發(fā)生率之首。造價(jià)高，系統(tǒng)最基本的配置過(guò)于龐大，運(yùn)行費(fèi)用大。系統(tǒng)安裝、維護(hù)復(fù)雜，操作不便，人機(jī)界面較。必須依賴專業(yè)的維護(hù)隊(duì)伍，對(duì)人員技術(shù),素質(zhì)有較高的要求。甲烷濃度檢測(cè)儀器就是用來(lái)監(jiān)視礦井沼氣動(dòng)態(tài)的有效工具。為了防止事故發(fā)生，保障礦工的健康和安全，促進(jìn)生產(chǎn)發(fā)展，提高煤炭企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)對(duì)井下的氣象進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)可能造成災(zāi)害事故的各種有害氣體及礦塵進(jìn)行及時(shí)而準(zhǔn)確的檢測(cè)和嚴(yán)格控制，一旦發(fā)生災(zāi)變，必須及時(shí)救護(hù)遇難人員和處理事故。1897 年瑞典制成第一臺(tái)容積壓力式瓦斯?jié)舛葴y(cè)量?jī)x。特別是隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，一套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，除能檢測(cè)高低濃度甲烷外，還可測(cè)一氧化碳、氧、氫的濃度，氣溫，風(fēng)速等等。譬如當(dāng)井下某測(cè)點(diǎn)的甲烷濃度超限時(shí)，能發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)，切斷該測(cè)點(diǎn)附近的電源。解放前我國(guó)煤炭工業(yè)技術(shù)十分落后，礦井通風(fēng)安全儀器更是屬于空白。但是目前安全監(jiān)測(cè)傳感器的種類和質(zhì)量與國(guó)際水平的差距還較大，這是需要解決的問(wèn)題。測(cè)量的目的是為了在限定的時(shí)間內(nèi)盡可能正確地收集被測(cè)對(duì)象未知信息，以便掌握被測(cè)對(duì)象的參數(shù)及控制生產(chǎn)過(guò)程。儀器的基本性能，主要是衡量?jī)x器測(cè)量能力的一些指標(biāo),如精確度、穩(wěn)定性、測(cè)量范圍、動(dòng)態(tài)范圍等。不一致程度愈小，說(shuō)明測(cè)量愈精密。（3）精確度5 精度（精確度的簡(jiǎn)稱）是測(cè)量的精密與準(zhǔn)確程度的綜合反映。它用精密度的數(shù)值和觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)短一起來(lái)表示。影響系數(shù)是用示值變化值與影響量變化值之比來(lái)表示。在線性特性的儀器中靈敏度 S是常數(shù)。而在頻率計(jì)中，它與頻率計(jì)的輸出示值之間沒(méi)有直接的關(guān)系。無(wú)論是模擬式的儀表，還是數(shù)字式的儀表，都希望它們的特性是線性關(guān)系。例如機(jī)械儀表中有內(nèi)摩擦，電磁儀表中有磁滯損耗。這樣，更確切的量程概念應(yīng)定為:在工作量程內(nèi)的相對(duì)誤差應(yīng)該不超過(guò)某個(gè)設(shè)定值。假設(shè)某儀器在 90000小時(shí)的運(yùn)行中發(fā)生了 12次故障，則該儀器的 MTBF為 7500小時(shí)。對(duì)使用者來(lái)講總是希望有最少的錢買到一臺(tái)具有指定性能的儀器。7第 2 章 研究?jī)?nèi)容方法和原則 研究?jī)?nèi)容方法 儀器的設(shè)計(jì)，本著簡(jiǎn)明、科學(xué)、實(shí)用的原則，力求從整體出發(fā)，從實(shí)際使用出發(fā)，突出系統(tǒng)的可靠性、免維護(hù)、免培訓(xùn)特點(diǎn)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)明和完整性，把對(duì)操作人員的專業(yè)技術(shù)要求降到最低，發(fā)揮系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，使系統(tǒng)整體性能達(dá)到最佳，功能強(qiáng)大而操作簡(jiǎn)單，測(cè)量精確而維護(hù)方便。監(jiān)測(cè)要素的采集，轉(zhuǎn)換信號(hào)的采集 （4）設(shè)計(jì)、制造盡可能使用通用的有替代產(chǎn)品的元件,器件和設(shè)備。 （2）數(shù)據(jù)處理功能盡可能完善，容易擴(kuò)充。 總體設(shè)計(jì)的原則盡可能使用先進(jìn)、成熟的技術(shù)，有明確理論支持的技術(shù)，對(duì)不確切，但非用不可的技術(shù)要通過(guò)必要的試驗(yàn)和論證。嚴(yán)格執(zhí)行國(guó)家和煤炭部以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。廣泛調(diào)查研究，認(rèn)真分析其優(yōu)缺點(diǎn)，充分借鑒其它儀器的優(yōu)點(diǎn)揚(yáng)長(zhǎng)避短博采眾長(zhǎng)。11第 3 章 監(jiān)控系統(tǒng)工作原理 瓦斯?jié)舛葯z測(cè)系統(tǒng)原理分析 分類瓦斯?jié)舛葯z測(cè)儀器按其工作原理不同，有下列幾種: 光干涉式是利用光波對(duì)空氣和甲烷折射率不同所產(chǎn)生的光程差，引起干涉條紋移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同甲烷濃度的測(cè)定。 