傳感器與檢測(cè)技術(shù)課程設(shè)計(jì)瓦斯?jié)舛葯z測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、摘 要福建電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院課 程 設(shè) 計(jì)課程名稱： 傳感器與檢測(cè)技術(shù)課設(shè)課設(shè) 題目： 瓦斯?jié)舛葯z測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 專業(yè)班次： 檢測(cè)1班 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 學(xué) 期： 2011-2011學(xué)年 第一學(xué)期 日 期： 2012.2.13-2012.2.20 i目 錄摘要1第一章 瓦斯?jié)舛葯z測(cè)概述21.1瓦斯的性質(zhì)21.2瓦斯燃燒、爆炸的條件21.3瓦斯的檢測(cè)方法及瓦斯傳感器工作原理3第二章 系統(tǒng)整體機(jī)構(gòu)及工作原理421 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)422 系統(tǒng)工作原理4第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)531 主控電路設(shè)計(jì)532 瓦斯傳感器及信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)533 ad轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)63.4 報(bào)警模塊電路設(shè)計(jì)63.5 鍵盤

2、模塊電路設(shè)計(jì)6第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)7第五章 實(shí)驗(yàn)總結(jié)9第六章 設(shè)計(jì)心得10參考文獻(xiàn)11傳感器與檢測(cè)技術(shù)課設(shè)摘要由于瓦斯氣體本身的危險(xiǎn)性和對(duì)人民生產(chǎn)生活造成的巨大危害，因此對(duì)瓦斯氣體的檢測(cè)和報(bào)警是一項(xiàng)必要的工作。瓦斯報(bào)警是指利用氣體傳感器技術(shù)，將檢測(cè)到的瓦斯氣體濃度和標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，當(dāng)高過一定濃度值時(shí)候進(jìn)行相應(yīng)的聲光報(bào)警，提醒正在作業(yè)的人員進(jìn)行相應(yīng)的處理，組織人員撤離或?qū)ΦV井通風(fēng)排氣，避免不安全事故的發(fā)生，對(duì)現(xiàn)在采礦業(yè)的安全起著非常重要的作用。筆者所設(shè)計(jì)一種低成本的可燃性氣體報(bào)警器設(shè)計(jì)，能夠監(jiān)控礦井的瓦斯氣體的濃度，顯示測(cè)量結(jié)果，并對(duì)當(dāng)前的環(huán)境狀態(tài)做出判斷，發(fā)出報(bào)警信息。當(dāng)前，隨著采礦技術(shù)的不斷

3、發(fā)展，井下作業(yè)的安全越來越有保障，但是仍然有許多采礦企業(yè)的機(jī)械化程度低，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采礦的工作人員的生命安全造成潛在的威脅，特別是針對(duì)瓦斯氣體的檢測(cè)和報(bào)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(cè)概述1.1瓦斯的性質(zhì)瓦斯是在成煤過程中形成并大量?jī)?chǔ)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(shí)可以聞到類似蘋果的香味，這是由于芳香族的碳?xì)錃怏w同瓦斯同時(shí)涌出的緣故。瓦斯對(duì)空氣的相對(duì)密度是0.554，在標(biāo)準(zhǔn)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

4、于水，不助燃也不能維持呼吸，達(dá)到一定濃度時(shí)，能使人因缺氧而窒息，并能發(fā)生燃燒或爆炸，對(duì)人體的危害是超時(shí)限能引起人窒息死亡。在地下采礦時(shí)候，井內(nèi)常常會(huì)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(shí)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?，屬于易燃易爆氣體。1.2瓦斯燃燒、爆炸的條件（1）瓦斯達(dá)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(guó)煤礦安全規(guī)程規(guī)定氧氣濃度不低于20%。因此,如何準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)瓦斯?jié)?/p>

