煤礦瓦斯監測係統設計說明書

畢 業 設 計 [論 文]

題目：煤礦瓦斯監測係統設計

係 別： 電氣與電子工程係

專 業： 電氣工程及其自動化

姓 名： 田曉東

學 號： 121406158

指導教師： 劉曉芳

河南城建學院

2010 年 5月 27日

目 錄

摘 要I

AbstractII

第一章 緒 論1

1.1煤礦氣體監測係統概述1

1.2煤礦氣體監測係統的國內外發展狀況2

1.3本課題的研究意義3

1.4本課題的主要工作內容3

第二章 煤礦氣體監測係統設計的特殊要求及設計原理5

2.1係統設計要求5

2.1.1技術指標要求5

2.1.2隔爆儀表設計要求5

2.1.3係統的功能6

2.2設計原理6

2.2.1氣體傳感器的選擇6

2.2.2單片機型號的選擇10

2.2.3AT89552單片機的特點11

第三章 基於氣敏元件的煤礦瓦斯監測係統設計與試驗12

3.1係統原理框圖12

3.2係統硬件設計12

3.2.1係統電源12

3.2.2氣體傳感器加熱及其信號采樣14

3.2.3傳感器信號監測回路及A/D轉換參考電源16

3.2.4模數轉換芯片AD7810的原理及應用17

3.2.5 MAX7219顯示電路20

3.2.6 I2C總線接口電路24

3.2.7 RS—485串口通訊27

3.2.8看門狗硬件電路31

3.3係統軟件設計32

3.3.1主程序33

3.3.2案件中斷程序35

3.3.3定時器A中斷程序36

3.3.4串行中斷程序37

3.3.5軟件的低功耗設計37

第四章 總結與展望40

4.1研究工作總結40

4.2研究工作展望40

參考文獻42

致謝43

附錄44

摘要

能源工業是國家經濟發展的命脈，近年來，隨著石油資源的緊張、石油價格的騰升，煤炭行業的重要地位和不可替代性也日益顯現。然而，中國煤炭行業的安全生產形勢卻不容樂觀，尤其是重、特大傷亡事故屢見報端。在這些事故中，瓦斯爆炸又占絕大多數。這其中，固然有很多誘發因素，但各煤礦生產企業安全監測設備不完備、管理手段落後是造成事故頻發的重要原因之一。

本課題采用鎮江中煤電子有限公司研發的無火焰燃燒式氣體傳感器，以AT89552單片機作為硬件電路核心，研製煤礦瓦斯(CH4)監測係統，開發出實現對CH4的識別、濃度監測、閥值報警以及實時上傳數據至地麵監控PC，通過串口通訊軟件界麵顯示。論文首先闡述了CH4監測係統的發展及現狀，通過對無火焰燃燒式CH4傳感器的原理分析確立了係統的研發方向;接著介紹了監測係統的設計要求，由於煤礦井下工作環境特殊，空間狹窄，濕度大，有易燃易爆的瓦斯和煤塵，所以，煤礦電氣設備必須符合防爆要求，應有接地、過流、漏電保護裝置。在此基礎上，詳細論述了瓦斯氣體監測係統的硬件電路設計與係統軟件設計及實用分析。本課題采用具有較高性價比的單片機AT89552構成煤礦氣體監測係統的核心部分，根據氣體傳感器測量的信號，實現對CH4的成分識別和濃度測量;使用按鍵麵板輸入外部命令;采用ATMEL公司的 DataFlash存儲器AT24C02存儲設定的參數及大_量的測量數據;采用RS一485協議，實現數據遠傳，由地麵串口通訊軟件接收處理。串口通訊軟件對單片機而言意義重大，不但可以實現將單片機的數據傳輸到電腦端，而且能實現電腦對單片機的控製。

本文設計開發的串口通訊軟件，是煤礦氣體監測係統標定及其與PC機/之間通訊的配套工具。基於串口通訊協議，使用該軟件可以通過PC機實時監控煤礦氣體監測係統的運行狀態，讀取係統存儲器中的數據，並可實時顯示係統監測到的不同環境下的氣體濃度，運用PC強大的數據處理能力分析保存數據，並通過串口通訊軟件將所測量的結果顯示到軟件界麵，便於工作人員更直觀地了解井下的工況，實施相應處理與控製。

關鍵詞:傳感器;煤礦;數據采集;串口通訊

Abstract

Energy industry is the vitals of our country's economy development.In recent years,in company with petroleum resources shortage petroleum prices grow rapidly.The importance and unsubstitutability of coal industry increase everyday.But Chinese coal industry safety in production refuse optimism ,as serious casualty repeatedly appeared in the newspaper.Gas explosion occupy the most part of those accident.It is sure that many factors caused that,but each colliery enterprise's lack of safety monitoring equipment ladder of management lag are the one of substantial reasons.

