【正文】 首先對各系統(tǒng) 的電路圖連接方式和元器件的選擇進行論證，看能否實現(xiàn)其相對應的功能，有不妥當?shù)牡胤郊右孕薷模酝晟圃O計。該檢測儀分為兩部分，即處于現(xiàn)場監(jiān)測點的部分和用戶手持的部分，各部分由相關部件組成，現(xiàn)場部分所檢測得來的數(shù)據(jù)通過無線傳輸模塊，傳送到手持部分的單片機中進行處理和判斷。 傳 感 器 初 始 化調 用 A / D 子 程 序數(shù) 據(jù) 處 理調 用 串 行 口 通 信 程 序送 P T R 2 0 0 0 模 塊結 束開 始 圖 現(xiàn)場單片機主程序流程 圖 手持部分單片機主程序設計 手持部分的單片機的主要程序流程，首先是系統(tǒng)的初始化，將所有系統(tǒng)進行初始化設置，然后就是調用串行口通信子程序，接收來自無線接收模塊 PTR20xx的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)送入單片機進行數(shù)據(jù)的處理，經處理的后，將瓦斯?jié)舛蕊@示在數(shù)碼管上，比較瓦斯?jié)舛?，確定其是否大于設定的報警值，若大于，則進行聲、光報警，否則返回執(zhí)行，其具體流程圖如圖 。1V ～ 177。 E A / V p p31P 1. 78P 1. 67P 1. 56P 1. 45P 1. 34P 1. 23P 1. 12P 1. 01WR16RD17P 2. 021P R O G / A L E30P 2. 122GND20R S T9P 3. 0 ( R X D )11X A L T 218V C C40X T A L 119P 2. 223P 2. 324P 2. 425P S E N29A T 89 C 5 1GND8LE5BI4D6LT3C2V C C16B1a13A7b12c11g14d10f15e9C D 4 51 1GND8LE5BI4D6LT3C2V C C16B1a13A7b12c11g14d10f15e9C D 4 51 1GND8LE5BI4D6LT3C2V C C16B1a13A7b12c11g14d10f15e9C D 4 51 1abfcgdeD P Y1234567abcdefg8dpdpabfcgdeD P Y1234567abcdefg8dpdpabfcgdeD P Y1234567abcdefg8dpdp+ 5V 3 0 0 2 1R 2 44 70GNDR?1K 圖 顯示模塊電路連接圖 報警電路 采用電磁式蜂鳴器作為聲音報警的發(fā)聲器件，其工作原理為： 電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動膜片及外殼等組 成。 PTR20xx的 PWR引腳連接到VCC上，使 PTR20xx的固定工作在正常工作狀態(tài)。 TXEN=1時，模塊為發(fā)射狀態(tài)； TXEN=0時，模塊為接收狀態(tài) 由 表 ，具體設置可見表 ，設置不同的引腳輸入電平將得到不同的工作模式，可以由此設置讓 PTR20xx無線傳輸模塊工作于接收或者放射狀態(tài)。通過這 12 條數(shù)據(jù)總線向外輸出 A/D 轉換數(shù)據(jù)。15V 和 5V (6) 數(shù)據(jù)輸出格式： 12 位 /8 位 (7) 芯片工作模式：全速工作模式和單一工作模式 AD574A 的管腳如圖 所示，其對應個管腳的功能、名稱及序號如表 18 所示。當控制電平端輸入高電平時，電路處于恢復狀態(tài) (Q1三極管關斷 )，輸入電壓略小于 3V。其具體電路連接圖如圖 。 15 3 系統(tǒng)硬件設計 系統(tǒng)硬件設計是本設計的重中之重，其具體包括：系統(tǒng)的電源 、 數(shù)據(jù)采集以及信號調理部分 、 A/D 轉換電路部分 、 顯示部分電路 、 電池電量監(jiān)測部分 、 報警電路等各部分的設計電路，下面給予詳細闡述 。根據(jù)本課題的實際情況，單片機型號的選擇主要從以下兩點考慮 :一是要有較強的抗干擾能力。 無線收發(fā)一體數(shù)傳 Modem模塊 PTR20xx芯片性能優(yōu)異，在業(yè)界居于領先水平，它的顯著特點是所需外圍元件少，設計非常方便。 圖 MQ214測量電路 圖 MQ214氣敏元件的靈敏度特性曲線。 10 圖 傳感器的外觀圖和結構圖 傳感器規(guī)格如表 ~表 。 (2) 接線盒結構 隔爆型儀表設計帶有接線盒的隔爆外殼，且接線盒的防爆類型為隔爆型。在硬件設計中，采 用了高集成度和性價比的外圍器件。 本課題的主要工作內容 本課題假設煤礦的礦井巷道無彎道，由甲烷傳感器檢測礦井空氣中甲烷的含量并轉換成相應的電信號，經信號調理和放大而成為標準電信號，然后標準電信 6 號經 A/D 轉換器轉換成數(shù)字信號送入單片機中 ，然后經無線發(fā)射模塊發(fā)射，由接收模塊接收信號后送入手持部分的單片機，經處理后進行顯示和超限報警。瓦斯的災害主要表現(xiàn)為四個方面。因此十分需要研制一種新型瓦斯?jié)舛葯z測儀以克服現(xiàn)有設備存在的各種問題，使其具有微型化、智能化、低功耗、無線化并能夠準確的測量出現(xiàn)場的瓦斯?jié)舛葯z測儀。 (3)光學干涉儀 該類儀器是利用光干涉的原理，當兩束光所經過光程相同時，干涉條紋不發(fā)生移動。 煤礦瓦斯檢測儀的發(fā)展狀況 多年來市場上用于瓦斯?jié)舛葯z測的儀器主要有：氣相色譜儀，氣敏元件傳感器，光學干涉儀等。 煤礦有線監(jiān)控系統(tǒng)是煤礦安全生產的重要保障，但由于煤礦井下工況環(huán)境十分復雜，有線監(jiān)控系統(tǒng)由于自身的局限性還難以對瓦斯、煤塵、火災、地壓、溫度、風速等對礦井安全生產具有重要影響的礦井環(huán)境參數(shù)實施全面、有效和靈活的監(jiān)測，不可避免地留下大量的安全隱患。 (1)無線電波 無線電波或射頻波是指在自由空間（包括空氣和真空）傳播的電磁波，其頻率 下限較不統(tǒng)一 ,在各種射頻規(guī)范書 ,常見的有三種 3kHz、 9kHz、 10kHz。 (3) 綜合機械化、水采和煤層厚度小于 8 米的保護層的采煤工作面，經抽放瓦斯和增加風量已達到最高允許風速后，其回風巷風流中瓦斯?jié)舛热圆荒芙档偷?%以下時，經礦務局局長批準，瓦斯?jié)舛茸罡卟坏贸^ %，并應符合下列要求 ： ① 工作 面的風流控制必須可靠； ② 通風巷必須保持設計斷面； ③ 必須制定安全措施，配 有專職瓦斯檢查員并安設瓦斯自動檢測報警、斷電裝置。 甲烷是礦井瓦斯的主要成分，是一種無色無味的氣體 ， 不助燃，但當與空氣混合到一定濃度時，遇火能燃燒或爆炸，爆炸界限為 5～ 16%。 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。 本論文將 無線傳輸技術引入礦井瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸過程中，從而 設計了一種基于無線傳輸?shù)耐咚節(jié)舛葯z測儀。 使其實現(xiàn)即走即測、即測即發(fā)的功能 ,論文研究成果為礦井安全監(jiān)測提供了一套切實可行的新的解決方案。因此開發(fā)研制便于攜帶、多功能、精度高的瓦斯檢測儀對促進煤炭行業(yè)的安全生產具有重要的現(xiàn)實意義 ?？諝庵屑淄闈舛瘸^ 40%時，空氣中的氧含量將下降到 12%以下，此時空氣與甲烷的混合氣體不再發(fā)生爆炸，但將使人窒息。 (4) 采掘工作面風流中瓦斯?jié)舛冗_到 1%時，必須停止用電鉆打眼 。 波長為3000 米～ 毫米 。建立礦井無線安全監(jiān)測與預警信息系統(tǒng)可以對有線監(jiān)控系統(tǒng)難以監(jiān)測的區(qū)域實施十分有效、實時和靈活的監(jiān)測。 (1)氣相色譜儀 該類儀器可以檢測 4CH 、 CO、 C02等多種氣體，測量范圍大而且精度很高，但成本較高，目前國內一臺這樣的儀器要 8萬元。如果氣 樣室中氣體的成分、溫度、壓力發(fā)生改變，則折射率會發(fā)生改變，光程也會發(fā)生變化，所看到的干涉條紋就發(fā)生移動。 本課題的研究意義 我國是世界上最大的煤炭生產和消費國，也是世界上少數(shù)幾個以煤為主要能源的國 家之一。第一、瓦斯?jié)舛冗^高，對工人身體健康的影響表現(xiàn)為缺氧，呼吸困難，窒息等。 