【正文】 通過(guò)設(shè)計(jì)，我深刻領(lǐng)悟到基礎(chǔ)的重要性畢業(yè)設(shè)計(jì)不僅僅能幫助學(xué)生檢驗(yàn)大學(xué)三年的學(xué)習(xí)成果，更多的是畢業(yè)設(shè)計(jì)可以幫助我們更清楚地認(rèn)識(shí)自我，磨礪學(xué)生的意志與耐性，這會(huì)為我們?nèi)蘸蟮墓ぷ骱蜕顜?lái)很大的幫助。從論文的選題、文獻(xiàn)的采集、框架的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)的布局到最終論文定稿。2001年10期[8].[J]. 清華大學(xué),20050101 第1版致謝歷經(jīng)數(shù)月的學(xué)習(xí)和忙碌，本次畢業(yè)論文的設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲，作為一個(gè)大專(zhuān)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)，由于經(jīng)驗(yàn)的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，在這里衷心感謝指導(dǎo)老師的督促指導(dǎo)，以及一起學(xué)習(xí)的同學(xué)的支持，使我按時(shí)完成了這次畢業(yè)設(shè)計(jì)。 研制高可靠性瓦斯傳感器； 礦井瓦斯爆炸多半是由電氣火災(zāi)引起的，因此應(yīng)研制智能化的高壓開(kāi)關(guān)柜、高壓真空饋電開(kāi)關(guān)、低壓真空饋電開(kāi)關(guān)等，依此向系統(tǒng)提供多參數(shù)的信息，如電流、電壓、單相/三相漏電電流、開(kāi)關(guān)運(yùn)行狀態(tài)、開(kāi)關(guān)機(jī)械/電氣閉鎖狀態(tài)等； 制定科學(xué)、合理的政策法規(guī)，研究提高煤礦安全管理水平的管理技術(shù)，使我國(guó)的煤礦安全生產(chǎn)管理從以人治為主，發(fā)展到以法治理。煤礦氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)煤礦工業(yè)安全生產(chǎn)，減少事故發(fā)生和生命財(cái)產(chǎn)損失有重要意義，但是還是存在其不足的地方，今后考慮從這幾個(gè)方面進(jìn)一步研究探討:系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控，而且在軟件技術(shù)上應(yīng)研究開(kāi)發(fā)能根據(jù)被監(jiān)測(cè)環(huán)境地點(diǎn)的參數(shù)進(jìn)行有效的危險(xiǎn)性判別、分析和提出專(zhuān)家決策方案。系統(tǒng)軟件部分采用了模塊化設(shè)計(jì)，為以后對(duì)系統(tǒng)的升級(jí)提供了良好的接口，使后繼開(kāi)發(fā)人員可以方便快捷的改變系統(tǒng)設(shè)置。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，瓦斯事故死亡人數(shù)占總死亡人數(shù)的30%到40%，因此，瓦斯災(zāi)害已成為煤礦安全生產(chǎn)的大敵。(4)電話(huà)監(jiān)控原理圖：它包括輸入控制電路、自動(dòng)撥號(hào)電路、音頻譯碼、忙音及振鈴回音識(shí)別電路、告急信號(hào)產(chǎn)生電路、鈴流接收及譯碼定時(shí)電路、控制電路組成。為使報(bào)警儀顯示清晰的數(shù)字而采用數(shù)碼管顯示，我們使用了集A/D轉(zhuǎn)換、計(jì)數(shù)、譯碼驅(qū)動(dòng)于一身的大規(guī)模集成電路CC7107直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。 