熱催化式是利用甲烷在催化元件上的氧化生熱引起其電阻的變化來(lái)測(cè)定甲烷濃度。 熱導(dǎo)式是利用甲烷與空氣熱導(dǎo)率之差來(lái)實(shí)現(xiàn)甲烷濃度的測(cè)定。其優(yōu)點(diǎn)是采用這一原理的儀器精度高，選擇性好，不受其它氣體影響，測(cè)量范圍寬，可連續(xù)檢測(cè)。其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)微量甲烷比較敏感，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。其優(yōu)點(diǎn)是讀數(shù)不受氣壓影響。其優(yōu)點(diǎn)是快速，可以連續(xù)自動(dòng)檢測(cè)，靈敏度高，測(cè)量準(zhǔn)確，可測(cè)二氧化碳濃度。探頭內(nèi)部的主要元件是黑元件(催化元件)和白元件(補(bǔ)償元件)，兩個(gè)元件分別配置在電橋電路中，作為一組橋臂，另一組橋臂是兩個(gè)固定電阻，作為電橋的比率臂。白元件是補(bǔ)償元件，基本結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)與黑元件相同，但表面不涂鍍催化劑，所以，它不參加低溫燃燒。 整機(jī)工作原理 熱催化原理又稱催化燃燒原理。14AT89C51看門狗監(jiān)控電路傳感元件小信號(hào)放大電路 A/D 轉(zhuǎn)換電路顯示電路報(bào)警電路排風(fēng)電路通信電路圖 21 瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)框圖CPU通過(guò) ，從而控制催化元件電源端，使催化元件開始工作，輸出與甲烷濃度相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，此電壓經(jīng)過(guò)放大電路放大后，分別送到 A/D轉(zhuǎn)換、報(bào)警電路，A/D 轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入 CPU，CPU 對(duì)采樣值進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，處理后，驅(qū)動(dòng)顯示器顯示出被測(cè)氣體中的甲烷濃度值，若被測(cè)氣體中甲烷濃度超過(guò)報(bào)警電路預(yù)定的數(shù)值時(shí)，報(bào)警電路即發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)。由于將多功能 8位 CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL 的 AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。壽命：1000 寫/擦循環(huán)128*8位內(nèi)部 RAM可編程串行通道 P0口：P0 口為一個(gè) 8位漏級(jí)開路雙向 I/O口，每腳可吸收 8TTL門電流。 P1口：P1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8位雙向 I/O口，P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL門電流。并因此作為輸入時(shí)，P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。P2 口在 FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。P3口也可作為 AT89C51的一些特殊功能口，管腳備選功能如下： RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） /INT0（外部中斷 0） /INT1（外部中斷 1） T0（記時(shí)器 0外部輸入） T1（記時(shí)器 1外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。在 FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。如想禁止 ALE的輸出可在 SFR8EH地址上置0。 /PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。注意加密方式 1時(shí)，/EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng)/EA 端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。 XTAL1和 XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。在閑置模式下，CPU 停止工作。元件活性高，通過(guò)電橋測(cè)量甲烷時(shí)，可以得到較高的電壓輸出。實(shí)際使用為了便于組成電橋和選定電橋電流，通常是指一對(duì)元件(即一只黑元件和一只白元件)的標(biāo)準(zhǔn)工作電壓或電流值。只有當(dāng)工作電壓或工作電流在某一范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，輸出活性才接近直線。元件輸出特性。產(chǎn)生的原因是由于高濃度甲烷氣體中缺19氧使燃燒不完全所造成的。其原因主要是由于這些毒性氣體元件活性下降。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間工作的元件，遇到較高濃度，工作數(shù)分鐘后，元件的活性將升高，高濃度消失后，元件在幾十小時(shí)內(nèi)活性才會(huì)逐步下降到原值附近，以后又保持穩(wěn)定的活性。