使用單片機 AT89C51 作為控制芯片，用匯編語言進行程序設計，采用甲烷氣體傳感器、信號調理電路、 A/D 轉換器、無線發(fā)射模塊、無線接收模塊加上顯示報警電路等器件構成系統(tǒng)， 具體部件及其功能如下： (1) 使用數(shù)碼管顯示瓦斯?jié)舛鹊拇笮? (2) 使用報警電路，當瓦斯?jié)舛瘸^ 1%時發(fā)出報警信號 (3) 使用發(fā)射和接收模塊對信號進行無線傳輸 (4) 使用電源監(jiān)測電路對干電池電量進行監(jiān)測 目 前國內有一些用于煤礦中 CH4氣體的 檢測儀，但是很少有能實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，本文針對煤礦氣體檢測儀的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，閱讀了大量文獻及資料，研發(fā)了基于無線傳輸?shù)耐咚節(jié)舛葯z測儀，本文的主要工作包括 ： (1) 甲烷氣體傳感器的選用 (2) 單片機的選用 (3) 系統(tǒng)方案的設計及論證 (4) 系統(tǒng)硬件電路的設計 (5) 系統(tǒng)軟件的設計 7 2 系統(tǒng)總體方案設計 本系統(tǒng)的總體方案設計包括：系統(tǒng)總體構成和工作原理；系統(tǒng)的設計要求或者指標；系統(tǒng)設計原理。 瓦斯?jié)舛葯z測儀的功能是能夠檢測 4CH 濃度，同時本著方便使用的原則，還應具備聲光報警、濃度顯示等功能。由于隔爆型儀表具有低電壓、小電流特點，隔爆型儀表的主腔和接線盒貫通部分，可以盡量采取橡膠密封結構，使隔爆型儀表結構簡單，加工方便。表 ；表 描述了傳感器的使用的環(huán)境條件；而表 3則詳細闡述了傳感器的靈敏度特性，標示出了其檢測范圍。其中，溫度： 20℃ ； 相對濕度： 65%； 氧氣濃度： 21%； RL=50Ω ， Rs：元件在不同氣體 、 不同濃度下的電阻值 ； Ro： 元件在潔凈空氣中的電阻值。該模板在內部集成了高頻接收、 PLL合成、 FSK調制 /解調、參量放大、功率放大、頻道切換等功 能，因而是目前集成度較高的無線數(shù)傳產品。由于甲烷氣體監(jiān)測傳感器處于煤礦礦井巷道中，工作環(huán)境比較惡劣，以及實際的運行工況比較復雜，這些都對單片機的干擾較大，所以應采用抗干擾性能較好的單片機機型；二是要有較高的性價比。 系統(tǒng)電源設計 煤礦現(xiàn)場部分電源設計 由于煤礦礦井下可采用有線電纜供電，所以本設計中采用 220V交流市電，經變壓、整流濾波、穩(wěn)壓后得到所需電源。 +9VL11 0 0 u HVD1I N 4 0 0 7V i n1GND2+ 5 V3I C 1LM 7 8 0 5+C11 0 0 0 u F+ C31 0 0 u FC20 . 1 u FC40 . 1 u FR11K+ 5 VVD2LE DGND 圖 手持部分的電源設計 數(shù)據(jù)采集與信號 調理電路部分設計 根據(jù) MQ214數(shù)據(jù)手冊規(guī)定，加熱電壓為 +6V，瓦斯測量單元的工作是周期性的加熱 30s后進行測量，然后經過 45s進行恢復，因此電路具有 “6V電壓加熱 ”和 “自然恢復 ”2種狀態(tài)。整個電路的輸出 電壓與瓦斯傳感器電阻之間的運算關系 如式 。 R?1KR?1KVl1b ip o f f12AG9V E E11B IN10B O U T81 0 V i n132 0 V i n14DG151 2 / 82CS3A04R /C5D B 1 127D B 1 026D B 925D B 824D B 723D B 622D B 521D B 420D B 319D B 218D B 117D B 016CE6S T S28V c c7A D 5 7 4 A 圖 AD574A 管腳圖 表 AD574A 管腳功能圖 管腳序號 名稱 功能 1 VL +5V 電源輸入端 2 12/8 數(shù)據(jù)模式選擇端， 為高電平時，輸出數(shù)據(jù)為 12 位；當為 低電平時，數(shù)據(jù)是作為兩個 8 位字輸出 3 CS 片選端 低電平有效 4 Ao 轉換位數(shù)控制信號。 28 STS 工作狀態(tài)指示信號端，當 STS=1 時，表示轉換器正處于轉換狀態(tài)，當 STS=0 時，聲明 A/D 轉換結束，通過此信號可以判別 A/D 轉換器的工作狀態(tài)，作為單片機的中斷或查詢信號之用 E A / V p p31P 0. 732P 0. 633P 0. 534P 0. 435P 0. 336P 0. 237P 0. 138P 0. 039WR16RD17P 2. 021P R O G /