【正文】 LNC 系統(tǒng)也是比較具有吸引力的系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用燃油作為還原劑，使用的催化劑（如銀、沸石等）也比較便宜。采用 EGR 系統(tǒng)引入廢氣，降低缸內(nèi)的峰值溫度，降低多余的 O2 限制 NOx 的形成；應(yīng)用電子燃油噴射控制措施，提高噴射油壓，改善燃油在缸內(nèi)的霧化，推遲噴油時刻和多次噴射來降低峰值溫度；降低燃油中硫的含量，硫會形成 PM，同時硫還會對發(fā)動機后處理系統(tǒng)中的催化劑中毒。柴油機尾氣排放物不僅氣味怪異，而且令人頭昏、惡心，影響人的身體健康。研究結(jié)果表明，除了控制防爆柴油機尾氣排放外，合理的通風(fēng)量也是改善井下環(huán)境的重要途徑之一。此次設(shè)計的主要課題是針對防爆柴油機尾氣（ CO 及 NOx）排放的監(jiān)測報警。本設(shè)計的硬件電路包括濃度檢測， A/D 轉(zhuǎn)換，單片機系統(tǒng)，數(shù)據(jù)顯示電路，報警電路，通風(fēng)系統(tǒng)電路及各控制電路；軟件設(shè)計包括濃度采集，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及處理，動態(tài)顯示及濃度控制等。但是其所排 放的尾氣中有害成分較多，主要有碳氫化合物、一氧化碳、二氧化硫、氮氧化合物（ NOx)和微粒（ PT）。提高井下空氣質(zhì)量的監(jiān)測能力適當(dāng)增加巷道通風(fēng)量和合理的布置通風(fēng)系統(tǒng)，其目的就是為了保護井下小環(huán)境，保證工人身心健康。目前該技術(shù)在汽車上的使用已經(jīng)很成熟，研究該系統(tǒng)的焦點集中在如何降低尾氣管里催化還原所需的溫度和如何提高轉(zhuǎn)化率。 近年來，國內(nèi)外研究結(jié)果表明，尾氣后處理技術(shù)大大降低了 柴油機有害 3 物的排放，尾氣后處理技術(shù)從處理方法上不外乎化學(xué)方法和物理方法，化學(xué)方法主要是催化、凈化處理方法，而高效催化劑的研制和開發(fā)是催化、凈化技術(shù)的核心，用到氮氧化合物的催化還原、氮氧化合物的貯存還原、碳煙的催化燃燒等流程。為了改變煤礦 現(xiàn)有的指揮管理落后面貌，在煤礦系統(tǒng)中應(yīng)用最新計算機軟件及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，改造和完善煤礦的現(xiàn)有管理系統(tǒng)，組成技術(shù)先進，功能完善的現(xiàn)代化礦井計算機網(wǎng)絡(luò)管理指揮生產(chǎn)安全監(jiān)測系統(tǒng)是非常必要的。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 [4]。 系統(tǒng)方案的設(shè)計 總體方案： 圖 22 系統(tǒng)框圖 該設(shè)計采用 PIC16F877 作為單片機進行控制，傳感信號包括 CO 氣敏傳感器 MGS1100 和氮氧化合物檢測儀型號選擇 M314919，其中 MGS1100 是一 7 種新型的專門設(shè)計定位于家庭用途的 CO 氣體檢測器。 按照 MT99020xx《礦用防爆柴油機通用技術(shù)條件》的要求，礦用井下防爆柴油機在 MT220 規(guī)定的工況條件下，未經(jīng)稀釋的排氣中，其有害成分的體積濃度不能超過下列許可值：一氧化碳（ CO）為 %；氮氧化合物（ NOx)為 %。由以上計算可知，對于一臺 100KW的發(fā)動機，需要的空氣量 m。由式（ 222)計算可知，稀釋柴油 機廢氣需要的空氣量遠大于柴油機本身工作需要的空氣量。 USART（ Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter） ，同步 /異步串行傳輸，如 RS23 RS485 等。 