【正文】 展，對煤炭需求量也越來越大，這就使得煤礦的安全生產(chǎn)面臨著一個十分嚴(yán)峻的問題。 為了防止瓦斯爆炸事故的發(fā)生，除了加強(qiáng)井下作業(yè)人員的管理，改善井下的作業(yè)環(huán)境外，還必須建立一個性能可靠的瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)。有時也單獨(dú)指甲烷。 礦井瓦斯監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)是伴隨著煤炭工業(yè)發(fā)展而逐步發(fā)展起來的。利用火焰的高度來檢測瓦斯?jié)?度；20 世紀(jì) 30 年代，日本發(fā)明了光干涉瓦斯 檢定器，一直沿用至今； 20 世紀(jì) 40 年代，美國研制了檢測瓦斯?jié)舛鹊拿舾性?— 鉑絲催化元件； 1954 年，英國采礦安全所研制了最早的載體催化元件。 我國礦井瓦斯監(jiān)控技術(shù)經(jīng)歷了從簡單到復(fù)雜、從低水平到高水平的發(fā)展過程。 20 世紀(jì) 60 年代初期，我國開始研制載體催化元件，隨著敏感元件制造水平的提高和電子技術(shù)的發(fā)展，特別是大規(guī)模集成電路、微型計算機(jī)的廣泛應(yīng)用，使監(jiān)控技術(shù)進(jìn)入了新的發(fā)展時期。隨后 ，陸續(xù)研制了便攜式瓦斯監(jiān)控檢測報警儀、 瓦斯報警礦燈。 1983 年以后，國內(nèi)有多種型號礦井監(jiān)控系統(tǒng)通過了技術(shù)鑒定，逐步實(shí)現(xiàn)了對煤礦礦井安全、生產(chǎn) 多種參數(shù)的連續(xù)監(jiān)測 、 監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理。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。井下部分畢業(yè)設(shè)計 2 主要通過各種檢測設(shè)備（各種傳感器，如風(fēng)量傳感器、 負(fù)壓（壓力）傳感器 、 一氧化碳傳感器和礦用設(shè)備開停傳感器等 ） 來采集井下各種氣體的濃度與含量、井下空氣狀況、設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況等數(shù)據(jù)，然后通過現(xiàn)場總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄稀?服務(wù)器上面運(yùn)行的是監(jiān)控軟件。同時，監(jiān)控軟件還可以對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、 處理 、 分析和存檔，可以作為相關(guān)負(fù)責(zé)人員決策的重要依據(jù)。 煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)的意義不言而喻。特別是由瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)所形成的全省煤礦四級信息網(wǎng)絡(luò)平臺，是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及信息技術(shù)用于瓦斯安全治理的一項創(chuàng)舉，極大的促進(jìn)了山西煤炭信息化工作 。目前，該省國有重點(diǎn)煤礦 121 座礦 井全部安裝了瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，并全部聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，在線 運(yùn)行率達(dá) 100%。這些系統(tǒng) 的運(yùn)用，極大 的降低了煤礦瓦斯事故。 系統(tǒng) 簡介 我設(shè)計的是基于單片機(jī)的井下瓦斯?jié)舛戎悄?