【文章內(nèi)容簡介】 度范圍（ 200～ 400℃），顯著的提高銀基 LNC的 NOx 轉(zhuǎn)化率 [2]。 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(jī)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。物理方法是采用水洗法來降低柴油機(jī)顆粒物的排放。柴油機(jī)的尾氣通過水洗箱時尾氣中的顆粒沉淀在水洗箱內(nèi)，同時還能降低排氣溫度。 煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng)，是目前為止實際通風(fēng)尾氣管理工作中最重要和最有效的自動化手段，已經(jīng)裝備監(jiān)控系統(tǒng)的煤礦的尾氣易燃事故率大為下降，實踐證明，煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng)對保障 煤礦安全生產(chǎn)，提高煤礦生產(chǎn)率，提高煤礦自動化程度，以及促進(jìn)煤礦管理現(xiàn)代化水平，都有著舉足輕重的作用。 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(dá)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)。用來及時掌握生產(chǎn)或通風(fēng)系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的動態(tài)信息，這對發(fā)揮生產(chǎn)指揮的準(zhǔn)確性、靈活性、快捷性起到重要的作用。但是目前的煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)軟件大多運行于 DOS 平臺或單機(jī)運行于 Windows 平臺。根本不能適應(yīng)知識經(jīng)濟(jì)時代高速網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的需要，嚴(yán)重制約了煤礦企業(yè)企業(yè)信息化的發(fā)展。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(jī)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(jìn)，功能完善的現(xiàn)代化礦井計算機(jī)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。我國從八十年代初期開始引進(jìn)煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng)，歷經(jīng)了直接引進(jìn)、消化吸收、仿制配套、自主開發(fā)的過程，但迄今為止的產(chǎn)品大多都是面對大型礦井設(shè)計的，而且自身尚有一些有待解決的問題，如 :造價高，系統(tǒng)最基本的配置過于龐大，運行費用大，傳感器測量穩(wěn)定性差，調(diào)校頻繁，壽命短，系統(tǒng)安裝、維護(hù)復(fù)雜，操作不便，人機(jī)界面較差，系統(tǒng)設(shè)備可靠性差，必須依賴專業(yè)的維護(hù)隊伍，對人員技術(shù)，素質(zhì)有較高的要求。國外的監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)理 4 論上講高于國內(nèi)發(fā)展水平，但應(yīng)用于國內(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，價格過高不適于國內(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值。綜合來說，目前市場上的每種系統(tǒng)都可能存在檢測量單一、量程小、體積大、功耗大、 需短期內(nèi)校準(zhǔn)、使用壽命短、無數(shù)據(jù)傳輸方式等其中某種或某幾種缺點。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]。 從現(xiàn)在的國家煤炭生產(chǎn)的現(xiàn)狀及我國能源結(jié)構(gòu)規(guī)劃均可看出，在本世紀(jì)中葉以前，煤炭仍是支持我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要能源。但是煤炭工業(yè)的安全生產(chǎn)狀況卻不容樂觀，中小型煤礦的情況尤為嚴(yán)重，已經(jīng)直接威脅到整個煤炭工業(yè)的穩(wěn)定生產(chǎn)，給國家財產(chǎn)和人民生命造成了很大的損失，柴油機(jī)尾氣排放的污染物已經(jīng)引起了嚴(yán)重的礦井環(huán)境污染問題，對井下工作人員造成極大地威脅，尾氣后處理是柴油機(jī)尾氣污染治理必不可少和最有效的技術(shù)之一。因此研制煤礦井下柴油機(jī)尾氣監(jiān)測控制及報警系統(tǒng)對國家的煤礦井下良好的環(huán)境建設(shè)減少中毒事故發(fā)生有著及 其重要的意義。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(jìn)技術(shù)水平的差距 [4]。 