【正文】 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。 復(fù) 位 電 路敏感元件信號(hào)采集信號(hào)A /D轉(zhuǎn)換A T 8 9 C 5 1顯 示 電 路報(bào) 警 電 路通 信 電 路時(shí) 鐘 芯 片哈爾濱理工大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)論文 11 第 3 章 瓦斯報(bào)警系統(tǒng)的硬件選擇 MQ7 煙霧傳感器 甲烷濃度檢測(cè)儀器按其工作原理 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。對(duì)儀器進(jìn)行校正應(yīng)該在儀器通電預(yù)熱 15 分鐘后進(jìn)行。 技術(shù)指標(biāo)要求 （ 1）工作環(huán)境條件 溫度： 0～ 40℃ 相對(duì)濕度：≤ 98% 大氣壓力： 86～ 116kps 風(fēng)速： 0～ 8m/s 哈爾濱理工大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)論文 9 （ 2）測(cè)量范圍及誤差： 表 21 測(cè)量范圍 (%CH4) 基本誤差 (%CH4) ～ 177。 密切結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作的要求，盡量減少對(duì)操作使用人員的專業(yè)技術(shù)水平的依賴。因此，我們除了需要提高監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)水平以外，還需將管理工作做到位，以此消除監(jiān)測(cè) 監(jiān)控系統(tǒng)存在的安全隱患。因?yàn)?，縱觀國(guó) 內(nèi)各煤礦瓦斯爆炸事故，其共性問(wèn)題是運(yùn)用科學(xué)技術(shù)保障安全重視不夠、能力有限，且各煤礦對(duì)瓦斯的預(yù)防和控制工作有時(shí)講形式走過(guò)場(chǎng)，甚至講排場(chǎng)不腳踏實(shí)地。最低點(diǎn)燃能量為 。 系統(tǒng)簡(jiǎn)介 本文設(shè)計(jì)的是基于單片機(jī)的井下瓦斯?jié)舛戎悄軅鞲衅?，該系統(tǒng)以單片機(jī) AT87C51 為核心，包含甲烷濃度采樣器、把 220V 的交流電轉(zhuǎn)換成5V 的直流電源、紅外遙控系統(tǒng)、存儲(chǔ)器的擴(kuò)展、 LCD 顯示器和報(bào)警裝置等組成。 【 3】隨著單片機(jī)的廣泛應(yīng)用，將大大促進(jìn)各領(lǐng)域的技術(shù)更新，向自動(dòng)化、小型化、智能化方向邁進(jìn)。 國(guó)外的監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)水平理論上講高于國(guó)內(nèi)發(fā)展水平，但應(yīng)用于國(guó)內(nèi)煤礦尚有一定的局限性，如煤礦管理模式生產(chǎn)方式的不同，價(jià)格過(guò)高不適于國(guó)內(nèi)煤礦現(xiàn)有條件，除在傳感器技術(shù)方面可供借鑒外，其它僅具一定參 考價(jià)值。 瓦斯報(bào)警是指利用氣體傳感器技術(shù)，將檢測(cè)到的瓦斯氣體濃度和標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，當(dāng)高過(guò)一定濃度值時(shí)候進(jìn)行相應(yīng)的聲光報(bào)警，提醒正在作業(yè)的人員進(jìn)行相應(yīng)的處理，組織人員撤離或?qū)ΦV井通風(fēng)排氣，避免不安全事故的發(fā)生，對(duì)現(xiàn)在采礦業(yè)的安全起著非常重要的作用。 1964 年研制出我國(guó)第一個(gè)達(dá)到實(shí)用水平的載體催化元件，接著制成了以這種原件為傳感器的 AQR1 型瓦斯檢測(cè)儀。從 1675 年英國(guó)北威爾士欣煤礦發(fā)生的第一次瓦斯爆炸礦難起，世界各國(guó)開始更進(jìn)一步關(guān)注對(duì)瓦斯檢測(cè)報(bào)警的相關(guān)安全研究，一直以來(lái)，光干涉瓦斯檢定器在我國(guó)以及日本使用比較廣泛，自 20 世紀(jì) 30 年代以來(lái)，已經(jīng)連續(xù)使用了數(shù)十年，至今仍在多數(shù)些礦井的瓦斯檢測(cè)中使用。 哈爾濱理工大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)論文 1 第 1 章 緒論 課題研究背景及意義 從我國(guó)煤炭生產(chǎn)的現(xiàn)狀及我國(guó)能源結(jié)構(gòu)規(guī)劃均可以看出，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”的甲烷爆炸事故更是居重大事故發(fā)生率之首。此次設(shè)計(jì)的主要課題是瓦斯監(jiān)測(cè)報(bào)警器，從題目上看此次設(shè)計(jì)主要分兩大部分來(lái)解決：一是煤礦瓦斯的監(jiān)測(cè)，二是系統(tǒng)的報(bào)警。 