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学位论文-—煤矿瓦斯微机监测系统设计终稿.doc
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1、摘要煤矿瓦斯微机监测系统设计专 业: 学 号: 学生姓名: 指导老师:摘要瓦斯是煤矿生产中的有害气体,它严重威胁着矿工的生命和国家财产的安全。不断发生的煤矿瓦斯爆炸事件强烈的提醒我们提高煤矿瓦斯监测的管理质量,为了加强煤矿瓦斯的管理水平,本课题设计了对煤矿瓦斯监测的系统。本系统下位机以AT89S52单片机为控制核心,系统采用了MJC4/3.0L瓦斯传感器,并通过INA114对电信号进行放大,通过PCF8591将模拟信号转换为数字信号,该A/D转换器采用了I2C总线技术,可以最大限度的利用有限管脚。滤波之后单片机驱动八位数码管对数据进行显示,并通过RS-485下位机网络将数据上传至上位机。上位机
2、程序用VB编写,采用MSComm插件启动串口,可以随时开启串口并对任意下位机的数据进行查看,并保存到相应的数据框。关键词:瓦斯传感器;单片机;监测系统;串口通讯IIIAbstractCoal Mine Gas Monitoring System Based on Single Chip MicrocomputerABSTRACTThe gas is harmful gases in the coal mine production,it seriously threaten to the safety of the lives of miners and state property.The
3、continued occurrence of coal mine gas explosion events remind us improve the quality of management of the coal mine gas monitoring.In order to strengthen the level of coal mine gas management ,this time,I design a coal mine gas monitoring system at this subject. The slave computers system use AT89S5
4、2 single chip microcomputer as the core controller, and it uses MJC4/3.0L gas sensor which could transform concentration signal to analog electrical signal as its major sensor . And PCF8591 that use I2C-bus could transform analog signal to digital signal effectively.Finally the LED could display the
5、 concentration value, and the system would upload the value. The software of upper computer programmed by Visual Basic,and it uses MSComm as its ActiveX. The software has great functions which include check and save data at any time.Key words: gas sensor; single chip microcomputer; monitoring system
6、; serial communication目录目录摘要IABSTRACTII第1章 绪论11.1课题研究的背景、现状及研究意义11.2瓦斯监测论文主要研究内容及要求2第2章 系统总体方案的确定42.1系统总体结构设计42.2系统工作原理4第3章 瓦斯监测系统硬件电路设计63.1单片机及时钟、复位模块63.2瓦斯检测模块73.3显示模块133.4通信模块153.5 蜂鸣器报警模块18第4章 系统软件设计194.1概述194.2瓦斯监测主监控程序194.3数据采集子程序194.4 A/D转换子程序204.5滤波子程序214.6 LED显示子程序22目录4.7蜂鸣器报警子程序234.8通信程序23
7、第5章 系统的仿真265.1下位机的调试与仿真265.2上位机的调试与仿真29第6章 总结与展望31参考文献32致谢33附录A 外文翻译英文原文部分34附录B 外文翻译中文译文部分40附录C 系统硬件原理图45附录D 下位机主程序流程图46附录E 下位机程序代码47附录F 上位机程序代码53华东交通大学毕业设计第一章 绪论瓦斯是煤矿生产中的有害气体,它严重威胁着矿工的生命和国家的财产安全。随着国民经济的快速发展,各种能源需求快速增长,煤炭开采量也在逐年增加,安全隐患也就越来越多,瓦斯事故特别是重大瓦斯事故在煤矿事故中的比例也就越来越高。如果不能及时测量井下的瓦斯浓度,那么煤矿的安全生产就无从谈
8、起,从而也就无法保证煤炭工业持续而稳定的向前发展。所以,对煤矿井内的瓦斯气体进行快速准确的检测就显得尤为重要,对易燃易爆气体检测系统的研究和开发也就成为人们普遍关注的问题。1.1 课题研究的背景、意义及研究现状煤炭是中国国民经济建设的动力,占全国一次能源生产总量及消费结构的70%以上。至2006年底,全国在册的大小煤矿共有2.6万个,均为瓦斯矿井,其中50%以上属于高瓦斯矿井。煤矿由于由于受到自然地质、井下开采条件、矿工技能条件、技术和装备等条件的限制,一直存在着安全可靠性程度差、安全事故频率高等问题,尤其是瓦斯事故频发、危害严重。从煤矿瓦斯防治部际协调调查小组召开第十次会议了解到,2012年
9、,全国煤矿发生瓦斯事故72起、死亡350人,同比减少47起、183人,分别下降39.5%、34.3%。煤层气抽采量141亿立方米、利用量58亿立方米,同比分别增长23.2%、20.2%。虽然近几年煤矿瓦斯事故逐年大幅度下降,但重特大瓦斯事故没有得到有效遏制,部分地区和小煤矿瓦斯事故多发,煤矿瓦斯防治形势依然严峻。煤炭需求持续增加,加剧了瓦斯防治工作压力;瓦斯灾害威胁日趋严重,防治难度越来越大;部分省份瓦斯防治机构不健全,尚未形成有效的工作机制;瓦斯防治基础依然薄弱,一些小煤矿安全投入严重不足,不具备瓦斯防治能力;煤与瓦斯突出机理尚未完全研究清楚,煤矿瓦斯防治关键技术有待突破。新中国成立以来发生
10、的24起煤矿一次死亡百人以上的特别重大事故中,瓦斯煤尘事故有21起,事故起数和死亡人数分别占88%和90%。一方面,每次瓦斯爆炸都会引起全社会的关注,更是给牺牲的矿工亲属带来沉重的精神打击,对煤炭事业健康发展以及矿区和谐社会建设都产生了不良的影响。另一方面,我国煤炭安全生产现状与世界一些发达国家和发展中国家相比差距很大,伤亡人数是美国的100倍、俄罗斯的10倍、印度的12倍。瓦斯是一种无色、无味、可以燃烧或爆炸、可以使人窒息死亡的气体,在成煤过程中形成,是煤炭的伴生物。当瓦斯在空气中的含量为5%16%时,就有爆炸的危险。煤矿安全规程规定,采区回风巷、采掘工作面回风巷风流中瓦斯浓度超过1%时,检
11、测仪表必须进行报警以提示停止工作,撤出人员,采取措施进行处理;采掘工作面及其它作业地点风流中瓦斯浓度达到1%时,必须停止用电钻打眼;爆破地点附近20m以内风流种的瓦斯浓度达到1%时,严禁爆破;采掘工作面及其它作业地点风流中、电动机或其开关安置地点附近20m以内风流中的瓦斯浓度达到1.5%时,必须停止工作,切断电源。由此可见,解决瓦斯突出及爆炸问题,必须加强对瓦斯的监测监控。我国从六十年代初就开始了对煤矿瓦斯监测技术的研究,一直到七十年代末,这方面的发展都很缓慢。当时最有代表性的产品为西安煤矿仪表厂生产的MJC-100煤矿集中监测系统和重庆煤矿安全仪器厂生产的AYJ-1型瓦斯器遥测警报仪,MJC
12、-100煤矿集中监控系统可以配置100个瓦斯传感器或其他类型的传感器,传输方式采用载波键控制传输,监测周期为100秒,可将煤矿井下瓦斯或其他信号远传到地面达10公里。由于当时所处的技55Qqqq术条件,该系统采用了1908块小规模TTL集成电路和部分分立元件组成,全部为硬逻辑电路。该系统在70年代末、80年代初在我国十多个大型煤矿的瓦斯监测中发挥了重要作用。八十年代后期,由于电子工业的飞速发展,微型计算机的普及应用,再加上引进国外先进技术,使我国煤矿瓦斯监测的技术水平得到较快的发展和提高。生产厂家和产品种类都在不断增加。生产厂家由最初的两家增加到现在得十多家,微机由最初的苹果机发展到现在得高档
13、微机,地面主监控中心站都以功能较强的微型计算机为核心,辅助以大屏幕显示器、模拟盘、中英文打印机等设备来完成数据处理、信息显示、超限报警。同时可进行人机对话,地面信息联网处理等。国外煤矿环境(瓦斯)监测系统有代表性的产品为加拿大康斯塔克生产的森透里昂系统。该系统在加拿大和美国得到广泛的应用。据美国煤炭时代工程与采矿89年9月月刊介绍,该系统在美国煤矿的使用已占美国煤矿现使用的50%。该系统应用软件是由美国软件公司编制的面向一切工业过程监测及控制的应用软件。所需的硬件支持为一台IBMPC或PC/XT、PC/AT或其兼容机配有10MB的硬盘。检测信号经干线驱动器后可以远传上百公里,传输调制方式采用两
14、种,远距离传输采用移相键控PSK,近距离传输采用基带传输。每套监测系统可以监控800个测点,最大可扩展为1600个测点。传感器为智能化,煤矿井下不设分站,但设有干线驱动器。该系统已在我国合资成立福深康斯塔克控制公司负责组装和生产。1.2本课题研究的主要内容及要求本课题的研究的目标是设计一种能够有效监测煤矿瓦斯气体的监测系统,能够实现瓦斯浓度的测量,将瓦斯的浓度传给单片机处理,当检测瓦斯的浓度大于设定报警浓度时,系统实现报警,并且将瓦斯的当前的浓度和设定报警浓度显示,再将瓦斯的浓度传给上位机。由于煤矿井下工作环境比较恶劣,有易燃易爆的瓦斯和粉尘,对系统的设计有影响,因此,煤矿系统中所用的电器跟一
15、般的电器有较大的区别,这就对煤矿电器有特殊要求,如体积要小,易于搬运,坚固,防潮防水,防爆,电气设备应有接地、过流、漏电保护装置,同时系统对数据的实时性和稳定性要求较高,系统的总体要求如下:1) 系统中所用到的设备应该满足煤矿安全要求;2) 实时性和稳定性好;3) 故障率低;4) 便于维修;主要内容如下:(1) 传感器的选用瓦斯传感器的原理多种多样,市场上销售瓦斯传感器也很多。瓦斯传感器用来测量瓦斯的浓度,作为系统的第一站,可以说它是决定设计的成功与否,瓦斯传感器的选择相当的重要,根据系统的设计要求,应该选择具有灵敏度高、可靠性好、寿命较长的瓦斯传感器。(2) 系统具体硬件电路设计 系统要实现
16、瓦斯浓度的测量,然后将测量的浓度与设定的报警浓度比较,并且将浓度进行显示,最后传给上位机。系统的硬件电路设计包括瓦斯系统电源电路、传感器检测电路、信号处理电路、蜂鸣器报警电路、显示电路等设计。华东交通大学毕业设计(3) 系统软件设计系统的软件设计包括下位机程序设计和上位机程序设计。(4) 系统的调试及仿真 为了验证系统的设计的可行性,对系统的部分模块进行调试与仿真,主要包括两个方面,一是对键盘电路的仿真,二是对显示电路的仿真,系统的调试主要用Keil软件进行调试,电路的仿真则要借助Proteus软件来进行仿真。第二章 系统总体方案的确定2.1 系统总体结构设计基于单片机的煤矿瓦斯监测系统主要由
17、气体传感器、单片机、A/D转换、LED显示、蜂鸣器报警、键盘以及RS-485通讯接口等部分组成,其结构框图如图2-1所示。采用单片机构成煤矿瓦斯监测系统的核心部分,使用气体传感器实现对瓦斯浓度的测量;使用键盘可以实现对纯净空气中瓦斯浓度的采取;通过LED可以显示瓦斯的当前的浓度;采用RS-485物理层,实现数据远传。放大电路单片机模数转换检测电路显示浓度瓦斯信号信号输出蜂鸣器警报 220V稳压电源 图2-1 系统总体结构框图2.2 系统工作原理系统利用瓦斯传感器实现对瓦斯的识别和瓦斯的浓度的测量,通过信号处理电路将得到的瓦斯浓度信号进行放大处理以及模数转换,交给单片机处理。对测量的瓦斯浓度与设
18、定的报警浓度进行比较,当瓦斯的当前浓度大于设定浓度时,系统将进行蜂鸣器报警,并且对测量的瓦斯浓度进行显示。为了进行零点修正需对干净空气中的瓦斯浓度进行采集,于是外加了一个键盘电路,通过RS-485可以将瓦斯的浓度传给上位机,便于更好的监控井下的状况,如图2-2所示,它是系统的控制面板,面板上包括小键盘、浓度显示、系统的电源开关和系统的复位开关等其他部件,可以实现系统的一些基本功能。具体按键对应功能如下:1) power:开关键,用于开启下位机和关闭下位机。2) 复位:按一下将对下位机进行复位处理。3) 零点数据:按一下可以采集纯净空气中的瓦斯浓度。LED显示屏当前值电源指示灯报警声power零
19、点数据复位图2-2 控制面板界面第三章 系统硬件电路设计3.1 单片机及时钟、复位模块微处理器在系统硬件设计方面具有很大的影响力,选择一个适当的微处理器作为系统的核心,才能使系统兼具低成本以及高效率。(1)单片机的选择单片机作为整个控制系统的核心,具有重要的作用。本设计的任务是准确测量瓦斯的浓度,具有自动报警功能,进行LED显示。数据处理量不是很大,通过8位的51系列单片机就可以满足功能要求。目前51内核单片机主要有MCS-51系列、AT89系列、Motorola公司系列、Z8以及Super8系列、F8系列等。由于AT89S52作为较为普及的51系列单片机,它的使用性能和经济性能都比较优越,故
20、本设计选择AT89S52单片机。AT89S52 是美国 ATMEL 公司生产的低功耗,高性能 CMOS8 位微控制器,具有8K在系统可编程FLASH存储器,使用Atmel公司高密度非易失性存储器制造技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容,片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。在单芯片上,拥有灵巧的8 位CPU 和在系统 可编程Flash,使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。其引脚如图3-1所示,主要性能参数如下:1) 与 MCS-51 单片机兼容2) 8K 字节在系统可编程Flash存储器3) 1000 次擦写周期4) 全静态
21、操作:0Hz33MHz5) 三级加密程序存储器6) 32 个可编程 IO 口线7) 3个 16 位定时计数器8) 6个中断源9) 全双工 UART 串行通道10) 低功耗空闲和掉电模式11) 掉电后中断可唤醒12) 看门狗定时器13) 双数据指针14) 掉电标识符 (2)时钟电路 如图3-2所示,采用内部时钟电路。内部时钟模式是采用单片机内部振荡器来工作的模式。AT89S52和其他51系列单片机一样,其内部包含一个高增益的单级反相放大器,引脚XTAL1和XTAL2分别为片内反相放大器的输入端口和输出端口,其工作频率为033MHZ。当单片机工作于内部时钟模式的时候,只需要在XTAL1引脚和XTA
22、L2引脚连接一个晶体振荡器或陶瓷振荡器,并接两个电容接地即可,在实际电路设计时,应该注意尽量保证外接的振荡器和电容尽可能靠近单片机的XTAL1和XTAL2引脚,这样可以减少寄生电容的影响,使振荡器能够稳定可靠地为单片机CPU提供时钟信号。(3) 复位电路如图3-3所示,该图既可以手动复位,又可以上电复位,是可以人工复位单片机系统。上电复位的原理是RC电路的充放电效应。除了系统上电的时候可以给RST引脚一个短暂的高电平信号外,当按下按键开关的时候,VCC通过一个电阻连接到RST引脚,给RST一个高电平,按键松开的时候,RST引脚恢复为低电平,复位完成。图3-2 晶振电路图图3-1 AT89S52
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