瓦斯傳感器、信號(hào)放大器、數(shù)字顯示系統(tǒng)、電壓比較器、聲光報(bào)警電路圖二極管DD6組成控制門(mén)電路，電壓比較器A3和電壓比較器A6只要有一個(gè)輸出高電平，二極管DD6組成的或門(mén)就輸出高電平，驅(qū)動(dòng)V1三極管導(dǎo)通，使蜂鳴器發(fā)聲進(jìn)行聲報(bào)警。集成運(yùn)算Al、A2和有關(guān)電阻組成兩級(jí)反相比例放大器作為瓦斯信號(hào)的放大器，放大倍數(shù)達(dá)千倍以上，A2的輸出加到電壓比較器A3的同相輸人端；RWR8組成分壓器，為電壓比較器提供參考電壓。＋5V直流電源經(jīng)負(fù)電源變換電路7660直接輸出5V電壓，為數(shù)字顯示系統(tǒng)提供5V電源。 電話(huà)自動(dòng)監(jiān)控瓦斯氧氣報(bào)警器組成框圖2 .電路原理分析(1)直流穩(wěn)壓電源電路。目前，在利益的驅(qū)使下，某些礦主或是領(lǐng)導(dǎo)利欲熏心，不顧礦工生命安全，在瓦斯嚴(yán)重超限和氧氣缺乏時(shí)仍讓職工生產(chǎn)；還有某些安檢員責(zé)任心不強(qiáng)，擅自脫離崗位，瓦斯超限和氧氣缺乏時(shí)不報(bào)告，這些都成為當(dāng)前瓦斯發(fā)生爆炸和影響礦工安全的最主要的人為因素。通信的接口設(shè)置和數(shù)據(jù)命令格式見(jiàn)第五章。四．串行中斷程序本文利用AT89552單片機(jī)的通用串行同步/異步(UART)通信接口，來(lái)實(shí)現(xiàn)PC機(jī)對(duì)煤礦氣體監(jiān)測(cè)儀表的控制。設(shè)置定時(shí)器3，識(shí)別氣體成分，計(jì)算氣體濃度。3)系統(tǒng)復(fù)位:觸發(fā)“RESET”鍵，啟動(dòng)看門(mén)狗復(fù)位功能，程序復(fù)位。再次觸發(fā)“CH4”鍵，就可以更新CH4報(bào)警閡值。接著延時(shí)進(jìn)行氣體傳感器預(yù)熱:最后程序進(jìn)入主循環(huán)，開(kāi)啟中斷，進(jìn)入低功耗模式3，等待中斷喚醒。當(dāng)程序跑飛或死機(jī)時(shí)，WDO引腳立即跳變?yōu)榈碗娖剑M(jìn)而觸發(fā)MR手動(dòng)復(fù)位引腳，使MAX706復(fù)位，從而使“看門(mén)狗”定時(shí)器清零并重新開(kāi)始計(jì)時(shí)，WDO引腳輸出高電平，MAX706的RST復(fù)位輸出引腳輸出大約200ms；寬度的的電平脈沖，使單片機(jī)控制系統(tǒng)可靠復(fù)位，重新投入正常運(yùn)行。4)。為此，本系統(tǒng)采用了MAX706和AT89S52構(gòu)成的“看門(mén)狗”硬件電路。第7腳需要接地。 AT24CO2與AT89S52連接電路圖圖中AT24C02的3腳是三條地址線(xiàn)，用于確定芯片的硬件地址。從器件的響應(yīng)信號(hào)結(jié)束后，SDA線(xiàn)返回高電平，進(jìn)入下一個(gè)傳送周期。每次都是先傳最高位，通常從器件在接收到每個(gè)字節(jié)后都會(huì)作出響應(yīng)，即釋放SCL線(xiàn)返回高電平，準(zhǔn)備接收下一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，主器件可繼續(xù)傳送。方向位為“0”表示發(fā)送，即主器件把信息寫(xiě)到所選擇的從器件。開(kāi)始和結(jié)束信號(hào)都是山主器件產(chǎn)生。（4）數(shù)據(jù)的傳送在數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中，必須確認(rèn)數(shù)據(jù)傳送的開(kāi)始和結(jié)束。當(dāng)所有器件的時(shí)鐘信號(hào)都上跳為高電平時(shí)，低電平期結(jié)束，SCL線(xiàn)被釋放返回高電平，即所有的器件都同時(shí)開(kāi)始它們的高電平期。工藝I2C總線(xiàn)的數(shù)據(jù)傳送速率在標(biāo)準(zhǔn)工作方式下為10Okbit/s，在快速方式下，最高傳送速率可達(dá)400kbit/s?？