傳感器 ，該系統(tǒng)以單片機(jī) AT87C552 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) 、存儲器的擴(kuò)展 、 LCD 顯示器和報警裝置等組成。監(jiān)測到的信息傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，經(jīng)單片機(jī)處理后發(fā)出指令，如果瓦斯超過規(guī)定值，該系統(tǒng)可以立即發(fā)出聲光報警并自動 發(fā)出執(zhí)行指令以降低瓦斯?jié)舛取? 畢業(yè)設(shè)計 3 2 系統(tǒng) 原理 介紹 單 片 機(jī)存 儲 器數(shù) 據(jù) 顯 示紅 外 遙 控信 號 輸 出電 壓 比 較 器瓦 斯 檢 測 電 路脈 寬 控 制 電 路鋸 齒 波 發(fā) 生 器信 號 適 配 通 道穩(wěn) 幅 電 路聲 光 報 警 圖 原理框圖 電路簡介 根據(jù)上節(jié)所述的變流瓦斯檢測原理，設(shè)計了如圖 7 所示的變流瓦斯檢測電路，該電路主要由電橋不平衡信號取樣電路、鋸齒波發(fā)生電路、電壓比較器和脈沖穩(wěn)幅電路四個部分組成。在一系列鋸齒波作用下，比較器就輸出一矩形脈沖電壓系列； D 部分由高準(zhǔn)確度可控穩(wěn)壓管 TL431 構(gòu)成的脈沖穩(wěn)幅電路，當(dāng)通過 TL431 的電流在 (1～ 100)mA 范圍內(nèi)時，只要分壓電阻的溫度系數(shù)相同，則輸出電壓有很高的穩(wěn)定性，從而 保證了在輸入脈沖幅值變化時，輸出脈沖的幅值恒定。下面將詳細(xì)討論這四部分電路。當(dāng)有瓦斯氣體時，在黑元件上發(fā)生催化燃燒，黑元件溫度上升，其阻值也隨之上升，它上面的電壓升高，不難推出： )()(2)(2)()0()()()0(214 iCHiRRRRRiRRiiRRRiUUU白白黑黑黑白黑白白黑????????????? 式中 )0(黑R 、 )0(白R 為無瓦斯時的阻值， )(iR黑 、 )(iR白 為電流流經(jīng)元件時溫度上升產(chǎn)生的阻值， )(4CHR黑為瓦斯氣體在元件上燃燒時溫度上升產(chǎn)生的阻值，前面已經(jīng)提及，所謂畢業(yè)設(shè)計 5 的恒溫是指溫度在一個很小的范圍內(nèi)波動近似看成的，因此 )(iR黑 、 )(iR白 、 )(4CHR黑的值都是非常小的，故Δ U 也很小，需要經(jīng)過放大才能與鋸齒波進(jìn)行比較。 這里在實(shí)驗(yàn)室用 QJ23 單臂直流電橋?qū)︺K絲繞制的黑白元件的阻值進(jìn)行了測定，當(dāng)環(huán)境溫度為 16℃～ 19℃時，測得的黑白元件的阻值分別為 （實(shí) 際上這時黑白元件的溫度已經(jīng)大于 400℃，達(dá)到了工作狀態(tài)）。在圖 8中有： 12042 )1( ofo URRU ?? 取204RRf 為 14 左右，則可將瓦斯催化燃燒產(chǎn)生的電壓放大到合適的幅值與鋸齒波電壓進(jìn)行比較。該芯片使用靈活方便，只需外接少量的阻容元件就可以構(gòu)成單穩(wěn)、多諧和施密特觸發(fā)器，因而廣泛用于信號的產(chǎn)生、變換、控制與檢測。其非線性可控制在 1%以下，且溫度穩(wěn)定性好。 電壓比較電路 電壓比較器可將模擬信號轉(zhuǎn)換成二值信號，即只有高電平和低電平兩種狀態(tài)的離散信號。電路如圖 10所示： 圖 10 電壓比較器電 路 畢業(yè)設(shè)計 7 Fig10 voltage paring circuit 這里選用的電壓比較器的型號為 AD790，它有同相和反相兩個輸入端，同相端接鋸齒波電壓信號，反相端接瓦斯檢測電路的輸出電壓，也就是脈沖電壓寬度的控制信號。引腳 5為鎖存控制端，當(dāng)它為低電平時，鎖存輸出信號。 脈沖電壓 穩(wěn)幅電路 電路中選用 TL431 芯片對比較器輸出的脈沖電壓進(jìn)行穩(wěn)幅。 