【正文】 點是體積?。ǖ湫统叽纾洪L 3mm，直徑 ，重 7mg 的小圓柱體），結構簡單，功耗低、性能較穩(wěn)定及使用壽命長 。探頭可以單獨設置，也可以作為一個獨立單元裝配在一起內使用。 圖 21 光干涉原理圖 催化燃燒法 東北石油大學 本科生畢業(yè)設計（論文） 6 催化燃燒式傳感器是在鉑金加熱絲的周圍環(huán)繞一圈涂鍍著催化劑的載體，當傳感器置于待測可燃氣體中，加熱絲通以一定的電流時，載體被加熱，瓦斯與氧氣在催化劑的作用下，于較低溫度 (300500℃ )處發(fā)生無焰燃燒。 兩個相干波在相遇的干涉區(qū)域內，某些點的振動始終加強，而另一些的振動始終減弱，在加強處產生亮條紋，而在減弱處產生暗條紋。但半導體氣敏器件在低濃度下靈敏度高，而在高濃度下器 件的電阻變化較小，所以，它只適合檢測低濃度微量氣體 。另外，它受氣溫的影響較大，其它氣體引起的空氣組分變化也會導致熱導率東北石油大學 本科生畢業(yè)設計（論文） 5 的變化，引起測量誤差 [5]。當兩只敏感元件被加以同樣的電流之后，產生的熱量相等。 這里還主要說明了本設計所采用的催化燃燒法。 實踐證明，空氣中的氧氣濃度降低時，瓦斯爆炸界限隨之縮小，當氧氣濃度減少到 12％ 以下時，瓦斯混合氣體即失去爆炸性。但因受瓦斯的濃度、火源的性質及混合氣體的壓力等東北石油大學 本科生畢業(yè)設計（論文） 4 因素影響而變化。 瓦斯爆炸界限并不是固定不變的，它還受溫度、壓力以及煤塵、其它可燃性氣體、惰性氣體 的混入等因素的影響 [4] 。 瓦斯?jié)舛?。沼氣與氧氣在高溫下的反應是發(fā)光、放熱反應 ，其反應方程式如式 (11)所示 [1]。首先要了解的是瓦斯的性質和瓦斯的爆炸及其條件。 第三章為硬件設計，對該瓦斯檢測單元模塊的各部分電路作了詳細的介紹和講解，分析了電路的構成和基本工作原理并進行說明。以這些方法為基本原理研制出的各種檢測儀器曾在不同的時期，不同的應用場合發(fā)揮過重要作用。從新中國成立初期到 20 世紀 70 年代，煤礦下井人員主要使用光學瓦斯檢測儀，風表等攜帶式儀器檢測井下參數(shù) 。 1815 年，英國發(fā)明了世界上第一種瓦斯檢測儀器 —— 瓦斯檢定燈。所以，對煤礦中的瓦斯氣體進行快速準確的檢測顯得尤其重要，對瓦斯氣體檢測儀表的研究和開發(fā)也一直是人們關注的問題。 AT89C51 microcontroller 東北石油大學 本科生畢業(yè)設計（論文） III 目 錄 第 1 章 概 述 .................................................. 1 課題研究的 目的 和意義 .......................................... 1 國內外發(fā)展狀況 ................................................ 1 課題研究的主要內容 ............................................ 2 第 2 章 瓦斯的性質和爆炸條件及其檢測方法 .......................... 3 瓦斯的性質 .................................................... 3 瓦斯爆炸及其條件 .............................................. 3 瓦斯的檢測方法 ................................................ 4 第 3 章 硬件電路設計 ............................................ 9 系統(tǒng)硬件設計原理框圖 .......................................... 9 傳感器的選擇 ................................................. 10 信號放大模塊設計 ............................................. 11 A/D 轉換模塊設計 ............................................. 13 單片機的選擇 ................................................. 16 單片機的復位電路及看門狗電路設計 ............................. 