偩€(xiàn)上主和從(即發(fā)送和接收)的關(guān)系不是一成不變的，而是取決于此時(shí)數(shù)據(jù)傳送的方向。當(dāng)某個(gè)器件向總線(xiàn)土發(fā)送信息時(shí)，它就是發(fā)送器(也叫主器件)，而當(dāng)其從總線(xiàn)上接收信自、時(shí)，又成為接收器(也叫從器件)。它通過(guò)SDA(串行數(shù)據(jù)線(xiàn))及SCI副(串行時(shí)鐘線(xiàn))兩根線(xiàn)在連到總線(xiàn)上的器件之間傳送信息，并根據(jù)地址識(shí)別每個(gè)器件:不管是單片機(jī)、存儲(chǔ)器、LCD驅(qū)動(dòng)器還是鍵盤(pán)接口。 MAX7219時(shí)序圖(3)單片機(jī)與MAX7219的連接控制系統(tǒng)單片機(jī)與 。因此只能考慮使用方式0。MAX7219的工作時(shí)序?？詹僮骷拇嫫饔糜诙鄠€(gè)MAX7219級(jí)連。亮度寄存器用于與外部電阻配合控制數(shù)碼管的顯示亮度。D8一Dll為顯示位和各種一廠作方式的控制寄存器地址位，可選擇要顯示的位、解碼方式、顯示亮度、掃描位數(shù)、停止方式、顯示測(cè)試等。并可方便地進(jìn)行多個(gè)芯片的級(jí)聯(lián)，擴(kuò)展顯示容量。（l）MAX7219的功能和設(shè)置MAX7219芯片為MAXIM公司推出的串行輸入/輸出共陰極顯示驅(qū)動(dòng)器，是用一個(gè)芯片實(shí)現(xiàn)以往用軟件完成的動(dòng)態(tài)顯示電路掃描工作的器件。而我們使用的單片機(jī)AT89552本身并無(wú)顯示接口部分，需要外接顯示的譯碼驅(qū)動(dòng)電路。另外，AT89S52也可利用其串行口工作方式0與八AD7810進(jìn)行通訊(圖中未畫(huà)出)，但這時(shí)應(yīng)解決好兩個(gè)問(wèn)題:一是由于AT89S52在TXD的上升沿進(jìn)行采樣，這樣，TXD應(yīng)經(jīng)過(guò)一個(gè)反相器再接到SCLK，而將RXD接至Dout，然后將CONVSI接至任意一個(gè)輸出端口。，其參考電壓Vref連接至參考電源VH，模擬輸入VIN接至GND，而待由氣體傳感器輸出的信號(hào)從VIN+輸入。自動(dòng)低功耗模式是 AD7810的一大特色，一般當(dāng)數(shù)據(jù)吞吐率小于100kSPS時(shí)，應(yīng)使器件工作在此模式下。當(dāng)在CONVST端輸入一個(gè)正脈沖時(shí)，可在其上升沿將器件從休眠狀態(tài)喚醒，喚醒過(guò)程需要1uS的時(shí)間(圖中t2)。圖 啟動(dòng)信號(hào)CONVST應(yīng)在轉(zhuǎn)換結(jié)束前變?yōu)楦唠娖?，即t2應(yīng)小于tl，否則器件將自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式。若采用內(nèi)部時(shí)鐘，那么，轉(zhuǎn)換需要2uS的時(shí)間(圖中tl)。1. AD7810引腳功能 AD7810引腳排列如圖所示，各引腳的功能如下: 1腳CONVST:轉(zhuǎn)換啟動(dòng)輸入信號(hào) 2腳VlN+:模擬信號(hào)同相輸入端 3腳VIN—:模擬信號(hào)反相輸入端 4腳GND:接地端口 5腳Vref:轉(zhuǎn)換參考電壓輸入端 6腳DOUT:串行數(shù)據(jù)輸出端 7腳SCLK:時(shí)鐘輸入端 8腳VDD:電源端 圖 AD7810引腳功能l)分辨率:10位二進(jìn)制2)轉(zhuǎn)換時(shí)間:2uS3)非線(xiàn)性誤差:1LSB4）時(shí)電源電)長(zhǎng)范圍:—5)電源功耗:，低功耗方式時(shí)為5uW6)參考電壓Vref范圍:—VDD7)模擬電壓輸入范圍:0V一Vref8)輸出形式:SPI同步串行輸出，與TTL電平兼容。數(shù)據(jù)代入公式得到：VCC=. 系統(tǒng)電源電路圖 AD7810是美國(guó)模擬器件公司 (AnalogDeviCeS)生產(chǎn)的一種低功耗10位高速串行A/D轉(zhuǎn)換器。