5、度,并提前采取預(yù)防措施成為防止瓦斯爆炸的關(guān)鍵問題,同時(shí),瓦斯檢測(cè)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(dāng)它體積占空氣的5%15%時(shí),遇明火就會(huì)發(fā)生爆炸,給礦井帶來隱患。瓦斯傳感器主要是監(jiān)測(cè)礦井瓦斯情況,其布置必須嚴(yán)格遵照煤礦安全規(guī)程的有關(guān)規(guī)定。甲烷傳感器在煤礦安全檢測(cè)系統(tǒng)中用于煤礦井巷、采掘工作面、采空區(qū)、回風(fēng)巷道、機(jī)電峒室、抽放瓦斯的管道與現(xiàn)場(chǎng)與瓦斯排放點(diǎn)等處連續(xù)監(jiān)測(cè)甲烷濃度,當(dāng)甲烷濃度超限時(shí),能自動(dòng)發(fā)出聲、光報(bào)警,可供煤礦井下作業(yè)人員,甲烷檢測(cè)人員,井下管理人員等隨身攜帶使用,也可供上述場(chǎng)所固定使用。1.3瓦斯的檢測(cè)方法及瓦斯傳感器工作原理（1）

6、方法：接觸燃燒氣敏法、半導(dǎo)體氣敏法、光干涉法、紅外光譜法、氣相色譜法、光纖法、電化學(xué)檢測(cè)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(hào),需通過放大器放大,再經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路、a/d轉(zhuǎn)換器、由單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算、處理,驅(qū)動(dòng)發(fā)光數(shù)碼管顯示甲烷的濃度。同時(shí)經(jīng)d/a轉(zhuǎn)換,所檢測(cè)的甲烷濃度值也被轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流量和頻率量信號(hào),由電纜傳輸給關(guān)聯(lián)設(shè)備。11第二章 系統(tǒng)整體機(jī)構(gòu)及工作原理21 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)瓦斯檢測(cè)系統(tǒng)以主控制器單片機(jī)為主要核心，配置瓦斯傳感器電路、ad轉(zhuǎn)換電路、報(bào)警電路與按鍵電路等四大功能模塊。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換成相應(yīng)大小

7、的模擬信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過信號(hào)放大電路和ad轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行放大、轉(zhuǎn)換，然后送入主控制器單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。一旦瓦斯氣體濃度超過相應(yīng)的設(shè)定值時(shí)，則主控制器立即啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)31 主控電路設(shè)計(jì)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(bào)警指令。本設(shè)計(jì)所處理的信息量和復(fù)雜程度不是太大，采用8位單片機(jī)at89s52足以滿足本設(shè)計(jì)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(chǔ)器，256字節(jié)ram，6個(gè)中斷源，3個(gè)16位的可編程定時(shí)器計(jì)數(shù)器，32個(gè)io口，看門狗定時(shí)器等資源。32 瓦斯傳感器及信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)選用mj

8、c430l作為瓦斯傳感器。mjc430l型催化元件根據(jù)催化燃燒效應(yīng)的原理工作，由檢測(cè)元件和補(bǔ)償元件配對(duì)組成電橋的臂，遇可燃性氣體時(shí)檢測(cè)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(bǔ)償元件起參比及溫度補(bǔ)償作用。其具有橋路輸出電壓呈線性、響應(yīng)速度快、有良好的重復(fù)性、選擇性、元件工作穩(wěn)定、可靠、抗h2s中毒等優(yōu)點(diǎn)。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(hào)進(jìn)行放大。信號(hào)放大是通過調(diào)整放大器ad 602的增益控制電壓來實(shí)現(xiàn)的。ad602是美國(guó)ad公司專門針對(duì)程控放大開發(fā)的，其具有兩個(gè)通道，每個(gè)通道的增益范圍為-1030 d

9、b，因此兩個(gè)通道串連起來可以實(shí)現(xiàn)的增益控制范圍為：-2060 db。瓦斯傳感器及信號(hào)放大電路如圖3.1所示。 圖3.133 ad轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)使用的數(shù)模轉(zhuǎn)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(nèi)工作。每個(gè)器件最大電流為850 ua，最大采樣率達(dá)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(diào)整參考電壓的大小。ad轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)如圖2.2所示。圖2.23.4 報(bào)警模塊電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的報(bào)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(qū)