12V 電源電路設(shè)計如圖 322 所示： 圖 322 12V 電源設(shè)計圖 LM7815 與 LM7915 三端穩(wěn)壓 IC 來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電流內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護電路，使用起來可靠方便而且價格便宜。電容及可調(diào)電阻用來補償相移?？梢哉f，電壓互感器是一個被限定結(jié)構(gòu)和使用形式的特殊變壓器。前者又分為 LC 濾波電路和 RC 濾波電路。 本設(shè)計采用了一階低通 RC 有源濾波電路來對輸入信號進行濾波，電路如圖 3341 所示： 圖 3341 一階低通濾波電路 低通濾波器主要用在信號處于低頻，并且需要消弱高次諧濾或較高的干擾和噪聲等場合。線性誤差177。由 4 位的串行地址輸入來選擇模擬量輸入通道，而 DATA OUT 為 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果的三態(tài)串行輸出端。選用 高性能、低功耗雙軸加速度傳感器 ADXL202E。 本次系統(tǒng)采用的是一種 AD590 集成溫度傳感器。 報警功能電路的設(shè)計 當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)超負荷運行時或風(fēng)扇出現(xiàn)故障時， 為了使操作人員不致忽視，以便及時采取措施，往往還需要有某種更能引人注意和提醒警覺的報警信號。 LCD 是新型平板顯示器件，顯示器中的液晶體并不發(fā)光，而是控制外部光的通過量。低電壓低功耗又是其顯著的一個特點。 變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系： ? ? p/s1f60n ? ，（式中 n、 f、 s、 p 分別表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機轉(zhuǎn)差率、電機磁極對數(shù)）；通過改變電動機工作電源頻率達到改變電機轉(zhuǎn)速的目的。 系統(tǒng)軟件是計算機控制系統(tǒng)的一個關(guān)鍵組成部分，軟件的質(zhì)量直接關(guān)系到整個控制系統(tǒng)的效率和性能。取代曾經(jīng)依靠擋板改變流量的方式，達到節(jié)能效果：精確的調(diào)節(jié)速度和流量，保證工藝質(zhì)量；接受計算機的模擬或數(shù)字信號，進行實時控制；動態(tài)性能好，可實現(xiàn)“軟”啟動。直接和間接經(jīng)濟效益非常明顯。 圖 432 光電隔離電路圖 由于六路隔離電路完全一樣，所以在此僅顯示了一路隔離電路，該驅(qū)動芯片內(nèi)部 集成了互相獨立的 3 組半橋驅(qū)動電路，可為橋臂提供死區(qū)時間，特別適合于三相電源變換等方面的應(yīng)用，芯片的輸入信號與 5V 的 CMOS 或LSTTL 電路輸出信號兼容，因此可直接驅(qū)動，而且內(nèi)部集成了獨立的運算放大器，可通過外部橋臂電阻、取樣電流構(gòu)成模擬反饋輸入；具有故障電流保護功能和欠電壓保護功能，可關(guān)閉 6 個輸入通道。 CLK 時鐘信號，最高頻率為 。 28 圖 433 SA4828 引腳圖 29 第 5章軟件的設(shè)計 本設(shè)計中軟件要解決的問題是用氣體傳感器檢測 CO 和 NOx 濃度的信號，然后對信號進行 A/D 轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)處理、濃度顯示，以及報警器報警。用單片機 31 實現(xiàn)數(shù)字濾波可通過修改濾波器的參數(shù)方便的改變?yōu)V波 。 在此設(shè)計中 TLC2543 是集采集與轉(zhuǎn)換信號于一體的芯片，這直接為系統(tǒng)的設(shè)計提高了很多的效率。 在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到順利完成，有多少可敬的師長、同學(xué)、朋友給了我無言的相助，最后向我的 指導(dǎo)老師致以最崇高的敬意和衷心的感謝。 