The dissertation adopt fireless burning gasses sensor that designed by Zhenjiang Zhongmei electronic company,developed a instrument that can detect the CH4 aerometry,as well as whether econsistency reach the alarm threshold,then send the data to the monitoring PC,use the powerful data analysis ability of PC and grey theory to the forecast the CH4 aerometry.First of all,the dissertation expounds the development and actuality of CH4 instrumentation.Then introduce the design requirement of the instrumentation,because colliery's underground working environment's high humidity has flammable and detonable gasses and smut,particularly with other location's working environment,so the electric installation must overflow blast protection requirement and must have grounding overflowing creepage protector.At third chapter,the dissertation elaborated the CH4 detection instrument's hardware and software.The whole detection instrument's hardcore is SCM AT89S52,according to the signal detected by the gas sensor to identify the ingredient of the air and the Use eight LED nixie tube to display the gas consistency of CH4.Use keyboard panel to input the external command;Adopt Data Flash AT24C02 produced by ATMEL to store the parameters and substantive data.Use eight LED nixie tube to display the gas consistency.Under the PC controlled mode,adopt RS-485 protocol to realize the data being sent to the serial port communication soft ware.The serial port communication software means lot to the SCM,not only realize data transfer,but also realize the SCM be controlled by PC.The serial port communication software is the useful tool for the instrument calibration and communication software is the useful tool for the instrument calibration andcommunication between SCM and PC. Base on the serial portcommunication protocol，the using of software could monitoring thestatus of the gas detection instrument all the time, fetch stored data in theflash, and can show the real-time CH4 value, so the worker can know the environment's status all the time.

Key words: sensor; coal mine; data collection; serial communication

第一章 緒 論

煤礦中含有大量的甲烷(CH4)等易燃易爆氣體，發生事故後會造成巨大的經濟損失，危及礦工的生命。隨著煤礦開采技術手段的不斷改進和開采規模的擴大及開采深度的不斷延伸，安全隱患越來越多。瓦斯事故特別是重、特大瓦斯事故在煤礦事故中所占的比例也越來越高。如果不把瓦斯事故控製住，就不能實現煤礦安全生產狀況的穩定，也就無法保障煤炭工業的持續健康發展。所以，對煤礦井下瓦斯氣體進行快速準確的監測顯得尤其重要，對易燃易爆混合氣體監測係統的研究和開發也成為人們一直關注的問題。

1.1煤礦氣體監測係統概述

煤礦氣體監測係統是能夠監測礦井環境中瓦斯氣體的濃度，具有報警功能並能實現數據遠傳至地麵監控室PC的係統。本課題中完整的煤礦氣體監測係統山以下五個部分組成：

l)氣體傳感器:能感知環境中甲烷氣體及其濃度的一種敏感元件，它能將與氣體種類和濃度有關的信息轉換成電信號

2)顯示單元:根據測量信號，由單片機將待顯示數據按相應方式進行數據傳輸給顯示處理模塊顯示於儀表

3)聲光報警單元:當監測氣體濃度超出設定報警值時，發出聲光報警;

4)時通訊單元:將采集數據通過RS-485通訊方式進行數據通信

5)數據采集分析軟件:運用VC++編寫串口通訊軟件，實現氣體數據的采集、分析及保存

煤礦氣體監測係統其他的技術參數還有存儲數據性能、傳輸數據性能、使用壽命與可靠性等。

氣體傳感器是煤礦氣體監測係統的重要組成部分，就其原理可以分為四大類:光學類氣體傳感器、電化學類氣體傳感器、高分子材料類氣體傳感器及電學類氣體傳感器。利用氣體的光學特性來監測氣體成分和濃度的傳感器為光學類氣體傳感器，根據具體的光學原理可分為紅外吸收式、可見光吸收光度式、光幹涉式、化學發光式和試紙光電光度式、光離子化式等氣體傳感器。電化學類氣體傳感器是利用電化學性質的氣體傳感器，該類氣體傳感器包括:定電位電解式、伽伐尼電池式、固體電解質等種類的氣體傳感器。高分子氣敏材料氣體傳感器主要有高分子電阻式、高分子電介質式、濃差電池式、聲表麵波式、石英振子式等。利用材料的電學參量隨氣體濃度的變化而改變的特性製作的氣體傳感器為電學類氣體傳感器。這類氣體傳感器又可分為電阻式和非電阻式兩大類，其中非電阻式氣體傳感器是利用材料的電流或電壓隨氣體含量變化的特點而製成的傳感器，主要包括MOS二極管式、結型二極管式和場效應管式，而電阻式氣體傳感器則通常主要有接觸燃燒式、熱導式、半導體氣體傳感器等等。