10、動(dòng)它工作的pnp晶體管的發(fā)射極，晶體管基極連接at89s52的p33口。3.5 鍵盤模塊電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)中的按鍵主要用來設(shè)定瓦斯?jié)舛鹊膱?bào)警值，采用獨(dú)立按鍵式鍵盤，共3個(gè)按鍵，它們分別與at89s52的p20p22口連接，平時(shí)這三個(gè)引腳輸出高電平，當(dāng)按鍵被按下時(shí)引腳變成低電平，因此，只要在軟件中查詢這幾個(gè)引腳的電平，就可以確定是否有按鍵按下，從而進(jìn)人相應(yīng)的子程序。第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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(jī)上電工作后，首先進(jìn)行初始化，接著進(jìn)入主循環(huán)掃描是否有按鍵按下，若檢測(cè)到有鍵按下，

11、則設(shè)定系統(tǒng)的瓦斯?jié)舛葓?bào)警上限值，否則直接調(diào)用數(shù)據(jù)采集處理子程序進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理。主程序調(diào)用數(shù)據(jù)采樣處理子程序后，就進(jìn)入該子程序運(yùn)行，首先啟動(dòng)ad轉(zhuǎn)換進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，得到的數(shù)據(jù)信號(hào)輸入到at89s52進(jìn)行濾波、零點(diǎn)修正并計(jì)算瓦斯氣體濃度值，若濃度超限則啟動(dòng)揚(yáng)聲器聲音報(bào)警，否則關(guān)閉蜂鳴器并返回。第五章 實(shí)驗(yàn)總結(jié)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(dāng)空氣中氧氣濃度達(dá)到10時(shí)，瓦斯?jié)舛仍?16之間，就會(huì)發(fā)生爆炸。根據(jù)mjc430l的技術(shù)指標(biāo)(甲烷濃度為1時(shí)，其靈敏度為2040 mv)，因此設(shè)定瓦斯的爆炸上限值

12、為005，當(dāng)?shù)V井中的瓦斯?jié)舛瘸^此上限值時(shí)，蜂鳴器就發(fā)出聲音報(bào)警。本設(shè)計(jì)考慮攜帶方便，而且實(shí)用的報(bào)警器，成品可以很方便的嵌入在礦燈內(nèi)部，設(shè)計(jì)成本廉價(jià)?；趩纹瑱C(jī)礦燈用的智能瓦斯報(bào)警器設(shè)計(jì)在硬件的選擇上留有空間，在增加相關(guān)硬件同時(shí)，軟件部分只需改動(dòng)很少的部分就可實(shí)現(xiàn)其它功能，使系統(tǒng)功能更加完善。a/d轉(zhuǎn)換器是11通道的，可以擴(kuò)展其他傳感器，如礦井內(nèi)的溫度和濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)的傳感器。并且系統(tǒng)可以擴(kuò)展無線發(fā)射模塊，將檢測(cè)的信息及時(shí)地發(fā)到安全控制中心，在配合其它礦井內(nèi)的安全監(jiān)控設(shè)備更好的確保井下作業(yè)的安全。 第六章 設(shè)計(jì)心得這學(xué)期的傳感器課設(shè)終于完成了！在課設(shè)期間，用所學(xué)的知識(shí)來完成自己的作業(yè)，我感到很很

13、踏實(shí)，也很充實(shí)！自己所學(xué)知識(shí)有所用，很欣慰！在開始的時(shí)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(shè)可以培養(yǎng)我們動(dòng)腦能力，使我更加知道自己的知識(shí)含量，為以后的。就業(yè)打下基礎(chǔ)。課設(shè)的過程是艱辛的，但是收獲是巨大的。首先，我們?cè)僖淮蔚募由铎柫藢?duì)己有知識(shí)的理解及認(rèn)識(shí)；其次，我們第一次將課本知識(shí)用到了實(shí)際設(shè)計(jì)。使得所學(xué)知識(shí)在更深的層次上得到了加深。再次，因?yàn)檫@次課程設(shè)計(jì)的確在某些方面存在有一定難度，這對(duì)我們來講都是一種鍛煉，培養(yǎng)了我動(dòng)腦能力及自學(xué)、查閱收集知識(shí)的能力。我們?cè)?jīng)面臨過失敗、品味過茫然，但是最終我們還是堅(jiān)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(cái)富。參考文獻(xiàn)1 張毅剛.單片機(jī)原理及應(yīng)用.北京：高等教育出版社，2004。2 何立民.mcs-51單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì).北