該裝置具有經(jīng)濟(jì)實(shí)用 、 數(shù)據(jù)直觀準(zhǔn)確 、 適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，可大量應(yīng)用于煤礦井下作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。但由于某些技術(shù)上的不足，導(dǎo)致一些關(guān)鍵問(wèn)題至今沒(méi)有能夠解決。 1961 年以后，英、美、法、日、德、前蘇聯(lián)等國(guó)家又對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)研究，并從此作為瓦斯檢測(cè)的主要工作方向。另一個(gè)發(fā)展方向就是是研究抗毒能力強(qiáng)的元件。這對(duì)于提高安全意識(shí)、避免重大傷亡事故具有重要意義。因此各國(guó)都采用智能煤礦瓦斯檢測(cè)系統(tǒng)裝置，運(yùn)營(yíng)單片機(jī)工作原理，它能提高煤礦瓦斯檢測(cè)技術(shù)水平和檢測(cè)的實(shí)時(shí)性，更能有效預(yù)防煤礦瓦斯事故的發(fā)生。 假設(shè)這個(gè)單片機(jī)氣體安全監(jiān)控系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)以下的功能：氣體測(cè)試，超過(guò)設(shè)定的門限值后自動(dòng)報(bào)警裝置。瓦斯爆炸界限不是固定不變的，它受到許多因素的影響，其中重要的有： （ 1）氧的濃度 （ 2）其它可燃?xì)怏w混合氣體中有兩種以上可燃?xì)怏w同時(shí)存在時(shí)，其爆炸界限決定于各可燃?xì)怏w的爆炸界限和它們的濃度?？傊怯梢兹家妆臍怏w組成的，甲烷或乙烷遇明火會(huì)燃燒，與空氣混合的比例為10%左右時(shí)，點(diǎn)燃該氣體會(huì)爆炸，所以天然氣加氣站禁止吸煙。我國(guó)大多數(shù)煤礦現(xiàn)有使用的瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)即是我們需要加以改善和提高的技術(shù)產(chǎn)品中比較重要且具有代表性的一種。 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則 在總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，首先重點(diǎn)突出系統(tǒng)整體性能，價(jià)格最優(yōu)的原則，本著先進(jìn)、簡(jiǎn)明、實(shí)用的設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想，從傳感器的信號(hào)采集、處理傳輸，到系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)，在整體最優(yōu)原則的指導(dǎo)下，發(fā)揮各自的設(shè)計(jì)靈活性。 在完成自身系統(tǒng)配套的基礎(chǔ)上，盡可能使產(chǎn)品具有良好的通用性，使之能與 其它產(chǎn)品配套，易于擴(kuò)充新的用途。當(dāng)儀器自檢結(jié)果不正常時(shí)，不進(jìn)入工作狀態(tài)，儀器顯示不變。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 基于單片機(jī)的總體設(shè)計(jì)方案： 圖 21 總體方框圖 本系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心 ,系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能幾乎與前面方案一樣，具有信號(hào)的監(jiān)控處理和報(bào)警顯示。其優(yōu)點(diǎn)是元件和儀器的生產(chǎn)成本低 ,輸出信號(hào)大，對(duì)于 1%氣樣，電橋輸出可達(dá) 15mV 以上，處理和顯示都比較方便，所以儀器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，受背景氣體和溫度變化的影響小，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)。其缺點(diǎn)是由于有光電轉(zhuǎn)換精密結(jié)構(gòu) 使制造和保養(yǎng)產(chǎn)生困難，而且體積大，成本高，耗電多，因此推廣使用受到一定限制。 氣體在放射性元素的輻射作用下發(fā)生電離，在氣體介質(zhì)中的兩個(gè)電極之間便有電流產(chǎn)生。其基本原理是根據(jù)甲烷在一定的溫度條件下氧化燃燒，且在一定的濃度范圍內(nèi)，不同濃度的甲烷在燃燒過(guò)程中要釋放出熱量不同的特性，來(lái)達(dá)到測(cè)定甲烷濃度的目的在考慮上述問(wèn)題之后我們選擇 MQ5傳感器 哈爾濱理工大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)論文 13 圖 31 MQ5 結(jié)構(gòu)外形圖 圖 32 MQ5 接線圖 MQ5 氣敏元 件 的 結(jié)構(gòu) 和 外 形如圖 31 所示 (結(jié)構(gòu) A 或 B),由微型AL2O3 陶瓷管、 SnO2 敏感層 ,測(cè)量電極 加熱器構(gòu)成 的 敏感元 固定塑料或不銹鋼制成 腔體 內(nèi) ，加熱器 氣敏元 件 提供 必 要 的 工作條 件 。圖 是傳感器典型的靈敏度特性曲線。為更好利用傳感器的性能，所以需要選擇恰當(dāng)?shù)?RL 值。因此，在使用此類型氣敏元件時(shí)，靈敏度的調(diào)整是很重要的。 哈爾濱理工大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)論文 16 主要功能介紹 本課題設(shè)計(jì)采用 CPU 為 AT89C52。 32 個(gè)可編程 I/O 口線 。在 Flash 編程時(shí)， P0 口接受指令字節(jié) ,而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié) ,校驗(yàn)期間，要求外接上拉電阻。因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流 I。 ALE/ ________PROG ：當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)，在一般的情況下， ALE仍以時(shí)鐘震蕩頻率的 1/6 輸出固定的脈沖喜好，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。 __EA/VPP：外部訪問(wèn)允許。不應(yīng)將數(shù)據(jù)“ 1”寫入為定義的單元，由于這些單元在將來(lái)的產(chǎn)品中可能被賦予了新的功能，在這種情況下，復(fù)位后這些單元值總是“ 0”。同樣的 5V電壓，若采用 12 位 ADC，則它能分辨的最小電壓為 5000Mv/4096≈ 1mV。根據(jù)其性能指標(biāo)，考慮到系統(tǒng)的精度同時(shí)考慮價(jià)格成本原因我們這次選用了ADC0809 轉(zhuǎn)換器 ,它是一種高精度、低噪聲、低漂移和低價(jià)格的 8 位 A/D轉(zhuǎn)換器。當(dāng) ALE 線為高電平時(shí)，地址鎖存與譯碼器將 A， B， C 三條地址線的地址信號(hào)進(jìn)行鎖存，經(jīng)過(guò)譯碼后被選中的通道的模擬量進(jìn)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 OE＝ 1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)； OE＝ 0,輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。 15 腳背光正極， 16 腳背光負(fù)極；+5V 電壓，對(duì)比度可調(diào) 內(nèi)含復(fù)位電路； 提供各種控制命令 ,如：清屏、字符閃爍、光 標(biāo)閃爍、顯示移位等多種功能； 有 80 字節(jié)顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 DDRAM； 內(nèi)建有 192 個(gè) 5X7 點(diǎn)陣的字型的字符發(fā)生器 CGROM； 8 個(gè)可由用戶自定義的 5X7 的字符發(fā)生器 CGRAM； 哈爾濱理工大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)論文 。 CLK 為時(shí)鐘輸入信號(hào)線。通道選擇表如下表 32 所示。它由一個(gè) 8 路模擬開關(guān)、一個(gè)地址鎖存譯碼器、一個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成。其中 A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間是指完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間，即從輸入啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)開始到轉(zhuǎn)換結(jié)束所用的全部時(shí)間。 定時(shí) /計(jì)數(shù)器 2 的控制狀態(tài)位位于 T2CON、 T2MOD 中 ,寄存器對(duì)（ RCA02H、 RCAP2L）是定時(shí)器 2 在 16 位捕獲方式或 16 位自動(dòng)重裝載方式下的捕獲 /自動(dòng)重裝載寄存器。如果 EA 端為高電平 , CPU將執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。 對(duì) Flash 存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還可用于輸入編程脈沖（ _________PROG ）。 P2 口送出 8 位地址數(shù)據(jù) ,在訪問(wèn) 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， P2 口輸出 P2 鎖存器的內(nèi)容。對(duì)端口寫“ 1”通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作為輸入口。 8 個(gè)中斷源 。 主要性能參數(shù)： 與 MCS51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容 。當(dāng) 精確測(cè)量時(shí)，報(bào)警點(diǎn)的設(shè)定應(yīng)考慮溫濕度的影響。 AC or DC RL 負(fù)載電阻可調(diào) RH 加熱電阻 31Ω177。 Rs 表示傳感器在不同濃度氣體中的電阻值 Ro 表示傳感器在 1000ppm 氫氣中的電阻值圖中所有測(cè)試都是在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下完 成的。 圖 33 MQ5 特性曲線 A IN 01A IN 12A IN 23A IN 34A05A16A27V SS8 S D A 9S C L 10O SC 11E X T 12A G N D 13V R E F 14A O U T 15V D D 16S1P C F 8 5 9 1V C CP 1 .4P 1 .3哈爾濱理工大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)論文 14 MQ5 可燃?xì)怏w檢測(cè)用特點(diǎn) 應(yīng)用在較寬的濃度范圍內(nèi)對(duì)可燃?xì)怏w有良好的靈敏度。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。這一原理是利用氣敏半導(dǎo)體被加熱到 200℃時(shí)，其表面能夠吸附甲烷而改變其電阻值來(lái)檢測(cè)甲烷濃度。目前國(guó)內(nèi)外檢測(cè)甲烷的儀器廣泛采用這一原理。氣敏傳感器的電路的處理使其精度可能受到周圍的環(huán)境的影響比較大，本設(shè)計(jì)節(jié)能、節(jié)約成本、更簡(jiǎn)單精確可靠。 儀器進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，可通過(guò)遙控器對(duì)儀器進(jìn)行校正或設(shè)定報(bào)警點(diǎn)、斷電點(diǎn)、復(fù)電點(diǎn)。 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)?？傮w設(shè)計(jì)的原則有： 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。例如，首先井下某些通風(fēng)不良的巷道未及時(shí)安設(shè)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，其次工作面為完成生產(chǎn)任務(wù)將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的探頭包裹甚至甩掉不用的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，這些都是監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)存在的安全隱患。針對(duì)這一嚴(yán)重災(zāi)情我國(guó)各煤礦投入了巨大的人力、物力、財(cái)力對(duì)各類瓦斯爆炸事故進(jìn)行分析，提出了許多預(yù)防、控制和治理瓦斯的有效方案，但僅僅有這些還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。 瓦斯的最低點(diǎn)燃溫度和最小點(diǎn)燃能量決定于空氣中的瓦斯?jié)舛?，瓦斯空氣混合氣體的最低點(diǎn)燃溫度，絕熱壓縮時(shí) 565℃，其它情況時(shí) 650℃。 通過(guò)顯示器顯示礦內(nèi)瓦斯?jié)舛戎挡⒛芡ㄟ^(guò)上位機(jī)下位機(jī)實(shí)現(xiàn)與 PC 機(jī)之間的信息通信，及時(shí)準(zhǔn)確地顯示井下瓦斯和氧氣超限的實(shí)際情 況，使安全局主要負(fù)責(zé)人對(duì)礦主、安檢員、某些礦的負(fù)責(zé)人進(jìn)行監(jiān)管，督促他們認(rèn)真貫徹 煤礦 安全規(guī)程，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)管功能。智能煤礦瓦斯檢測(cè)主要是依據(jù)單片機(jī)為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)的，傳感器設(shè)計(jì)的智能煤礦瓦斯檢測(cè)系統(tǒng)速度快，體積小，重量輕，可連續(xù)檢測(cè)再加上氣體傳感器向低功耗、多功能、集成化方向的發(fā)展，單片機(jī)具有受集成限制，片內(nèi)儲(chǔ)存量較小，可靠性好，擴(kuò)展簡(jiǎn)單，控制功能強(qiáng)等特點(diǎn)，因此 ，基于單片機(jī)的智能煤礦瓦斯檢測(cè)系統(tǒng)的研究和開發(fā)生產(chǎn)具有十分廣泛的現(xiàn)實(shí)市場(chǎng)和潛在的市場(chǎng)需求。智能傳感系統(tǒng)與傳統(tǒng)傳感器相比，具有高精度、高可靠性、高性能價(jià)格比、多功能化等優(yōu)點(diǎn)，它代表了傳感器的發(fā)展方向，是傳感器克服自身落后向前發(fā)展的必然趨勢(shì)。必須進(jìn)一步