【正文】 橋電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、顯示電路及報(bào)警/斷電電路等組成。當(dāng)含有瓦斯的空氣在高溫和催化劑的作用下，發(fā)生無焰燃燒，而在白元件上則不致使瓦斯燃燒，從而使黑元件的溫度比白元件的溫度高，黑元件中的鉑絲既是加熱元件，又是感應(yīng)溫度的熱敏元件，根據(jù)鉑絲的正溫度系數(shù)的特性，溫度升高時(shí)電阻增大，黑元件上的電壓降即增大，電橋失去平衡，輸出一個(gè)電壓信號(hào)△U，該電壓值的大小反映了瓦斯?jié)舛鹊母叩?，檢測(cè)此電壓便可測(cè)量出瓦斯?jié)舛?。但由于白元件處于與黑元件相同的工作環(huán)境中，所以，對(duì)非瓦斯?jié)舛茸兓鸬拇呋柚底兓鹧a(bǔ)償作用，以提高儀器零點(diǎn)穩(wěn)定性和抗干擾能力。表32 高濃度瓦斯試驗(yàn)放氣前后的數(shù)據(jù)(7)穩(wěn)定性 l)初始穩(wěn)定性 貯存一周到一年的元件初始零點(diǎn)輸出可能不為零，只需在工作點(diǎn)電壓穩(wěn)定十分鐘后輸出零點(diǎn)將歸零貯存一周到一年的元件剛開始下作時(shí)靈敏度可能達(dá)不到最佳點(diǎn)，只需在工作點(diǎn)電壓穩(wěn)定二十分鐘后輸出靈敏度將復(fù)原2)長期穩(wěn)定性圖35 長期穩(wěn)定性黑元件載體催化燃燒式元件，當(dāng)瓦斯氣體在元件表面與氧氣產(chǎn)生無焰燃燒時(shí)，電橋失去平衡，輸出一個(gè)電壓信號(hào)。Y軸表示Vo的輸出電壓值。：OmV～+2OmV(3)靈敏度M2mV(4)傳感器對(duì)多種可燃?xì)怏w的敏感特性圖32表示CH4氣體敏感元件對(duì)各種氣體的反應(yīng)關(guān)系，從圖上我們可以看出敏感元件輸出電壓與對(duì)各種氣體濃度之間具有較好的線性關(guān)系。適用于煤礦井下作業(yè)環(huán)境測(cè)量空氣中的瓦斯氣體濃度。此外，傳感器電源應(yīng)是經(jīng)過穩(wěn)壓的穩(wěn)壓源。探頭內(nèi)部的主要元件是黑元件(催化元件)和白元件(補(bǔ)償元件)，兩個(gè)元件分別配置在電橋電路中，作為一組橋臂，另一組橋臂是兩個(gè)固定電阻，作為電橋的比率臂。根據(jù)設(shè)計(jì)要求及各類檢測(cè)儀的優(yōu)缺點(diǎn)，本課題設(shè)計(jì)采用熱催化式工作原理。比較這兩種速度就可測(cè)定高濃度瓦斯。但當(dāng)濃度大于1%CH4時(shí)，其反應(yīng)遲鈍，選擇性和線性均較差，所以很少用于煤礦井下瓦斯?jié)舛鹊臋z測(cè)，而多用于可燃?xì)怏w的檢漏報(bào)警。這一原理是利用氣敏半導(dǎo)體被加熱到200℃時(shí)，其表面能夠吸附瓦斯而改變其電阻值來檢測(cè)瓦斯?jié)舛取Ｆ鋬?yōu)點(diǎn)是采用這一原理的儀器精度高，選擇性好，不受其它氣體影響，測(cè)量范圍寬，可連續(xù)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。其缺點(diǎn)是測(cè)量低濃度瓦斯時(shí)輸出信號(hào)小，受氣溫及背景氣體的影響較大。 (3)熱導(dǎo)式熱導(dǎo)式是利用瓦斯與空氣熱導(dǎo)率之差來實(shí)現(xiàn)瓦斯?jié)舛鹊臏y(cè)定。(2) 光干涉式光干涉式是利用光波對(duì)空氣和瓦斯折射率不同所產(chǎn)生的光程差，引起干涉條紋移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)不同瓦斯?jié)舛鹊臏y(cè)定。其缺點(diǎn)是探測(cè)元件的壽命較短，不能測(cè)高濃度瓦斯，硫化氫及硅蒸氣會(huì)引起元件中毒而失效。3 報(bào)警器設(shè)計(jì) (1) 熱催化式熱催化式是利用瓦斯在催化元件上的氧化生熱引起其電阻的變化來測(cè)定瓦斯?jié)舛取?系統(tǒng)框圖此次設(shè)計(jì)的煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)報(bào)警器的系統(tǒng)框圖如下所示：主要由氣體傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器ADC080單片機(jī)AT89C5LED顯示電路、聲光報(bào)警裝置和附件電路組成。若實(shí)際瓦斯?jié)舛瘸蓿舛瘸揞A(yù)警值可鍵盤控制輸入）則在單片機(jī)的控制下進(jìn)行聲光報(bào)警。然后再將電壓信號(hào)輸入到AD7109進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換變換成數(shù)字信號(hào)，并在51單片機(jī)的控制下將其輸入，然后在內(nèi)部軟件編程下進(jìn)行數(shù)值變換處理。因此此次設(shè)計(jì)整體上是基于AT89S51單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)煤礦瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)報(bào)警。