18 LED 顯示電路設計 ............................................. 21 鍵盤與接口技術 ............................................... 24 報警電路設計 ................................................. 25 電源設計 .................................................... 26 第 4 章 系統(tǒng)軟件設計 ........................................... 28 系統(tǒng)主程序流程圖 ............................................. 28 A/D 轉換程序流程圖 ........................................... 29 LED 顯示子程序流程圖 ......................................... 29 鍵盤掃描子程序流程圖 ......................................... 30 結論 ........................................................ 32 東北石油大學 本科生畢業(yè)設計（論文） IV 參 考文獻 ..................................................... 33 致 謝 ....................................................... 34 附錄 1 ....................................................... 35 附錄 2 ....................................................... 36 東北石油大學 本科生畢業(yè)設計（論文） 1 第 1 章 概 述 課題的研究 目的和意義 煤礦中含有大量的易燃易爆氣體，發(fā)生事故后會造成巨大的經濟損失，甚至危及礦工的生命。該系統(tǒng)主要由電源模塊、催化燃燒式氣體傳感器模塊、單片機控制模塊、鍵盤、 LED 顯示器和聲光報警模塊等部分構成。東北石油大學 本科生畢業(yè)設計（論文） I 摘 要 在我國，煤炭業(yè)絕大多數(shù)是井下開采，瓦斯爆炸是煤礦重大災害事故之一，為了確保礦井的生產安全，國內已開發(fā)出很多種類型的瓦斯檢測儀，但傳統(tǒng)的瓦斯檢測儀都普遍存在著體積較大、安裝復雜的缺點。該裝置將單片機的適時控制及數(shù)據處理功能與傳感技術相 結合，不僅可精確檢測井下空氣中的瓦斯?jié)舛?，還能根據瓦斯?jié)舛鹊拇笮〖皶r發(fā)出聲光報警信號，而且可通過 LED 顯示裝置顯示出瓦斯的濃度。隨著煤礦開采技術手段的不斷改進和開采規(guī)模的擴大及開采深度的不斷延伸，安全上的隱患也越來越多。 為了確保礦井的生產安全，防止瓦斯爆炸，國內外煤礦 研究所在此領域進行了很長時間的研究，開發(fā)出很多種類型的瓦斯檢測儀，但目前已有的瓦斯檢測儀器都普遍存在著體積較大、安裝復雜、操作不便、智能化程度低等缺點。利用火焰的高度來檢測瓦斯?jié)舛龋?0 世紀 30 年代，日本發(fā)明了光干涉瓦斯檢定器，一直沿用至今 ； 20 世紀 40 年代，美國研制了檢測瓦斯 濃度的敏感原件 —— 鉑絲催化元件； 1954 年，英國采礦安全所研制了最早的載體催化元件。 20 世紀 60 年代初期，我國開始研制載體催化元件，隨著敏感原件制造水平的提高，使檢測技術進入了新的發(fā)展時期。 通過 了解 國內外 瓦斯?jié)舛葯z測系統(tǒng)的發(fā)展歷史和發(fā)展現(xiàn)狀， 根據各種方法相對存在的缺點進行些許完善，從而要研究一套低成本、便于攜帶及高性價比的便攜式瓦斯檢測儀器， 采用模塊化設計方法完成控制系統(tǒng)軟硬件設計 來 提高系統(tǒng)可靠性及穩(wěn)定性的方法 。 第四章為軟件設計部分，首先介紹了系統(tǒng)總的設計流程，然后分為各個模塊，并對部分模塊進行程序 編寫。其次是瓦斯的傳統(tǒng)檢測方法， 如熱傳導法、半導體氣敏傳感器法、光干涉法 ，并主要說明了本設計采用的 催化燃燒法。 )/( 8 222 2224 m o lKjOHCOOCH ???? (11) 1mol 的沼氣完全氧化后，放出的熱量和理論值為 。 