通過(guò)調(diào)整接入ADJ端和Vout端電阻的比值，來(lái)改變輸出電壓。內(nèi)置過(guò)載保護(hù)、安全區(qū)保護(hù)等多種保護(hù)電路。VCC是單片機(jī)等集成芯片需要5V的下作電壓。，Vin是外部輸入電源，采用的是12V/3A的直流電源。5． 停電后系統(tǒng)可工作2小時(shí)以上。1． 系統(tǒng)可采集瓦斯、風(fēng)速、負(fù)壓、一氧化碳、溫度等模擬量以及開(kāi)停、風(fēng)門(mén)、饋電等開(kāi)關(guān)量。 系統(tǒng)硬件原理框圖一. 系統(tǒng)特點(diǎn)，監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)及新版的煤礦安全規(guī)程。采用單片機(jī)AT89S52構(gòu)成煤礦氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心部分，根據(jù)氣體傳感器及測(cè)量的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)CH4的成分識(shí)別和濃度測(cè)量。在大濕度條件下，長(zhǎng)時(shí)間暴露可能導(dǎo)致過(guò)量水分蓄積并導(dǎo)致泄漏。傳感器背面有一個(gè)通氣孔以達(dá)到該目的。如果在儲(chǔ)存過(guò)程中將其移除， 則傳感器需要很長(zhǎng)時(shí)間來(lái)保持穩(wěn)定并準(zhǔn)備使用。氣體分子與傳感電極發(fā)生反應(yīng)，同時(shí)測(cè)量反電極，測(cè)量結(jié)果通常與氣體濃度直接相關(guān)。參考電極安裝在電解質(zhì)中，與傳感電極鄰近。測(cè)量該電流即可確定氣體濃度。采用這種方法可以允許適量氣體與傳感電極發(fā)生反應(yīng)，以形成充分的電信號(hào)，同時(shí)防止電解質(zhì)漏出傳感器。為傳送正確的氣體分子量，需要選擇正確的薄膜及毛管的孔徑尺寸。利用壓電晶體檢測(cè)氣體濃度還處于探索階段，關(guān)鍵技術(shù)是選擇吸附待測(cè)氣體的膜。壓電材料有多晶材料和單晶材料。光纖傳感器易于組成光纖傳感網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)多功能、智能化的要求，采用多路復(fù)用技術(shù)，可降低系統(tǒng)成本。半導(dǎo)體氣敏元件具有靈敏度高、能耗少、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，不存在載體催化元件中毒影響等問(wèn)題。在沒(méi)有瓦斯時(shí)，元件表面吸附氧為負(fù)離子吸附，電阻上升；在有瓦斯時(shí)，出現(xiàn)正離子吸附，元件表面自由電子增加，電阻下降。表面電阻型半導(dǎo)體的材料最具代表性的是氧化鋅，電阻型半導(dǎo)體氣敏元件通常都需要加熱，鉑絲通電可加熱元件，使元件維持在300度左右。當(dāng)氣體接觸到半導(dǎo)體時(shí)，半導(dǎo)體發(fā)生變化，利用這種現(xiàn)象的元件稱(chēng)為電阻式；否則，為非電阻式。因?yàn)槭拱雽?dǎo)體體內(nèi)性能發(fā)生變化，故稱(chēng)為體型半導(dǎo)體氣敏元件。.半導(dǎo)體期敏元件種類(lèi)較多，可按表面型及體型分類(lèi)。為保證測(cè)量精度，必須保持其實(shí)溫度恒定。其中，受二氧化碳影響，使示值降低；受水蒸氣影響，使示值增加。熱導(dǎo)式瓦斯監(jiān)測(cè)儀器具有測(cè)量范圍寬、功率小的優(yōu)點(diǎn)，也不存在載體催化元件受高濃度瓦斯沖擊產(chǎn)生激活及中毒問(wèn)題，使用壽命長(zhǎng)。在檢測(cè)器內(nèi)部有兩個(gè)測(cè)量元件：一個(gè)參比室和一個(gè)測(cè)量室，兩個(gè)元件的內(nèi)部張緊著細(xì)鉑絲，在參比室內(nèi)密封著參比氣體，而測(cè)量時(shí)可以進(jìn)入待測(cè)的可燃性氣體。