課題的主要研究內(nèi)容與要求 設(shè)計的主要內(nèi)容與要求是：設(shè)計一個 CO 與氮氧化合物安全監(jiān)控系統(tǒng)，將 CO 與氮氧化合物氣體濃度許可值上限通過電腦程序輸入系統(tǒng)中，在氣體濃度的一定范圍內(nèi)進(jìn)行安全檢測，在氣體濃度達(dá)到上限時進(jìn)行自動加強(qiáng)通風(fēng)，如果通風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，電路實現(xiàn)自動報警功能，及時通知礦內(nèi)工作人員。這個單片機(jī)氣體安全監(jiān)控系統(tǒng)要實現(xiàn)以下功能：氣體測試，超過設(shè)定的門限值 后自動加強(qiáng)通風(fēng)裝置。氣敏傳感器檢測儀檢測氣體濃度，再加上濃度 5 監(jiān)測與自動加強(qiáng)通風(fēng)，通過顯示器顯示礦內(nèi) CO 和氮氧化合物的濃度值 [5]。 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(jī)的尾氣的濃度和風(fēng)量的控制進(jìn)行分析，對整體系統(tǒng)方案進(jìn)行設(shè)計。 系統(tǒng)性能的描述 在生活中如果有一個能及時發(fā)現(xiàn)有毒及易爆氣體，并且能自動加強(qiáng)通風(fēng)量而且還能報警，這無疑是給井下煤礦工人的工作環(huán)境的安全上了雙重保險。基于這個思路，設(shè)計了 CO 與氮氧化合物監(jiān)測自動通風(fēng)報警系統(tǒng)。能夠較為準(zhǔn)確科學(xué)的檢測防爆柴油機(jī)尾氣排放的 濃度，當(dāng)氣體達(dá)到一定門限值時就會自動通風(fēng)，如果通風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障則會自動報警，從而達(dá)到實時安全監(jiān)控作用。 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(jī)進(jìn)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。在微型結(jié)構(gòu)硅橋結(jié)構(gòu)中嵌入的加熱器上制作一層 SnO2 薄膜，由于硅膜減少了熱傳導(dǎo)的熱損失，從而大大降低了功耗。此傳感器溫度是隨著可燃?xì)怏w濃度的升高而線 性升高的。氣敏傳感器輸出的信號送給 TLC2543 轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送給單片機(jī) ,監(jiān)測電路可靠工作。氣體檢測電路的主要功能是監(jiān)測氣體濃度值。設(shè)置氣體濃度臨界值，超過臨界值通風(fēng)系統(tǒng)電路工作，當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，報警電路響應(yīng)。這種系統(tǒng)的可靠性強(qiáng)且容易實現(xiàn)，而且方便操作，完全實現(xiàn)監(jiān)測、控制、處理、報警一體化 [6]。 風(fēng)量的控制 改變井下工作小環(huán)境，除了控制防爆柴油機(jī)本身有害物的排放外，另一個更重要的手段就是適當(dāng)增加和合理配置井下的通風(fēng)量和布置合理的通風(fēng)系統(tǒng)，強(qiáng)制稀釋發(fā)動機(jī)排出的多種廢氣成分。 按照 MT9902020《礦用防爆柴油機(jī)通用技術(shù)條件》的要求，礦用井下防爆柴油機(jī)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 %。對于國內(nèi)增壓中冷柴油機(jī)，一般經(jīng)濟(jì)油耗率為 206～ 225g/(kWh),標(biāo)定工況下耗油率為 270～ 290g/(kWh),因此，增壓中冷柴油機(jī)在標(biāo)定工況下需要的新鮮空氣量 m1。如式（ 221）所示。 m1=agbL0=(kWmin) （ 221） 在 20℃時， 1 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下空氣的密度為 179。；則需要的空氣量m1= /=179。/(kWmin)。由以上計算可知，對于一臺 100KW的發(fā)動機(jī)，需要的空氣量 m。如式（ 222）所示。 m=100 m1=（ 222） 其中 a為過量空氣系數(shù)。如式（ 223）所示。 8 a=L/L0= m1/(gbL0) （ 223） m1 為每循環(huán)進(jìn)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=。 按照規(guī)定的要求，礦用柴油機(jī)車在煤礦井下正常運行時，排氣中的 CO和 NOx 的排放濃度被巷道中風(fēng)流稀釋后，井下空氣中的 CO、 NOx 不得超過下列規(guī)定：一氧化碳（ CO）為 %；氮氧化物（ NOx）（換算成 NO2）：25%。 關(guān)于煤礦井下使用柴油機(jī)設(shè)備的通風(fēng)要求，按煤礦工程設(shè)計手冊的要求，每千瓦需配風(fēng) ～ 4m179。/min。由式（ 222)計算可知，稀釋柴油 機(jī)廢氣需要的空氣量遠(yuǎn)大于柴油機(jī)本身工作需要的空氣量。因此，在計算整個井下供風(fēng)系統(tǒng)時，防爆柴油機(jī)本身工作需要的空氣量可以忽略不計 [7]。 