瓦斯爆炸有一定的濃度范圍，我們把在空氣中瓦斯遇火后能引起爆炸的濃度范圍稱為瓦斯爆炸界限。 引火溫度 。當瓦斯含量在 7％ 8％ 時，最易引燃；當混合氣體 的壓力增高時，引燃溫度即降低；在引火溫度相同時，火源面積越大、點火時間越長，越易引燃瓦斯。如果 有新鮮空氣進入，氧氣濃度達到 12％ 以上，就可能發(fā)生爆炸。 下面對這些方法進行 說明 。但是，由于散熱介質不同，使兩元件形成了一定溫差，電橋就會失去平衡，輸出端輸出一個與瓦斯?jié)舛茸兓杀壤碾娦盘枴? 半導體氣敏傳感器法 此法是在六十年代初期研制成功的。 光干涉法 光學瓦斯 檢測儀 是采用光干涉原理，測定沼氣和二氧化碳等多種氣體的一種便攜式檢測儀器。 此法是利用甲烷和空氣對光在氣室中的光程差的變化來測定甲烷濃度。釋放出的熱量使鉑金絲的溫度上升，從而引起鉑金絲的電阻值發(fā)生變化，并以此來反映空氣中的瓦斯?jié)舛却笮　鴥鹊谋銛y式瓦斯探測儀，主要是以催燃燒法原理 制成的。 目前 已 成為國內外檢測瓦斯的主要傳感元件，特別是我國和英、日、美諸國應用尤為廣泛 [6]。沼氣與氧氣在催化劑的作用下，產生強烈的氧化還原反 應，俗稱無焰燃燒。 鉑絲線圈。探頭內部的主要元件是黑元件（催化元件）和白元件 [7]（補償元件）。白元件是補償元件，基本結構和技術參數(shù)與黑元件相同，但表面不涂鍍催化劑，所以，它不摻入低溫燃燒。其檢測電路如圖 23 所示。 催化劑的催化活性與其電子結構及吸附能力有關 。將 r1,r2 置 于同一測量氣室中，測量東北石油大學 本科生畢業(yè)設計（論文） 8 電橋由穩(wěn)壓電源或恒流源供電。 2)()( 22122 ?????????? ErrrErrU ab (21) 東北石油大學 本科生畢業(yè)設計（論文） 9 第 3 章 硬件電路設計 前面已經介紹了瓦斯檢測方法的發(fā)展， 又介紹了載體催化燃燒式傳感元件的結構組成和其工作原理，及其基本的檢測電橋電路的工作原理。這個瓦斯檢測儀采用集成電路的新型瓦斯檢測和報警裝置，并具有一定 的顯示功能 [9]。 在本章中提出了設計的總體設計方案，并繪制出了系統(tǒng)總體模塊原理框圖，其各個模塊電路的設計及芯片的選擇將在以下各節(jié)中進行詳細的介紹與說明。 考慮到檢測系統(tǒng)的性價比和便攜性本設計采用型號為： MJC4/ 瓦斯檢測傳感器 。 工作電流 (mA) 110177。 信號放大模塊設計 當被測瓦斯氣體的濃度通過氣體傳感器轉換成電量時，獲得的電壓變化量往往很小 (通常只有幾毫伏到幾十毫伏 )，而共模電壓卻很高，輸入到放大器的噪聲與放大器件自身產生的噪聲 ， 往往大于放大器的輸入信號。 本設計選擇 OP07 做為放大電路的放大器， OP07 是高精度低失調電壓的精密運放，常應用于微弱信號的放大電路。14V 寬的電源電壓范圍： 177。 OP07 組成的雙運放高共模抑制比放大電路 由 OP07 組成的雙運放高共模抑制比放大電路如圖 35 所示 。由模擬信號到數(shù)字信號的轉換，是由數(shù)據采集系統(tǒng)來完成的。 ADC0809 芯片 東北石油大學 本科生畢業(yè)設計（論文） 14 ADC0809 是采樣分辨率為 8 位的、以逐次逼近原理進行模 —數(shù)轉換的器件。 (1) IN0IN7： 8 路模擬量輸入端 ； (2) D0D7： 8 位數(shù)字量輸出端 ； (3) ADDA、 ADDB、 ADDC： 3 位地址輸入線，用于選通 8 路模擬輸入中的一路 ； (4) ALE： 地址鎖存允許信號輸入 端 ，高電平有效 ； (5) START： A/D 轉換啟動脈沖輸入端，輸入一個正脈沖（至少 100ns 寬）使其啟動（脈沖上升沿使 ADC0809 復位，下降沿啟動 A/D 轉換 ）； (6) EOC： A/D 轉換結束信號，輸出，當 A/D 轉換結束時，此端輸出一個高電平（轉換期間一直為低電平） ； (7) OE：數(shù)據輸出允許信號，輸入，高電平有效。 ADC0809 的工作過程： 首先輸入 3 位地址，并使 ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。直到 A/D 轉換完成， EOC 變?yōu)楦唠娖?，指?A/D 轉換結束，結果數(shù)據已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。 74LS373 為三態(tài)輸出的 8D 透明鎖存器。當鎖存允許端 G 為 高 電平時， Q 隨數(shù)據 D 而變。 單片機的