基于单片机的瓦斯报警器的设计

i目录前言.......................................................11绪论.......................................................21.1本课题的研究背景及意义...............................21.2国内外发展概况及研究方向.............................32系统概述...................................................42.1系统框图.............................................42.2工作原理.............................................53报警器设计.................................................63.1瓦斯检测设备..........................................63.1.1瓦斯浓度检测仪的分类............................63.1.2热催化元件的结构及工作原理......................73.2A/D转换电路.........................................143.2.1ADC0809的介绍.................................143.2.2引脚功能.......................................143.2.3主要特性.......................................163.3单片机的概述........................................163.3.1单片机中断系统.................................163.3.2单片机复位电路.................................193.3.3AT89C51简介...................................193.3.4主要性能参数...................................203.3.5管脚说明.......................................213.3.6AT89C51单片机对ADC0809的接口.................243.4声光报警与LED显示..................................253.4.1声光报警单元...................................253.4.2LED显示.......................................264系统仿真及部分程序........................................294.1系统仿真.............................................294.2部分程序.............................................30参考文献....................................................36附录：......................................................38外文资料与中文翻译......................................38I摘要本课题设计的是用单片机控制的瓦斯浓度报警监控仪，是采用热催化原理探头制成的瓦斯浓度测量仪，适用于中小型煤矿井下各作业场所中测量空气中的瓦斯浓度。仪器能够根据瓦斯浓度报警限(1.00%)进行声、光报警。仪器由CPU、敏感元件、A/D转换电路、显示电路、报警电路等组成。其中CPU是监控仪的核心，完成数据采集、处理、输出、显示等功能；敏感元件是准确检测瓦斯气体含量的主要元件之一，其输出是与瓦斯浓度相对应的电压信号；A/D转换电路把放大了的电压信号由模拟信号变为数字信号送入CPU；显示电路则显示实时瓦斯浓度；报警电路对超限瓦斯浓度进行报警。该仪器的特点是测量范围宽，精度高；结构简单，成本低；可靠性和稳定性好，是一种电路设计新颖、参数测量准确、操作方便的矿用瓦斯浓度监控仪。关键词：CPU；A/D转换电路；敏感元件；报警IIAbstractThispaperdesignsgasalarmmonitor,whichisaccordingtocatalyticprinciple.Itisapplicabletosmallandmedium-sizedcoalmineinthemeasurementofworkplaceairconcentrationofgas.Apparatus,whichisaccordingtogasconcentrationalarmlimit(1%),carryoutsoundandlightalarm.ApparatusconsistsofCPU,sensitiveelement,A/Dconversioncircuit,displaycircuitandalarmcircuit.CPU,whichisthecoreofthemonitor,finishesdata’sacquisition,processing,output,displayandotherfunctions;sensitiveelementthatisusedoftheaccuratedetectionofgascontentisoneofthemaincomponents,anditsoutputisthevoltagesignalwhichiscorrespondingtothegas-concentration;A/DconversioncircuitexportstheamplifiedvoltagesignalfromtheanalogsignalintodigitalsignaltotheCPU;displaycircuitdisplaysthereal-timegas-concentration;thealarmcircuitalarmstothelimitedgas-concentration.Theapparatusischaracterizedbyawidemeasurementrange,highprecision,reliabilityandgoodstability.Itisthatparametermeasurementisaccurate,theminegas-concentrationmonitor.Keywords:CPU;A/Dconvertercircuit;Sensitivecomponents;Alarm1前言我国是煤炭生产大国，随着煤矿机械化程度的提高，矿井生产能力和生产效率普遍加大，煤炭年产量居世界首位，产煤量占世界总产煤量的20%。但同时我国也是煤矿安全形势最为严峻的国家之一。近年来，瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出等灾害，严重威胁着煤矿的安全生产和数百万名煤矿工的生命安全，瓦斯灾害已成为制约我国煤矿安全生产和煤炭工业发展的重要因素，可以说瓦斯爆炸已经成为矿难的第一大祸首。国有地方和乡镇煤矿中，高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出矿井占15%左右。在许多发达国家中为了减少事故的发生，一般不会开采高瓦斯灾害隐患严重的矿井。但中国是一个能源饥渴大国，煤炭是我国的主要能源，占一次性能源构成的75%,所以不论是低瓦斯还是高瓦斯，都在积极创造条件，照采不误。多年来的实践证明，瓦斯浓度的监测监控器在监测煤矿井下安全状况，防范安全隐患方面起着重要作用，充分发挥其作用，是我国煤矿安全形势实现好转的关键。近年来，国有重点煤矿瓦斯爆炸事故较少的原因之一，就是绝大多数煤矿的高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井安装了瓦斯报警器。综上所述，瓦斯浓度监测监控器所要实现的功能包括根据所选的瓦斯传感器来设定瓦斯浓度预警值，采集瓦斯浓度并进行浓度显示及处理，当实际浓度超限时进行声光报警。所以开发设计出一种操作简单的瓦斯报警器，对有效的预防和减少瓦斯爆炸具有非常现实的意义。21绪论1.1本课题的研究背景及意义从我国煤炭生产的现状及我国能源结构战略规划均可看出，在本世纪中叶以前，煤炭仍将是支持我国国民经济发展的主要能源。煤炭生产作为我国能源工业的支柱，其地位将是长期的，稳定的。但是，目前煤炭工业的安全生产状况却很差，其中之一便是有害气体的危害性，包括CH4，瓦斯，SO2等。瓦斯(CH4)是煤矿井下危害最大的气体，它是在成煤过程中形成并大量贮存于煤层之中的气体，无色、无味，有易燃、易爆等特点。瓦斯的危害主要表现为三个方面：第一、瓦斯浓度过高，对工人身体健康造成伤害，表现为缺氧，呼吸困难，窒息等；第二、瓦斯煤尘爆炸，瓦斯爆炸所产生的巨大冲击波和高温火焰，往往导致群死群伤，而且扬起的煤尘又会参与爆炸，摧毁巷道，毁坏设备，甚至毁灭整个矿井，给国家和人民生命财产造成巨大损失。第三、大量的瓦斯排入大气，污染大气环境。目前我国已经使用的瓦斯报警矿灯具有体积小、结构简单、安装方便等优点，但存在的问题是传感器漂移大，要定期维护，并且需要维护的周期很短；维护方法复杂，成本较高，抗机械干扰能力较差。为了解决这些问题，本课题在分析模拟式瓦斯报警器特点的基础上，充分利用51单片机的强大功能，对瓦斯浓度进行实时采集、数据处理，对瓦斯传感器进行实时自校零、非线性补偿，对提高瓦斯检测的可靠性和系统的性价比具有十分重要的意义。31.2国内外发展概况及研究方向仪器不断更新。其类型根据监测对象可分为可燃性气体监测仪，毒性气体监测仪和氧气监测仪等；从仪器结构和方法上分为袖珍式，便携式和固定式。袖珍式仪器的采样方法为扩散式，用于在危险环境中的工作人员随身携带；便携式仪器采样方法为泵吸式，用于监测人员定期安检；固定式仪器用于煤矿井下固定地点气体监测。世界各国均有煤矿瓦斯气体监测的系统，如波兰的DAN6400、法国的TF200、德国的MINOS和英国的Senturion-200等，其中全矿井综合监测控制系统有代表性的产品有美国公司生产的MSN系统，德国BEBRO公司的PROMOS系统。但是这两种系统只是基于井下监测，并无数据上传，不能实现智能化监控。国外的监控系统技术虽然高于国内发展水平，但应用于国内煤矿尚有一定的局限性，如煤矿管理模式生产方式的不同，价格过高等。因此，除在传感器技术方面可供借鉴外，其它仅具一定的参考价值。我国监测监控技术应用较晚，8年代初，从波兰、法国、德国、英国和美国等引进了一批安全监测系统，装备了部分煤矿在引进的同时，通过消化、吸收并结合我国煤矿的实际情况，先后由重庆煤科院、辽宁抚顺煤科院等国内知名煤矿科学研究所研制出KJ2、KJ4、KJ8、KJ10、KJ13、KJ19、KJ38、KJ66、KJ75、KJ80、KJ92、KJ95、KJ101等煤矿有害气体监测系统，在我国煤矿己有大量使用，但其中很大一部分仪表的传输数据是模拟方式，将气体浓度转化为脉冲量，易受矿井下强电磁设备干扰，造成监测结果不准确，易出现误报警等现象。42系统概述随着超大规模数字集成电路、单片机技术的飞速发展，利用单片机及其它外围芯片实现对瓦斯的监测成为一种可能，并且成为一种发展趋势。它具有体积小、操作简单、携带方便、功能较齐全等优点，而且性能价格比也很高，应用前景非常广泛。因此此次设计整体上是基于AT89S51单片机来实现煤矿瓦斯浓度监测报警。在这里我们运用到的气敏传感器是MQ-4，它是用来检测外部瓦斯的浓度（其检测到的浓度值为模拟量），并将检测到的模拟信号转化为电压信号输出出来。然后再将电压信号输