2 系統(tǒng)概述隨著超大規(guī)模數(shù)字集成電路、單片機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，利用單片機(jī)及其它外圍芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)瓦斯的監(jiān)測(cè)成為一種可能，并且成為一種發(fā)展趨勢(shì)。因此，除在傳感器技術(shù)方面可供借鑒外，其它僅具一定的參考價(jià)值。但是這兩種系統(tǒng)只是基于井下監(jiān)測(cè)，并無數(shù)據(jù)上傳，不能實(shí)現(xiàn)智能化監(jiān)控。袖珍式儀器的采樣方法為擴(kuò)散式，用于在危險(xiǎn)環(huán)境中的工作人員隨身攜帶；便攜式儀器采樣方法為泵吸式，用于監(jiān)測(cè)人員定期安檢；固定式儀器用于煤礦井下固定地點(diǎn)氣體監(jiān)測(cè)。 國內(nèi)外發(fā)展概況及研究方向隨著科技發(fā)展，瓦斯檢測(cè)和報(bào)警儀器不斷更新。目前我國已經(jīng)使用的瓦斯報(bào)警礦燈具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，但存在的問題是傳感器漂移大，要定期維護(hù)，并且需要維護(hù)的周期很短；維護(hù)方法復(fù)雜，成本較高，抗機(jī)械干擾能力較差。瓦斯的危害主要表現(xiàn)為三個(gè)方面：第一、瓦斯?jié)舛冗^高，對(duì)工人身體健康造成傷害，表現(xiàn)為缺氧，呼吸困難，窒息等；第二、瓦斯煤塵爆炸，瓦斯爆炸所產(chǎn)生的巨大沖擊波和高溫火焰，往往導(dǎo)致群死群傷，而且揚(yáng)起的煤塵又會(huì)參與爆炸，摧毀巷道，毀壞設(shè)備，甚至毀滅整個(gè)礦井，給國家和人民生命財(cái)產(chǎn)造成巨大損失。但是，目前煤炭工業(yè)的安全生產(chǎn)狀況卻很差，其中之一便是有害氣體的危害性，包括CH4，瓦斯，SO2等。1 緒論 本課題的研究背景及意義從我國煤炭生產(chǎn)的現(xiàn)狀及我國能源結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略規(guī)劃均可看出，在本世紀(jì)中葉以前，煤炭仍將是支持我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要能源。綜上所述，瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)監(jiān)控器所要實(shí)現(xiàn)的功能包括根據(jù)所選的瓦斯傳感器來設(shè)定瓦斯?jié)舛阮A(yù)警值，采集瓦斯?jié)舛炔⑦M(jìn)行濃度顯示及處理，當(dāng)實(shí)際濃度超限時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警。多年來的實(shí)踐證明，瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測(cè)監(jiān)控器在監(jiān)測(cè)煤礦井下安全狀況，防范安全隱患方面起著重要作用，充分發(fā)揮其作用，是我國煤礦安全形勢(shì)實(shí)現(xiàn)好轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。在許多發(fā)達(dá)國家中為了減少事故的發(fā)生，一般不會(huì)開采高瓦斯災(zāi)害隱患嚴(yán)重的礦井。近年來，瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出等災(zāi)害，嚴(yán)重威脅著煤礦的安全生產(chǎn)和數(shù)百萬名煤礦工的生命安全，瓦斯災(zāi)害已成為制約我國煤礦安全生產(chǎn)和煤炭工業(yè)發(fā)展的重要因素，可以說瓦斯爆炸已經(jīng)成為礦難的第一大禍?zhǔn)住?AlarmII 目 錄前 言 11 緒論 2 本課題的研究背景及意義 2 國內(nèi)外發(fā)展概況及研究方向 32 系統(tǒng)概述 4 系統(tǒng)框圖 4 工作原理 53 報(bào)警器設(shè)計(jì) 6 6 6 熱催化元件的結(jié)構(gòu)及工作原理 7 A/D轉(zhuǎn)換電路 14 ADC0809的介紹 14 14 16 單片機(jī)的概述 16 16 18 AT89C51簡(jiǎn)介 19 20 21 AT89C51單片機(jī)對(duì)ADC0809的接口 24 聲光報(bào)警與LED顯示 25 25 LED顯示 264 系統(tǒng)仿真及部分程序 29 29 30參考文獻(xiàn) 36附錄： 38外文資料與中文翻譯 3836前 言我國是煤炭生產(chǎn)大國，隨著煤礦機(jī)械化程度的提高，礦井生產(chǎn)能力和生產(chǎn)效率普遍加大，煤炭年產(chǎn)量居世界首位，產(chǎn)煤量占世界總產(chǎn)煤量的20%。 A/D converter circuit。 display circuit displays the realtime gasconcentration。 