【正文】 .......................................................................... 29 Main program design chart ................................................................................ 29 subprogram chart ................................................................................. 30 handing ..................................................................................................... 31 subroutine design flow chart .................................................................. 32 Conclusion ................................................................................................................ 34 Apreciate ................................................................................................................... 35 Refrence Documentation ........................................................................................ 36 Addenda1 The whole system hardware circuit diagram ................................... 38 Addenda2 The various parts of the power circuit diagram .............................. 39 Addenda3 Current and Voltage detection circuir diagram .............................. 40 Addenda4 Frequency hardware control diagram .............................................. 41 Addenda5 Parts of program of the single chip ................................................... 42 1 第 1 章 緒 論 近年人們對環(huán)境質(zhì)量要求逐漸提高和對自身健康的關(guān)注，如何改善煤礦井下大量使用無軌防爆柴油機車的現(xiàn)代化大型、高產(chǎn)、高效礦井的工作環(huán)境，逐漸成為研究重點。 選題背景及意義 隨著煤礦機械化程度的提高，以柴油機作動力的輔助運輸車輛在煤礦中的使用越來越廣泛。但是其所排 放的尾氣中有害成分較多，主要有碳氫化合物、一氧化碳、二氧化硫、氮氧化合物（ NOx)和微粒（ PT）。因此如何改善煤礦井下大量使用無軌防爆柴油機車的現(xiàn)代化大型、高產(chǎn)、高效礦井的工作環(huán)境，逐漸成為研究的重點。除了控制防爆柴油機尾氣排放外，合理的通風量也是改善井下條件的重要之一。世 界衛(wèi)生組織專家認定柴油發(fā)電機尾氣與石棉、砒霜等物質(zhì)一樣，具有高速致癌性。提高井下空氣質(zhì)量的監(jiān)測能力適當增加巷道通風量和合理的布置通風系統(tǒng)，其目的就是為了保護井下小環(huán)境，保證工人身心健康。 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 2 為改善大氣環(huán)境，保障人類的健康，世界各國對柴油機的尾氣排放作出了嚴格的規(guī)定。為了滿足如此嚴厲的排放法規(guī)，柴油機采取了一系列措施。當前降低 CO 和 NOx 排放的技術(shù)主要集中在 SCR，LNT,LNC 三方面。目前該技術(shù)在汽車上的使用已經(jīng)很成熟，研究該系統(tǒng)的焦點集中在如何降低尾氣管里催化還原所需的溫度和如何提高轉(zhuǎn)化率。 LNT 系統(tǒng)很早就在燃燒的柴油發(fā)動機上應用，該系統(tǒng)中采用堿土金屬或堿金屬作為吸附劑來提高儲 NOx 的能力。該系統(tǒng)大概是在 20xx 年應用在柴油發(fā)動機上。但其在額外增加油耗的基礎(chǔ)上（約6%），才獲得相當于 LNT 的 10%30%的轉(zhuǎn)化率。 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方法和物理方法，化學方法主要是催化、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。柴油機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。 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，在前幾年達標過程中，大部分都安裝了一套安全生產(chǎn)調(diào)度監(jiān)測系統(tǒng)或通風安全監(jiān)測調(diào)度系統(tǒng)。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 平臺或單機運行于 Windows 平臺。為了改變煤礦 現(xiàn)有的指揮管理落后面貌，在煤礦系統(tǒng)中應用最新計算機軟件及網(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，功能完善的現(xiàn)代化礦井計算機網(wǎng)絡(luò)管理指揮生產(chǎn)安全監(jiān)測系統(tǒng)是非常必要的。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。