畢業(yè)設(shè)計 8 聲光報警電路 R 3220 KR 3318 0KR 3420 KR 3515 KR 36B G 13D G 6C 14C 15D12C P I 6R 1022 0R4Q3D I S7THR6c v ol t5T R I G2VCC8gnd1R 3710 kC 16C 17B G 23D G 6B G 33A X 81R 3882 0HIC 18R 39S C RDWR 40C 19D2D3C 20CZCT 上述是本設(shè)計瓦斯傳感器的聲光報警電路，有圖可以看出 是以 555 為核心的電路 由 555 電路組成一單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，上電打開開關(guān) S1后，C1兩端電壓為 0， 555 電路的輸出腳輸出高電平，報警器電路工作，進(jìn)入報警狀態(tài)。此時報警器便進(jìn)入報警守候狀態(tài)。該報警器由直流穩(wěn)壓電源、定時開關(guān)電路和聲控脈沖產(chǎn)生器三 部分組成。 555 與 R C2 組成一個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，調(diào)節(jié)電阻 R6使 ② 腳的電壓略高于 l/3VDD。當(dāng)有情況發(fā)生時， BG2 輸出一定幅值的負(fù)脈沖，使 555 翻轉(zhuǎn)，相應(yīng) ③ 腳輸出高電平，信號經(jīng) BG2 緩沖放大后使可控硅 SCR觸發(fā)導(dǎo)通，將報警器的電源電路接通，發(fā)出報警信號。當(dāng) C2上的充電電壓超過 2/3VDD 時， 555 復(fù)位， 3腳輸出低電平， BG2 相 應(yīng)截止，可控硅 SCR 斷開。定時的長短可通過改變時間常數(shù) R6C2 的大小來調(diào)節(jié)。 2)發(fā)光二極管亮但不閃爍： ① ．測三極管 VT2，若 VT2擊穿，更換 VT2 故障即可排除； ② ．測 ICl⑥ 、 ⑦ 腳的電平，若為低電平，查 RP1及連線是否有斷線或虛焊，查 C1 是否擊穿及 ICl② 腳是否懸空。 3)發(fā)光二極管閃爍頻率不正常：主要查單穩(wěn)態(tài)電路 ICl，當(dāng)單穩(wěn)態(tài)電路工作不正常時會造成發(fā)光二極管閃爍頻率不正常，其主要原因是由于電容 C2 造成的，可調(diào)當(dāng)調(diào)整 C2 的大小。 變流瓦斯檢測方法的原理 變流瓦斯檢測方法的基本思想 為了解決上節(jié)所提到催化傳感器存在的問題，就必須拋開連續(xù)電流供電的傳統(tǒng)方法，以保證測量元件與參比元件溫度永遠(yuǎn)相等，設(shè)計出真正的恒溫檢測橋路。該檢測環(huán)路使測量 元件的溫度與參比元件的溫度進(jìn)行比較，當(dāng)環(huán)境中的 CH4 氣體在測量元件表面燃燒時，測量元件的溫度將很快上升使電橋失去平衡，硬件電路構(gòu)成的閉環(huán)反饋系統(tǒng)監(jiān)測到偏移信號后，輸出控制脈沖信號，將已經(jīng)偏移的橋路“矯正”回來，使回路周而復(fù)始地工作在偏移 /校正的振蕩之中。這種方法保證了在任何 CH4 濃度下，測量元件的溫度不變，徹底有效地杜絕了高濃 CH4 的燃燒，大大延長了催化元件的使用壽命，也使儀器的零點(diǎn)穩(wěn)定性、精度穩(wěn)定性得到了的提高。從微觀的角度上看，單片機(jī)檢測的是測量元件上溫度的上升速率，而傳統(tǒng)方法則是檢測元件上的絕對溫度。 變流瓦斯檢測方法的原理 變流檢測方法是一種使載體催化傳感元件在檢測瓦斯氣體時保持恒溫狀態(tài)的新型檢測方法。 載體催化元件的靜態(tài)熱平衡方程是 [47]： )()( 40410142 ttBAttBCHrI ????? ???? 式中 I— 載體催化元件的工作電流； r— 載體催化元件的電阻； ? — 瓦斯氧化反應(yīng)燃燒熱系數(shù)； 4CH? — 空氣中瓦斯體積分?jǐn)?shù)； 1t — 載體催化元件溫度； 0t — 環(huán)境溫度； ? — 熱傳導(dǎo)系數(shù)； B— 元件面積； A— 輻射系數(shù)； ? — 角系數(shù)。方程兩邊在催化傳感元件達(dá)到熱平衡時是相等的。故在環(huán)境溫度一定的情況下，方程式右邊為一常數(shù)，設(shè) )()( 4041010 ttBAttBK ???? ?? 