sensitive element that is used of the accurate detection of gas content is one of the main ponents, and its output is the voltage signal which is corresponding to the gasconcentration。該儀器的特點(diǎn)是測(cè)量范圍寬，精度高；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低；可靠性和穩(wěn)定性好，是一種電路設(shè)計(jì)新穎、參數(shù)測(cè)量準(zhǔn)確、操作方便的礦用瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控儀。儀器由CPU、敏感元件、A/D轉(zhuǎn)換電路、顯示電路、報(bào)警電路等組成。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文） 題目 基于單片機(jī)的瓦斯泄漏檢測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)院（系部） 機(jī)電工程系 專業(yè)名稱 機(jī)電一體化專業(yè) 年級(jí)班級(jí) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 年 月 日洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)摘 要本課題設(shè)計(jì)的是基于單片機(jī)的瓦斯?jié)舛葓?bào)警監(jiān)控儀，是采用熱催化原理探頭制成的瓦斯?jié)舛葴y(cè)量?jī)x，適用于中小型煤礦井下各作業(yè)場(chǎng)所中測(cè)量空氣中的瓦斯?jié)舛取x器能夠根據(jù)瓦斯?jié)舛葓?bào)警限(%)進(jìn)行聲、光報(bào)警。其中CPU是監(jiān)控儀的核心，完成數(shù)據(jù)采集、處理、輸出、顯示等功能；敏感元件是準(zhǔn)確檢測(cè)瓦斯氣體含量的主要元件之一，其輸出是與瓦斯?jié)舛认鄬?duì)應(yīng)的電壓信號(hào)；A/D轉(zhuǎn)換電路把放大了的電壓信號(hào)由模擬信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)送入CPU；顯示電路則顯示實(shí)時(shí)瓦斯?jié)舛?；?bào)警電路對(duì)超限瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行報(bào)警。AbstractThis paper designs gas alarm monitor, which is according to catalytic principle. It is applicable to small and mediumsized coal mine in the measurement of workplace air concentration of gas. Apparatus, which is according to gas concentration alarm limit (1%), carry out sound and light alarm. Apparatus consists of CPU, sensitive element, A/D conversion circuit, display circuit and alarm circuit. CPU, which is the core of the monitor, finishes data’s acquisition, processing, output, display and other functions。 A/D conversion circuit exports the amplified voltage signal from the analog signal into digital signal to the CPU。 the alarm circuit alarms to the limited gasconcentration. The apparatus is characterized by a wide measurement range, high precision, reliability and good stability. It is that parameter measurement is accurate, the mine gasconcentration monitor.Key words: CPU。 Sensitive ponents。但同時(shí)我國也是煤礦安全形勢(shì)最為嚴(yán)峻的國家之一。國有地方和鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦中，高瓦斯礦井和煤與瓦斯突出礦井占15%左右。但中國是一個(gè)能源饑渴大國，煤炭是我國的主要能源，占一次性能源構(gòu)成的75%,所以不論是低瓦斯還是高瓦斯，都在積極創(chuàng)造條件，照采不誤。近年來，國有重點(diǎn)煤礦瓦斯爆炸事故較少的原因之一，就是絕大多數(shù)煤礦的高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井安裝了瓦斯報(bào)警器。