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、無線化并能夠準確的測量出井下 的環(huán)境因素 [3]。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，柴油機尾氣排放的污染物已經(jīng)引起了嚴重的礦井環(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尾氣污染治理必不可少和最有效的技術(shù)之一。這些裝備和系統(tǒng)的推廣與應用，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技術(shù)水平的差距 [4]。這個單片機氣體安全監(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 后自動加強通風裝置。 6 第 2 章系統(tǒng)功能介紹及方案設(shè)計 主要對防爆柴油機的尾氣的濃度和風量的控制進行分析，對整體系統(tǒng)方案進行設(shè)計。基于這個思路，設(shè)計了 CO 與氮氧化合物監(jiān)測自動通風報警系統(tǒng)。 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 作為單片機進行控制，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。此傳感器溫度是隨著可燃氣體濃度的升高而線 性升高的。氣體檢測電路的主要功能是監(jiān)測氣體濃度值。這種系統(tǒng)的可靠性強且容易實現(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]。 按照 MT99020xx《礦用防爆柴油機通用技術(shù)條件》的要求，礦用井下防爆柴油機在 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 %。如式（ 221）所示。min) （ 221） 在 20℃時， 1標準大氣壓下空氣的密度為 179。/(kW由以上計算可知，對于一臺 100KW的發(fā)動機，需要的空氣量 m。 m=100 m1=（ 222） 其中 a 為過量空氣系數(shù)。 8 a=L/L0= m1/(gbL0) （ 223） m1 為每循環(huán)進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=。 關(guān)于煤礦井下使用柴油機設(shè)備的通風要求，按煤礦工程設(shè)計手冊的要求，每千瓦需配風 ～ 4m179。由式（ 222)計算可知，稀釋柴油 機廢氣需要的空氣量遠大于柴油機本身工作需要的空氣量。 第 3 章各部分的電路選擇與設(shè)計 9 單片機的選擇 目前，在各種單片機設(shè)計中所使用的通用單片機芯片以 INTEL 的 51系列和 MICROCHIP 的 PIC 系列為主，而由于 51 系列單片機指令系統(tǒng)復雜，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。 圖 31 PIC16F877 引腳圖 PIC16F877 屬于閃控式 (Flash)單片機，可以重復燒錄，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。 CCP： Capture、 Compare、 PWM，用于控制直流馬達。 USART（ Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter） ，同步 /異步串行傳輸，如 RS23 RS485 等。 PIC 單片機之所以能夠獲得廣泛應用，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。 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。它有一系列的電壓輸出，應用非常的廣泛這中類型由于內(nèi)部電流的限制，以及過熱保護和安全工作 區(qū)的保護，使它基本不會受到損壞。 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)整管的保護電路，使用起來可靠方便而且價格便宜。 電流互感器的作用就是用于測量比較大的電流。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、標準化，提高了經(jīng)濟效益。） 輸入電流時次級會產(chǎn)生一個與變比相應的輸出電流。電容及可調(diào)電阻用來補償相移。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。 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或更低等級的標準二次電壓，供保護、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。電壓互感器二次回路是高阻抗回路，二次電流的大小由回路阻抗決定?？梢哉f，電壓互感器是一個被限定結(jié)構(gòu)和使用形式的特殊變壓器。主要用于測量直流、及其它任意波形電壓，它精度高、線性好、反應快、低溫漂、頻帶寬、抗干擾能力強。 圖 3312電壓互感器 信號調(diào)理電路的設(shè)計 濾波電路的設(shè)計 在一個實際的電子系統(tǒng)中，它的輸入信號往往因受干擾等原因而含有一些不必要的成分，應當設(shè)法將它衰減到足夠小的程度。為此我們必須采用濾波電路，這是抗干擾所必不可少的措施。前者又分為 LC 濾波電路和 RC 濾波電路。 RC 濾波電路雖然沒有 LC 濾波電路那些缺點，但是 RC濾波電路中的電阻不僅消耗我們希望抑制的那些信號的能量，而且消耗我們希望順利通過的信號的能量。而由 RC 網(wǎng)絡(luò)和集成運算放大器組成的有源濾波電路卻克服了無源濾波電路的缺點，它具有以下的優(yōu)點： ，因此體積小，重量輕，不需要加磁屏蔽。輸入與輸出之間具有良好的隔離，因此只要將幾個低階濾波串聯(lián)起來，就可以得到高階濾波電路 ，一般不需要象 LC 濾波電路那樣考慮級間相互影響。 本設(shè)計采用了一階低通 RC 有源濾波電路來對輸入信號進行濾波，電路如圖 3341 所示： 圖 3341 一階低通濾波電路 低通濾波器主要用在信號處于低頻，并且需要消弱高次諧濾或較高的干擾和噪聲等場合。本系統(tǒng)的截止頻率為 1/(2π3001000121012)=530Hz。為簡化電路的硬件結(jié)構(gòu)，本設(shè)計