在煤礦中，惹到是瓦斯監(jiān)測(cè)儀器主要用于測(cè)定高濃度瓦斯。具有性能穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)、測(cè)量精確、相應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、易使用維護(hù)等特點(diǎn)，但它也存在一些缺點(diǎn)，如受缺氧影響，選擇性較差；受溫度與氣壓影響而產(chǎn)生誤差等，在使用中要根據(jù)其特點(diǎn)給予修正。利用光干涉檢測(cè)原理，可以檢測(cè)多種氣體濃度，在煤礦中主要是測(cè)定甲烷。注入氣室的流量的大小要根據(jù)氣室結(jié)構(gòu)容積而定。有的瓦斯檢測(cè)儀還能同時(shí)測(cè)氧；有的儀器把檢測(cè)元件和補(bǔ)償元件設(shè)計(jì)成非同步升溫，出現(xiàn)“雙值”現(xiàn)象時(shí)有所指示。在高濃度瓦斯涌出區(qū)域使用的傳感器，最好采用高、低濃度瓦斯傳感器，它在高濃度瓦斯條件下具有自動(dòng)保護(hù)低濃度測(cè)量催化元件的功能。3．使用載體催化元件應(yīng)注意的問(wèn)題在討論載體催化元件性能的時(shí)，已認(rèn)識(shí)到元件存在的缺點(diǎn)和使用的局限性。井下瓦斯檢測(cè)要求實(shí)時(shí)性強(qiáng)、響應(yīng)時(shí)間短。固定使用的瓦斯傳感器中的催化元件稱(chēng)為連續(xù)式元件，連續(xù)功罪時(shí)間為7天；攜帶儀表中使用的元件為間斷式元件，工作時(shí)間為7*8h。相對(duì)誤差%177。1）催化劑衰老 2）催化層形態(tài)構(gòu)造變化 3）載體表面積減少 4）催化劑中毒 5）某些元件在較低溫度下工作，由于井下的高溫度環(huán)境及催化反應(yīng)生成的水蒸氣，會(huì)使元件表面出現(xiàn)冷凝，破壞元件表面氣傳質(zhì)過(guò)程。2. 載體催化元件技術(shù)性能要求及影響因素（1）靈敏度指某一濃度的甲烷在敏感元件反應(yīng)時(shí)，電橋輸出電壓值與甲烷濃度之比值。這種元件的突出優(yōu)點(diǎn)是可以降低元件的功效，產(chǎn)品一致性好，成本也有所降低。載體催化元件最里層是鉑絲線(xiàn)圈，外面是載體和催化劑形成的催化外殼。但鉑絲的催化活性低，必須在900度以上高溫才能使元件工作，不僅耗電量大，而且高溫會(huì)導(dǎo)致元件表面蒸發(fā)，使鉑絲變細(xì)、電阻增加、儀器零位漂移。催化燃燒式氣體檢測(cè)原理:利用敏感元件對(duì)甲烷的催化作用，使甲烷在元件表面發(fā)生無(wú)焰燃燒，放出熱量，使元件溫度上升，檢測(cè)元件可隨自身溫度變化量測(cè)定氣體溫度。因此，《煤礦安全規(guī)程》中對(duì)井下工作面或巷道中甲烷含量有明確規(guī)定，經(jīng)常檢測(cè)礦井瓦斯?jié)舛?，防止瓦斯爆炸，?duì)保證煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。其中在瓦斯礦井建立煤礦瓦斯安全監(jiān)控系統(tǒng)，從而改善了煤礦的安全隱患，減少了礦難的發(fā)生，確保了煤礦工業(yè)的安全生產(chǎn)。裝置除了在局部通風(fēng)機(jī)正常供風(fēng)時(shí)具有瓦斯斷電儀的各項(xiàng)功能外，還增加了當(dāng)局部通風(fēng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)且為恢復(fù)正常通風(fēng)之前、停風(fēng)區(qū)中瓦斯?jié)舛瘸^(guò)3%時(shí)閉鎖局部通風(fēng)機(jī)電源等多項(xiàng)功能。在斷電儀基礎(chǔ)上增加信息傳輸電路，就構(gòu)成了瓦斯遙測(cè)儀。斷點(diǎn)儀一般由主機(jī)、傳輸電纜和低濃度瓦斯傳感器等部分組成。＞～ ≤177。（2）頻率模擬量信號(hào)200～1000Hz，優(yōu)先選用3. 累計(jì)量信號(hào)累積量宜采用脈