世界上發達國家用於煤礦井下易燃易爆氣體監測的方式主要有光幹涉式、載體催化燃燒式兩種。光千涉式氣體監測儀表是利用了光的幹涉原理實現對已知待監測氣體濃度的測量。比較典型的產品有礦用光幹涉型CH4氣體監測儀，它是利用不同種類、不同濃度的氣體對光的折射率不同這一性質，針對CH4氣體設計適當的光路係統，把CH4氣體濃度的變化轉換成光的幹涉條紋的位置變化。具體地說，就是采用一個光源，經過適當的光學設計，使其分解為兩列光波，一路通過標準空氣室，另一路穿過采樣氣室後在某處相遇，此時由於滿足光的相幹條件，從而產生下涉條紋。把兩氣室都充有空氣時的幹涉條紋作為初始位置，當CH4氣體充入采樣室後，由於光程差的結果，幹涉條紋會相對於原位置移動一段距離，並且這個距.離將隨CH4氣體濃度的不同而產生相應的變化。因此隻要測量該位移量，就可以獲得CH4在空氣中的含量。該測量儀測量範圍大，使用壽命長，但儀器設備大，價格高，測量不直觀，而且無法與監控係統連接，因此在煤礦中的使用量逐年減少。在這二種氣體監測儀表中，載體催化燃燒方式監測可燃氣濃度的方法因其線性和穩定性較好，以爆炸下限百分體積濃度為單位的濃度標度方法能統一衡量各種可燃氣濃度所呈現的爆炸危險度，且量程符合工業要求，故被較多的用於爆炸危險場所可燃性氣體的測量。該監測方式使用催化載體型氣體傳感器作濃度的檢知器，該元件由鉑絲上燒結一層陶瓷載體(如A12仇)後再塗覆催化活性物(Rh，Pd等)構成。當Pt絲中通以工作電流使之達到臨界反應溫度(320一350OC)時，可燃氣在元件表麵催化燃燒使Pt絲電阻增加，在完全燃燒且熱輻射可忽略時，電阻增量△凡與可燃氣濃度C成正比，即有

▲R=a*a*c*Q/Cp=ktC，(Kt=a*a*Q/Cp) (l.1)

a，a，Q，q分別為Pt電阻溫度係數、催化劑性能常數、可燃氣燃燒熱、元件熱容，故k是僅與元件及可燃氣種類有關的常數。將△RF轉換成電信號，通過這一阻值變化，轉換為電壓變化，從而通過A/D轉換可得到被測氣體的濃度值。

1.2煤礦氣體監測係統的國內外發展狀況

伴隨氣體傳感器的發展，氣體監測儀器不斷更新。其類型根據監測對象可分為可燃性氣體監測儀、毒性氣體監測儀和氧氣監測儀等;從儀器結構和方法上分為袖珍式、便攜式和固定式。袖珍式儀器的采樣方法為擴散式，用於在危險環境中的工作人員隨身攜帶:便攜式儀器用泵吸式采樣，用於監測人員定期安檢;固定式儀器用於煤礦井下固定地點氣體監測。

世界各國也均有煤礦瓦斯氣體監測的係統，如波蘭的DAN640O、法國的TF200、德國的MINOS和英國的Senturion-200等，其中全礦井綜合監測控製係統有代表性的產品有美國MSA公司生產的係統，德國BEBRO公司的PROMOS係統。但是這兩種係統隻是基於井下監測，並無數據上傳，不能實現智能化監控。

我國監測監控技術應用較晚，80年代初，從波蘭、法國、德國英國和美國等引進了一批安全監測係統，裝備了部分煤礦;在引進的同時，通過消化、吸收並結合我國煤礦的實際情況，先後由重慶煤科院、遼寧撫順煤科院等國內知名煤礦科學研究所研製出KJ2、KJ4、KJS、KJ10、KJ13、KJ19、KJ38、KJ66、KJ75、KJ80、KJ92、KJ95、KJ101等煤礦有害氣體監測係統，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據是模擬方式，將氣體濃度轉化為脈衝量，易受礦井下強電磁設備幹擾，造成監測結果不準確，易出現誤報警等現象。