35 致 謝 在做此畢業(yè)設(shè)計的過程中，我得到了王麗老師的悉心指導(dǎo)，在王老師的指導(dǎo)下明確了自己的研究方向研究方法，使得最終的設(shè)計能夠順利的完成。 數(shù)據(jù)處理 本次設(shè)計采用的是 MGS1100 傳感器的溫度是隨著可燃氣體濃度的升高而線性升高的，因此輸入單片機的電壓由溫度值轉(zhuǎn)換也是隨之升高的。 讀 取 數(shù) 值有 效 值 計 算生 成 一 階 低 通 頻 率 相 應(yīng)曲 線結(jié) 束開 始 圖 52 數(shù)字濾波程序流程圖 所謂數(shù)字濾波，就是通過程序計算或判斷來減少干擾在有用信號中的比重，實際是一種程序濾波。 它們是標(biāo)準(zhǔn)的 TTL 信號，有 12mA 的驅(qū)動能力，可直接驅(qū)動光耦。 (6)有 3種可供選擇的輸出波形，適用于多種應(yīng)用場合。此電路可將直流電壓 +DC 逆變?yōu)槿嘟涣鬏敵鲭妷海?U、 V、 W） 。（ 3）驅(qū)動芯片 IR2233 和 SA4828 專用模塊具有緊急停止功能，一旦故障發(fā)生，專用芯片可以跳過微處理器立即停止輸出驅(qū)動信號，使得系統(tǒng)的安全性大大提高。但是在工業(yè)中最長使用的是經(jīng)驗法。在變頻調(diào)速的控制方法中，脈寬調(diào)制（ PWM）技術(shù)以優(yōu)良的調(diào)壓和調(diào)頻性能，在扁平調(diào)速系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。 表 LCD 管腳功能 管腳號 管腳名稱 電平 管腳功能 1 VSS 0V 電源地 2 VCC +5V 電源正 3 V0 對比度亮度調(diào)整 4 RS（ CS） H/L RS=“ H”，表示 DB7— DB0 為顯示 數(shù)據(jù) RS=“ L”，表示 DB7— DB0 為顯示指令數(shù)據(jù) 5 R/W（ SID） H/L RW=“ H” ,E=“ H” ,數(shù)據(jù)被讀到 DB7— DB0 RW=“ L” ,E=“ H→ L” ,DB7— DB0 的數(shù)據(jù)被寫到 IR 或 DR 6 E(SCLK) H/L 使能信號 714 DB0DB7 H/L 三態(tài)數(shù)據(jù)線 15 PSB H/L H:8 位或 4 位并口方式， L:串口方式 16 NC 空腳 17 RESET H/L 復(fù)位端，低電平有效 18 VOUT LCD 驅(qū)動電壓輸出端 19 A VDD 背光源正端（ +5V） 20 K VSS 背光源負端 23 第 4章 風(fēng)機的變頻調(diào)速 在煤礦井下應(yīng)用的通風(fēng)機，由于用風(fēng)量的要求，往往需要在大負荷下運行，因此風(fēng)機輪翼直徑一般設(shè)計的都比較大，大都在 1 米以上，這樣為了克服風(fēng)機的大啟動力矩，風(fēng)機所配置的拖動電機功率也非常大。 雖然亮度，顯示效果不及 LED 顯示屏，但是功耗卻遠遠小于 LED，而且零輻射、散熱小，不存在超高壓器件，不至于由于高壓導(dǎo)致的 X 射線超 標(biāo)。因為發(fā)光二極管不僅耗電小，而且有多種顏色可供選擇，便于用閃光顏色區(qū)分不同報警信息。電源電壓范圍為 4～ 30V，可以承受 44V 正向電壓和 20V 反向電壓，因而器件即使反接也不會損壞。 Xfilt 和 Yfilt 引腳的外接電容 C 與芯片內(nèi)部集成電阻構(gòu)成低通濾波器，可確定輸出模擬信號的帶寬，同時濾除噪聲，抑制零點漂移 [9]。 REF+為正基準(zhǔn)電壓端，相反 REF為負基準(zhǔn)電壓端。 圖 3421 TLC2543 引腳圖 在 TLC2543 引腳中， AIN0～ AIN10 為模擬量輸入端。為簡化電路的硬件結(jié)構(gòu)，本設(shè)計采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器 TLC2543 對采到的數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波，并計算有效值。而由 RC 網(wǎng)絡(luò)和集成運算放大器組成的有源濾波電路卻克服了無源濾波電路的缺點，它具有以下的優(yōu)點： ，因此體積小，重量輕，不需要加磁屏蔽。 圖 3312電壓互感器 信號調(diào)理電路的設(shè)計 濾波電路的設(shè)計 在一個實際的電子系統(tǒng)中，它的輸入信號往往因受干擾等原因而含有一些不必要的成分，應(yīng)當(dāng)設(shè)法將它衰減到足夠小的程度。 圖 3311電流互感器 電壓互感器的作用就是把高電壓按比例關(guān)系變換成 100V或更低等級的標(biāo)準(zhǔn)二次電壓，供保護、計量、儀表裝置使用，同時使用電壓互感器可以將高電壓與電氣工作人員隔離。它不僅保證了人身和設(shè)備的安全，也使儀表和繼電器的制造簡單化、標(biāo)準(zhǔn)化，提高了經(jīng)濟效益。 電源電路的設(shè)計 在此設(shè)計中電源電路是為各個部分硬件電路最基本的供電電路，依據(jù)以上各個硬件電路設(shè)計情況以及所需電壓值一共設(shè)計出三種電源電路： 5V、12V、 15V。 圖 31 PIC16F877 引腳圖 PIC16F877 屬于閃控式 (Flash)單片機，可以重復(fù)燒錄，其 ROM 的容量總共是 8K words，以 2K為一個 page，區(qū)分為 4 個 pages；內(nèi)部 RAM 總共有 512 個字節(jié) (00f～ 1FFh)，以 128個字節(jié)為一個 Bank，共區(qū)分為 4個 Bank，每個 Bank 的前半段都有其特殊用途，分 別連接到其特殊功能模塊，例如 I/O、CCP、 Timer、 USART、 MSSP 等。 8 a=L/L0= m1/(gbL0) （ 223） m1 為每循環(huán)進入氣缸的實際空氣量； gb 為每循環(huán)噴油量 ； L0 為 1kg燃油完全燃燒所需的理論空氣量，輕柴油 L0=。min) （ 221） 在 20℃時， 1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下空氣的密度為 179。氣體檢測電路的主要功能是監(jiān)測氣體濃度值。 6 第 2 章系統(tǒng)功能介紹及方案設(shè)計 主要對防爆柴油機的尾氣的濃度和風(fēng)量的控制進行分析，對整體系統(tǒng)方案進行設(shè)計。因此，十分需要研制一種新型多功能煤礦檢測儀以克服現(xiàn)有設(shè)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(zhǔn)確的測量出井下 的環(huán)境因素 [3]。 如今我國煤炭系統(tǒng)的國統(tǒng)礦和地方礦都是現(xiàn)代化礦井，在前幾年達標(biāo)過程中，大部分都安裝了一套安全生產(chǎn)調(diào)度監(jiān)測系統(tǒng)或通風(fēng)安全監(jiān)測調(diào)度系統(tǒng)。該系統(tǒng)大概是在 20xx 年應(yīng)用在柴油發(fā)動機上。為了滿足如此嚴(yán)厲的排放法規(guī)，柴油機采取了一系列措施。除了控制防爆柴油機尾氣排放外，合理的通風(fēng)量也是改善井下條件的重要之一。 Through the software design can be realized on the CO and NOx concentration monitoring .Can effectively prevent coal mine poisoning, to avoid casualties and property losses has a positive role. Key words: CO and NOx alarm system single chip microputer ventilat