所以開發(fā)設(shè)計(jì)出一種操作簡(jiǎn)單的瓦斯報(bào)警器，對(duì)有效的預(yù)防和減少瓦斯爆炸具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義。煤炭生產(chǎn)作為我國能源工業(yè)的支柱，其地位將是長期的，穩(wěn)定的。瓦斯(CH4)是煤礦井下危害最大的氣體，它是在成煤過程中形成并大量貯存于煤層之中的氣體，無色、無味，有易燃、易爆等特點(diǎn)。第三、大量的瓦斯排入大氣，污染大氣環(huán)境。為了解決這些問題，本課題在分析模擬式瓦斯報(bào)警器特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，充分利用51單片機(jī)的強(qiáng)大功能，對(duì)瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行實(shí)時(shí)采集、數(shù)據(jù)處理，對(duì)瓦斯傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)自校零、非線性補(bǔ)償，對(duì)提高瓦斯檢測(cè)的可靠性和系統(tǒng)的性價(jià)比具有十分重要的意義。其類型根據(jù)監(jiān)測(cè)對(duì)象可分為可燃性氣體監(jiān)測(cè)儀，毒性氣體監(jiān)測(cè)儀和氧氣監(jiān)測(cè)儀等；從儀器結(jié)構(gòu)和方法上分為袖珍式，便攜式和固定式。各國均有煤礦瓦斯氣體監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，如波蘭的DAN6400、法國的TF200、德國的MINOS和英國的Senturion200等，其中全礦井綜合監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)有代表性的產(chǎn)品有美國公司生產(chǎn)的MSN系統(tǒng)，德國BEBRO公司的PROMOS系統(tǒng)。雖然國外的監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)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(jià)格過高等。我國監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用較晚，8年代初，從波蘭、法國、德國、英國和美國等引進(jìn)了一批安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，裝備了部分煤礦在引進(jìn)的同時(shí)，通過消化、吸收并結(jié)合我國煤礦的實(shí)際情況，先后由重慶煤科院、遼寧撫順煤科院等國內(nèi)知名煤礦科學(xué)研究所研制出KJKJKJKJKJ1KJ1KJ3KJ6KJ7KJ80、KJ9KJ9KJ101等煤礦有害氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在我國煤礦己有大量使用，但其中很大一部分儀表的傳輸數(shù)據(jù)是模擬方式，將氣體濃度轉(zhuǎn)化為脈沖量，易受礦井下強(qiáng)電磁設(shè)備干擾，造成監(jiān)測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確，易出現(xiàn)誤報(bào)警等現(xiàn)象。它具有體積小、操作簡(jiǎn)單、攜帶方便、功能較齊全等優(yōu)點(diǎn)，而且性能價(jià)格比也很高，應(yīng)用前景非常廣泛。在這里我們運(yùn)用到的氣敏傳感器是MQ4，它是用來檢測(cè)外部瓦斯的濃度（其檢測(cè)到的濃度值為模擬量），并將檢測(cè)到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)輸出出來。在單片機(jī)進(jìn)行完數(shù)據(jù)處理后就將其結(jié)果輸出顯示，從而顯示出瓦斯氣體的濃度，其中顯示部分我們采用四位的LED數(shù)碼管，用于顯示瓦斯?jié)舛戎?。提醒生產(chǎn)人員離開，避免生產(chǎn)事故。CPU顯示電路報(bào)警電路敏感元件A/D轉(zhuǎn)換圖21 系統(tǒng)框圖 工作原理在催化元件電源端加上一正電壓，使催化元件開始工作，輸出與瓦斯?jié)舛认鄬?duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，送到A/D轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入CPU, CPU對(duì)采樣值進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，處理后，驅(qū)動(dòng)顯示器顯示出被測(cè)氣體中的瓦斯?jié)舛戎?，若被測(cè)氣體中瓦斯?jié)舛瘸^報(bào)警電路預(yù)定的數(shù)值時(shí)，報(bào)警電路即發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)。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