1.3本課題的研究意義

我國是世界上最大的煤炭生產和消費國，也是世界上少數幾個以煤為主要能源的國家之一。雖然通過煤炭生產、加工和利用等各個環節，提供了相當多的就業機會，但每個環節卻同時帶來了環境汙染、安全等一係列的問題。其中之一便是有害氣體影響，包括CH4，CO，SO2等。後兩種氣體含量少，且SO2易溶於水，經煤礦開采時的噴水處理後變成酸。但是CH4氣體含量多，且幾乎不溶於水，屬於易燃易爆氣體，發生爆炸事極易造成人身傷害。因此，認識並研製監測這種氣體的新型係統，顯得非常重要。

瓦斯(CH4)是在成煤過程中形成並大量貯存於煤層之中的氣體，是煤礦井下危害最大的氣體。瓦斯是一種無色、無味的氣體，密度為0.7167kg/m3，對人體的危害是超限時能引起人窒息死亡。其有易燃、易爆等特點，因此煤礦對瓦斯的治理應非常重視。瓦斯的災害主要表現為四個方麵。第一、瓦斯濃度過高，對工人身體健康的影響表現為缺氧，呼吸困難，窒息等。第二、瓦斯煤塵爆炸，瓦斯爆炸所產生的巨大衝擊波和高溫火焰，往往導致群死群傷，而且揚起的煤塵又會

參與爆炸，摧毀巷道，毀壞設備，甚至毀滅整個礦井，給國家和人民生命財產造成巨大損失。第二、煤中瓦斯突出。突出直接影響著工人的人身安全。第四、大量的瓦斯從通風井排入大氣，汙染大氣環境。

我國煤礦的瓦斯災害是比較嚴重的，瓦斯災害始終是煤礦安全生產的大敵，日前已成為製約煤礦安全生產的主要矛盾。因此，研製先進適用的煤礦氣體監測係統對煤礦工業安全生產，減少事故發生和生命財產損失有重要意義，市場應用前景十分廣闊。

1.4本課題的主要工作內容

日前國內有一些用於煤礦中CH4氣體的監測係統，但是很少有能實現數據上傳，做到實時監測，本文針對煤礦氣體監測係統的現狀及發展趨勢，閱讀了大量文獻及資料，研發了煤礦氣體監測係統，主要工作包括:

l)甲烷氣體傳感器的選用

2)單片機的選用

3)係統硬件電路的設計

4)係統軟件的設計

5)通訊方式及通訊協議設計

第二章 煤礦氣體監測係統設計的特殊要求及設計原理

本課題的研究目標，是設計一種能夠有效監測煤礦瓦斯氣體的監測係統，並可以將實時數據上傳至地麵監控電腦，實施控製。為此，應根據煤礦工作環境及煤礦巷道中氣體監測係統使用的特殊要求進行係統設計。

2.1係統設計要求

2.1.1技術指標要求

本課題對煤礦氣體監測儀表及其所用氣體傳感器在技術指標上的要求如下:

1)應用環境:煤礦氣體監測

2)監測對象:監測甲烷氣體

3)測量範圍:甲烷O-10%

4)靈敏度:0.01%

5)響應時間:30s

6)功耗:100mW

7)環境工作溫度範圍:一20一+70C

8)環境工作濕度範圍:<95%RH

2.1.2隔爆儀表設計要求

煤礦井下工作環境特殊，空間狹窄，濕度大，有易燃易爆的瓦斯和煤塵，所以，煤礦電器同一般電器有較大的區別。這就對煤礦電器有特殊要求，如體積要小，易於搬運，堅固，防潮防水，防爆。屬於煤礦安全標誌管理目錄內的礦用產品應有安全標誌，電氣設備必須符合防爆要求，應有接地、過流、漏電保護裝置。

隔爆型儀表的主要特點是有一個可靠的隔爆外殼，它將把可能產生火花和危險溫度的儀表傳感器、電阻電路及接線端子等，都放在隔爆外殼裏，達到外殼內可能發生的爆炸不影響周圍易燃易爆物質，它的設計方法與隔爆型電器和電機基本相類似。如外殼的各配合麵(隔爆麵)的間隙大小和長度要符合GB3836.2標準規定要求，另一方麵外殼要有一定的機械強度，須達到外殼內部爆炸參考壓力的1.5倍壓力不損壞和變形等。隔爆型儀表設計須注意如下幾個方麵: