傳感器與檢測技術課程設計瓦斯?jié)舛葯z測系統(tǒng)設計

1、福建電力職業(yè)技術學院課 程 設 計課程名稱： 傳感器與檢測技術課設課設 題目： 瓦斯?jié)舛葯z測系統(tǒng)設計 專業(yè)班次： 檢測1班 姓 名： 學 號： 指導教師： 學 期： 2011-2011學年 第一學期 日 期： 2012.2.13-2012.2.20 目 錄摘要1第一章 瓦斯?jié)舛葯z測概述21.1瓦斯的性質21.2瓦斯燃燒、爆炸的條件21.3瓦斯的檢測方法及瓦斯傳感器工作原理3第二章 系統(tǒng)整體機構及工作原理421 系統(tǒng)整體結構422 系統(tǒng)工作原理4第三章 系統(tǒng)硬件電路設計531 主控電路設計532 瓦斯傳感器及信號放大電路設計533 ad轉換電路設計63.4 報警模塊電路設計63.5 鍵盤模塊電路

2、設計6第四章 系統(tǒng)軟件設計7第五章 實驗總結9第六章 設計心得10參考文獻11摘要由于瓦斯氣體本身的危險性和對人民生產(chǎn)生活造成的巨大危害，因此對瓦斯氣體的檢測和報警是一項必要的工作。瓦斯報警是指利用氣體傳感器技術，將檢測到的瓦斯氣體濃度和標準值進行比較，當高過一定濃度值時候進行相應的聲光報警，提醒正在作業(yè)的人員進行相應的處理，組織人員撤離或對礦井通風排氣，避免不安全事故的發(fā)生，對現(xiàn)在采礦業(yè)的安全起著非常重要的作用。筆者所設計一種低成本的可燃性氣體報警器設計，能夠監(jiān)控礦井的瓦斯氣體的濃度，顯示測量結果，并對當前的環(huán)境狀態(tài)做出判斷，發(fā)出報警信息。當前，隨著采礦技術的不斷發(fā)展，井下作業(yè)的安全越來越有

3、保障，但是仍然有許多采礦企業(yè)的機械化程度低，對現(xiàn)場采礦的工作人員的生命安全造成潛在的威脅，特別是針對瓦斯氣體的檢測和報警仍舊存在隱患，每年由于瓦斯泄露造成的特大事故依然很多。第一章 瓦斯?jié)舛葯z測概述1.1瓦斯的性質瓦斯是在成煤過程中形成并大量儲存與煤層之中的氣體，是煤礦井下危害最大的氣體。瓦斯是無色、無味、無臭的氣體，主要成份是甲烷（ch4），但有時可以聞到類似蘋果的香味，這是由于芳香族的碳氫氣體同瓦斯同時涌出的緣故。瓦斯對空氣的相對密度是0.554，在標準狀態(tài)下瓦斯的密度為0.716kg，所以，它常積聚在煤礦巷道的上部及高頂處。瓦斯的滲透能力是空氣的1.6倍，難溶于水，不助燃也不能維持呼吸，

4、達到一定濃度時，能使人因缺氧而窒息，并能發(fā)生燃燒或爆炸，對人體的危害是超時限能引起人窒息死亡。在地下采礦時候，井內常常會泄露一定量的ch4、co和so2等氣體，后一種含量少，切易溶于水。經(jīng)煤礦開采時的噴水處理后變成酸。但前兩種氣體含量多，且?guī)缀醪蝗萦谒瑢儆谝兹家妆瑲怏w。1.2瓦斯燃燒、爆炸的條件（1）瓦斯達到一定濃度:一般情況下瓦斯爆炸濃度為5%16%,瓦斯?jié)舛鹊陀?%燃燒、大于16%既不燃燒也不爆炸;(2)充足的氧氣:氧氣濃度大于12%;(3)高溫火源:溫度高于650750。為了維持井下正常生產(chǎn),我國煤礦安全規(guī)程規(guī)定氧氣濃度不低于20%。因此,如何準確監(jiān)測瓦斯?jié)舛?并提前采取預防措施成為防

5、止瓦斯爆炸的關鍵問題,同時,瓦斯檢測傳感器的研究也成了熱門課題。礦井瓦斯是多種可燃、可爆氣體的總稱,其主要成分是甲烷。當它體積占空氣的5%15%時,遇明火就會發(fā)生爆炸,給礦井帶來隱患。瓦斯傳感器主要是監(jiān)測礦井瓦斯情況,其布置必須嚴格遵照煤礦安全規(guī)程的有關規(guī)定。甲烷傳感器在煤礦安全檢測系統(tǒng)中用于煤礦井巷、采掘工作面、采空區(qū)、回風巷道、機電峒室、抽放瓦斯的管道與現(xiàn)場與瓦斯排放點等處連續(xù)監(jiān)測甲烷濃度,當甲烷濃度超限時,能自動發(fā)出聲、光報警,可供煤礦井下作業(yè)人員,甲烷檢測人員,井下管理人員等隨身攜帶使用,也可供上述場所固定使用。1.3瓦斯的檢測方法及瓦斯傳感器工作原理（1）方法：接觸燃燒氣敏法、半導體

6、氣敏法、光干涉法、紅外光譜法、氣相色譜法、光纖法、電化學檢測法、微生物傳感器等。瓦斯傳感器工作原理為:瓦斯傳感器產(chǎn)生的低電壓信號,需通過放大器放大,再經(jīng)信號調理電路、a/d轉換器、由單片機進行運算、處理,驅動發(fā)光數(shù)碼管顯示甲烷的濃度。同時經(jīng)d/a轉換,所檢測的甲烷濃度值也被轉換成相應的電流量和頻率量信號,由電纜傳輸給關聯(lián)設備。第二章 系統(tǒng)整體機構及工作原理21 系統(tǒng)整體結構瓦斯檢測系統(tǒng)以主控制器單片機為主要核心，配置瓦斯傳感器電路、ad轉換電路、報警電路與按鍵電路等四大功能模塊。系統(tǒng)整體結構如圖1所示：圖122 系統(tǒng)工作原理瓦斯傳感器將瓦斯氣體濃度轉換成相應大小的模擬信號，信號經(jīng)過信號放大電路

7、和ad轉換電路進行放大、轉換，然后送入主控制器單片機中進行數(shù)據(jù)處理。一旦瓦斯氣體濃度超過相應的設定值時，則主控制器立即啟動蜂鳴器報警。第三章 系統(tǒng)硬件電路設計31 主控電路設計主控電路主要用來整合系統(tǒng)各功能電路，完成數(shù)據(jù)的采集和處理，并發(fā)出報警指令。本設計所處理的信息量和復雜程度不是太大，采用8位單片機at89s52足以滿足本設計的要求。它是一款低功耗、高性能cmos 8位微控制器，具有8 kb系統(tǒng)可編程flash存儲器，256字節(jié)ram，6個中斷源，3個16位的可編程定時器計數(shù)器，32個io口，看門狗定時器等資源。32 瓦斯傳感器及信號放大電路設計系統(tǒng)選用mjc430l作為瓦斯傳感器。mjc

8、430l型催化元件根據(jù)催化燃燒效應的原理工作，由檢測元件和補償元件配對組成電橋的臂，遇可燃性氣體時檢測元件電阻升高，橋路輸出電壓變化，該電壓變量隨氣體濃度增大而成正比例增大，補償元件起參比及溫度補償作用。其具有橋路輸出電壓呈線性、響應速度快、有良好的重復性、選擇性、元件工作穩(wěn)定、可靠、抗h2s中毒等優(yōu)點。因mjc430l的輸出電壓太小，無法滿足at89s52的要求。故需要將mjc430l的輸出信號進行放大。信號放大是通過調整放大器ad 602的增益控制電壓來實現(xiàn)的。ad602是美國ad公司專門針對程控放大開發(fā)的，其具有兩個通道，每個通道的增益范圍為-1030 db，因此兩個通道串連起來可以實現(xiàn)

9、的增益控制范圍為：-2060 db。瓦斯傳感器及信號放大電路如圖3.1所示。 圖3.133 ad轉換電路設計系統(tǒng)使用的數(shù)模轉換器ltc1865是凌力爾特推出的16位sar adc，采用單5 v電源工作，并能保證在-40+125的溫度范圍內工作。每個器件最大電流為850 ua，最大采樣率達250 kss，供電電流隨著采樣速率的降低而變小。msop-10封裝的ltc1865提供2路軟件可編程的通道，并且可以根據(jù)需求來調整參考電壓的大小。ad轉換電路設計如圖2.2所示。圖2.23.4 報警模塊電路設計本設計的報警模塊采用普通的蜂鳴器來完成。蜂鳴器一端接地，一端接用來驅動它工作的pnp晶體管的發(fā)射極，

10、晶體管基極連接at89s52的p33口。3.5 鍵盤模塊電路設計本系統(tǒng)中的按鍵主要用來設定瓦斯?jié)舛鹊膱缶担捎锚毩存I式鍵盤，共3個按鍵，它們分別與at89s52的p20p22口連接，平時這三個引腳輸出高電平，當按鍵被按下時引腳變成低電平，因此，只要在軟件中查詢這幾個引腳的電平，就可以確定是否有按鍵按下，從而進人相應的子程序。第四章 系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)軟件主要包括系統(tǒng)主程序和數(shù)據(jù)采樣處理子程序兩部分。主程序流程如圖4.1所示。 圖4.1數(shù)據(jù)采樣處理子程序如圖4.2所示圖4.2系統(tǒng)開機上電工作后，首先進行初始化，接著進入主循環(huán)掃描是否有按鍵按下，若檢測到有鍵按下，則設定系統(tǒng)的瓦斯?jié)舛葓缶舷拗担?/p>

11、否則直接調用數(shù)據(jù)采集處理子程序進行數(shù)據(jù)采集處理。主程序調用數(shù)據(jù)采樣處理子程序后，就進入該子程序運行，首先啟動ad轉換進行數(shù)據(jù)采樣，得到的數(shù)據(jù)信號輸入到at89s52進行濾波、零點修正并計算瓦斯氣體濃度值，若濃度超限則啟動揚聲器聲音報警，否則關閉蜂鳴器并返回。第五章 實驗總結瓦斯的主要成分是甲烷，瓦斯爆炸有一定的濃度范圍，通常把在空氣中瓦斯遇火后能引起爆炸的濃度范圍稱為瓦斯爆炸界限。瓦斯爆炸界限為516。當空氣中氧氣濃度達到10時，瓦斯?jié)舛仍?16之間，就會發(fā)生爆炸。根據(jù)mjc430l的技術指標(甲烷濃度為1時，其靈敏度為2040 mv)，因此設定瓦斯的爆炸上限值為005，當?shù)V井中的瓦斯?jié)舛瘸^

12、此上限值時，蜂鳴器就發(fā)出聲音報警。本設計考慮攜帶方便，而且實用的報警器，成品可以很方便的嵌入在礦燈內部，設計成本廉價?；趩纹瑱C礦燈用的智能瓦斯報警器設計在硬件的選擇上留有空間，在增加相關硬件同時，軟件部分只需改動很少的部分就可實現(xiàn)其它功能，使系統(tǒng)功能更加完善。a/d轉換器是11通道的，可以擴展其他傳感器，如礦井內的溫度和濕度進行監(jiān)測的傳感器。并且系統(tǒng)可以擴展無線發(fā)射模塊，將檢測的信息及時地發(fā)到安全控制中心，在配合其它礦井內的安全監(jiān)控設備更好的確保井下作業(yè)的安全。 第六章 設計心得這學期的傳感器課設終于完成了！在課設期間，用所學的知識來完成自己的作業(yè)，我感到很很踏實，也很充實！自己所學知識有所

13、用，很欣慰！在開始的時候，我不知所措，不知從何下手。但是，只要不放棄，就可以完成！這門課設可以培養(yǎng)我們動腦能力，使我更加知道自己的知識含量，為以后的。就業(yè)打下基礎。課設的過程是艱辛的，但是收獲是巨大的。首先，我們再一次的加深鞏了對己有知識的理解及認識；其次，我們第一次將課本知識用到了實際設計。使得所學知識在更深的層次上得到了加深。再次，因為這次課程設計的確在某些方面存在有一定難度，這對我們來講都是一種鍛煉，培養(yǎng)了我動腦能力及自學、查閱收集知識的能力。我們曾經(jīng)面臨過失敗、品味過茫然，但是最終我們還是堅持下來了，這就是我們意志、耐力的勝利。在今后的日子里，它必將成為我們的寶貴財富。參考文獻1 張毅剛.單片機原理及應用.北京：高等教育出版社，2004。2 何立民.mcs-51單片機系統(tǒng)設計.北京