第 3 章各部分的電路選擇與設(shè)計 9 單片機(jī)的選擇 目前，在各種單片機(jī)設(shè)計中所使用的通用單片機(jī)芯片以 INTEL 的 51 系列和 MICROCHIP 的 PIC 系列為主，而由于 51 系列單片機(jī)指令系統(tǒng)復(fù)雜，外圍接口功能較弱，所以整個硬件系統(tǒng)的設(shè)計決定采用 MICROCHIP 公司推出的新型處理芯片 PIC16F877，它的指令系統(tǒng)精煉實用。可以重復(fù)燒錄程序適合教學(xué)、開發(fā)新產(chǎn)品 等用途；而其內(nèi)建 ICD(In Circuit Debug)功能，可以讓使用者直接在單片機(jī)電路或產(chǎn)品上，進(jìn)行如暫停微處理器執(zhí)行、觀看緩存器內(nèi)容等，讓使用者能快速地進(jìn)行程序除錯與開發(fā)。 圖 31 PIC16F877 引腳圖 PIC16F877 屬于閃控式 (Flash)單片機(jī)，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。 PIC16F877 屬于內(nèi)嵌功能較多的單片機(jī)，除了 CPU、 POM、 RAM、 I/O 等基本構(gòu)造外，還包括以下各種功能，簡介如下： A/D converter：模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，最多可以讀取 8 組模擬輸入訊 10 號。 CCP： Capture、 Compare、 PWM，用于控制直流馬達(dá)。 Timer ， 內(nèi)部 定時 器 ，有 Timer0 、 Timer1 、 Timer2 等。 USART（ Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter） ，同步 /異步串行傳輸，如 RS23 RS485 等。 MSSP： Master Synchronous Serial Port，兩線式 (I2C)與三線式 (SPI)標(biāo)準(zhǔn)同步串行傳輸協(xié)定，常用于 EEPROM 內(nèi)存資料的燒錄與讀取，或是與其它集成電路溝通與聯(lián)系，形成多芯片網(wǎng)絡(luò)。 PIC 單片機(jī)之所以能夠獲得廣泛應(yīng)用，是因為它具有一系列特點，例如PIC 的哈佛雙總線結(jié)構(gòu)、 RISC 指令系統(tǒng)、單周期指令、快速的執(zhí)行速度、簡單的尋址方式、程序和數(shù)據(jù)分開存儲的模式、 I/O 引腳的獨立編程能力和較大的 驅(qū)動能力、豐富的功能部件、多種編程方式以及一系列微控制特性等。這些特性都是使 PIC 單片機(jī)得到迅速推廣應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ) [8]。 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。 5V 電源電路設(shè)計如 321 所示： 圖 321 5V 電源設(shè)計圖 此電源電路采用 LM7805 芯片，它采用的是三端正電源穩(wěn)壓電路。它有一系列的電壓輸出，應(yīng)用非常的廣泛這中類型由于內(nèi)部電流的限制，以及過熱保護(hù)和安全工作 區(qū)的保護(hù)，使它基本不會受到損壞。如果能夠提供足夠 11 的散熱片，它就能提供大于 的輸出電流 。 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(hù)電路，使用起來可靠方便而且價格便宜。 15V 電源電路設(shè)計如圖 323 所示： 圖 323 15V 電源設(shè)計圖 電流、電壓、采集電路的設(shè)計 電流互感器和電壓互感器在電路中的作用就是“檢測元件”，我們對大 12 電流和高電壓直接測 量起來不方便、也不安全，就開發(fā)了這種電器當(dāng)作人們的“眼睛”，隨時監(jiān)視著電路的電流和電壓。 電流互感器的作用就是用于測量比較大的電流。電流互感器把大電流按一定比例變?yōu)樾‰娏?，提供各種儀表使用和繼電保護(hù)用的電流，并將二次系統(tǒng)與高電壓隔離。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(jì)效益。（將很大的一次電流轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的5安培； 為測量裝置和繼電保護(hù)的線圈提供電流； 對一次設(shè)備和二次設(shè)備進(jìn)行隔離。） 輸入電流時次級會產(chǎn)生一個與變比相應(yīng)的輸出電流。通過運算放大器將電流信號轉(zhuǎn)化成電 壓信號，調(diào)節(jié)反饋電阻的值在輸出端得到所要求的電壓輸出。電容及可調(diào)電阻用來補(bǔ)償相移。 本設(shè)計采用微型 CT 作為系統(tǒng)電器參量的采集與系統(tǒng)隔離，防止系統(tǒng)干擾的侵入。本設(shè)計中采用星格公司的 SCT254AX 精密電流互感器，該互感器小巧輕便，隔離度高，耐沖擊性強(qiáng)。輸入額定電流為 5A，額定輸出電流為 。 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(hù)、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。電壓互感器雖然也是按照電 磁感應(yīng)原理工作的設(shè)備，但是它的電磁機(jī)構(gòu)關(guān)系與電流互感器相比正好相反。電壓互感器二次回路是高阻抗回路，二次電流的大小由回路阻抗決定。當(dāng)二次負(fù)載阻抗減小時，二次電流增大，使得一次電流自動增大一 13 個分量來