反應(yīng)速度是工作元件的一個(gè)重要指標(biāo)。它的基本測(cè)試電路圖如圖 41所示。當(dāng) AT89C51產(chǎn)生寫信號(hào)時(shí)，由一個(gè)或非門產(chǎn)生轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng) START和地址鎖存信號(hào) ALE(高電平有效)，同時(shí)將地址總線送出的通道地址 A、B、C 鎖存，模擬量通過(guò)被選中的通道送到 A/D轉(zhuǎn)換器，并在 START下降沿時(shí)開始逐位轉(zhuǎn)換，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào) EOC變位高電平。ADC0809 的姐妹芯片是 ADC0808，可以相互代換。22 八路模擬開控 制 電 路S A R樹 狀 開 關(guān)2 5 6 電阻階梯地址鎖存與譯碼器三態(tài)輸出鎖存器123452 82 72 62 52 42 3A L EA D D CA D D BA D D A2 2I N7I N6I N5I N4I N3I N2I N1I N0比較器VI NVS TS T A R T C L O C K6 1 072 12 01 91 881 51 41 71 1 1 3 1 2 1 5VC CG N DVR E F（+）VR E F（）9O E2 42 32 22 12 82 72 62 5（ M S B ）E O C圖 42 ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)ADC0809是采用雙列直插式封裝，共有 28和引腳，如圖 43所示。當(dāng) ALE線為高電平時(shí)，ADDA、ADDB 和 ADDC為地址輸入線，用于選擇 IN0IN7上那一路模擬電壓送給比較器進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換。OE 為“輸出允許”線，高電平時(shí)能使 21－2 8引腳上輸出轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。V REF（＋）常和 VCC相連，VREF（－）常接地。START 啟動(dòng)信號(hào)由 AT89C51中的 WR和譯碼器輸出端 FOH經(jīng)或門 M2產(chǎn)生。這就是說(shuō):ADC0809 可以視為 AT89C51的一個(gè)外部 RAM單元，地址為 03F8H（有很大的地址重疊范圍） 。和 OE相連。在微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，CPU 與外部的基本通訊方式有兩種:并行通訊數(shù)據(jù)的各位同時(shí)傳送。 串行通訊是指將構(gòu)成字符的每個(gè)二進(jìn)制數(shù)據(jù)位，依據(jù)一定的順序逐位進(jìn)行傳送的通訊方法。當(dāng)發(fā)送設(shè)備要發(fā)送一個(gè)字符數(shù)據(jù)時(shí)，首先發(fā)出一個(gè)邏輯“0”信號(hào)，這個(gè)邏輯低電平就是起始位。數(shù)據(jù)位的個(gè)數(shù)可以是7 或 8位的數(shù)據(jù)，在字符數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中，數(shù)據(jù)位從最小有效位(最低位)開始傳送。這種性質(zhì)用于檢錯(cuò)，雖有限但很容易實(shí)現(xiàn)。在異步通訊中，字符數(shù)據(jù)是一個(gè)接一個(gè)的傳送。同步通訊不像異步通訊那樣，靠起始位在每個(gè)字符數(shù)據(jù)開始時(shí)使發(fā)送和接收同步，而是通過(guò)同步字符在每個(gè)數(shù)據(jù)塊傳送開始時(shí)使收/發(fā)雙方同步。（1）單工方式 在單工方式下，通訊線的一端聯(lián)接發(fā)送器，另一端聯(lián)接接收器，它們形成單向聯(lián)接，只允許數(shù)據(jù)按照一個(gè)固定的方向傳送。全雙工通訊系統(tǒng)的每一端都包含發(fā)送器和接收器，數(shù)據(jù)可同時(shí)在兩個(gè)方向上傳送。解決這一問(wèn)題的辦法是:利用調(diào)制手段，將數(shù)字方波信號(hào)變換成某種能在通訊線上傳輸而不受影響的波形信號(hào)，正弦波正是最理想的選擇。由于串行通訊大都是雙向進(jìn)行的，通訊線路的任一端既需要調(diào)制器也需要解調(diào)器，將調(diào)制器和解調(diào)器合二為一的裝置稱為調(diào)制解調(diào)器。 該器件符合 TIA/EIA232F標(biāo)準(zhǔn)，每一個(gè)接收器將 TIA/EIA232F電平轉(zhuǎn)換成 5V TTL/CMOS電平。同樣，TA89C51 通過(guò)串行口直接把數(shù)據(jù)傳送給 PC機(jī)。這29種芯片可以實(shí)現(xiàn) TTL電平和 RS—232C接口之間的轉(zhuǎn)換，也就可以保證把 5V電平表示為“1” ，0V 電平表示為“0”的邏輯，轉(zhuǎn)換成3 到 15V電平表示“0”的邏輯。一般情況下，TA89C51 采用方式 1的串行工作方式，這樣和 PC機(jī)可以順利的進(jìn)行異步通信。 機(jī)串行通信軟件 PC機(jī)采用 VB編程。該控件可設(shè)置串行通信的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，對(duì)串行口狀態(tài)及串行口通信的信息格式和協(xié)議進(jìn)行設(shè)置。本系統(tǒng)中 AT