畢業(yè)設(shè)計 11 對于該種檢測方法，因保持 1t 不變，即當(dāng)無瓦斯 ( 04 ?CH? )時， 020r KI ? ；當(dāng)有瓦斯時 rIKCHrI 20202 ??? ?? 式中 I、 0I 分別為有瓦斯、無瓦斯的工作電流，即 420 CHrII ???? 此式表明電流變化與瓦斯體積分?jǐn)?shù)不是線性關(guān)系。當(dāng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)增加時，減少脈沖的寬度 T 以減少通過元件的平均電流。在 mI 一定的條件下與占空比的平方根 TT/1 成線性關(guān)系，即其平方與占空比成線性關(guān)系。 智能瓦斯監(jiān)測儀原理框圖 畢業(yè)設(shè)計 12 3 硬件電路介紹 甲烷傳感器 KG9701 型智能低濃度沼氣傳感器 KG9710 型智能低濃度沼氣傳感器 主要用于監(jiān)測煤礦井下環(huán)境氣體中的瓦斯?jié)舛龋敲旱V預(yù)防瓦斯突出和瓦斯爆炸必不可少的測量儀表。采用國家科技 “ 九五 ” 攻關(guān)項目成果：高穩(wěn)定性、長壽命熱催化元件，通過改變制作工藝及催化劑配方 (自制 )等，大大提高了催化元件的性能指 標(biāo)，利用人工智能技術(shù)對信息進(jìn)行處理分析，增強(qiáng)了儀器抗高瓦斯沖擊的能力，將穩(wěn)定性能指標(biāo)由一周提高至一月，使用壽命由一年延長至一年半。 目前 該傳感器 已廣泛應(yīng)用于全國大、中、小型煤礦，在國內(nèi)市場占有率超過 60％，在煤礦預(yù)防瓦斯災(zāi)害方面經(jīng)常發(fā)揮重要作用，產(chǎn)生了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會效益 。%CH4 ～ %CH4 ≤177。%CH4 ～ %CH4 ≤177。1 .0 測量上限的 177。2℃ 分辨率 : 高濃 0. 1%CH4， 溫度 ℃ 顯示方式 : 六位 LED，其右三位顯示甲烷，左三位顯示溫度 響應(yīng)時間 : ≤20s 報警點(diǎn) : 可調(diào) ,儀器出廠時設(shè)定在 %CH4； 在 %%CH4 內(nèi)可調(diào) 斷電點(diǎn) : 可調(diào) ,儀器出廠時設(shè)定在 %CH4 復(fù)電點(diǎn) : 可調(diào) , 儀器出廠時設(shè)定在 %CH4 高低濃度轉(zhuǎn)換點(diǎn)： 1）從低到高： % CH4 2）從高到低： % CH4 調(diào)節(jié)方式：使用本公司生產(chǎn)的 FYF 型遙控器 防爆標(biāo)志： ExibI 畢業(yè)設(shè)計 14 防爆合格證號： 1044440 安全標(biāo)志證號： 20202726 報警方式 :聲光，其中 : 音量 : ≥85dB 光可見度 : ≥20m 工作方式 :擴(kuò)散式 防爆型式 :礦用本安兼隔爆型； 防爆標(biāo)志： ExibdI。 甲烷： 200～ 600Hz 對應(yīng)甲烷濃度為 0～ 4% 600～ 1000Hz 對應(yīng)甲烷濃度為 4～ 100%。 Ui： ≤DC 20V ； Ii： ≤90mA 。 防爆合格證號： 1042460 安全標(biāo)志證號： 20202728。 傳輸電纜 : 電纜最大長度： 2020m 分布電容 ≤ ／ km 分布電感 ≤1mH ／ km 外形尺寸： 200 mm110 mm 35mm 質(zhì)量： ADC0809 引腳圖與接口電路 A/D轉(zhuǎn)換器芯片 ADC0809 簡介 8路模擬信號的分時采集，片內(nèi)有 8 路模擬選通開關(guān)，以及相應(yīng)的通道抵制鎖存用譯碼電路，其轉(zhuǎn)換時間為 100μs 左右。地址鎖存與譯碼電路完成對 A、 B、 C 3個地址位進(jìn)行鎖存和譯碼，其譯碼輸出用于通道選擇，其轉(zhuǎn)換結(jié) 果通過三態(tài)輸出鎖存器存放、輸出，因此可以直接與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連 。 畢業(yè)設(shè)計