瓦斯氣體濃控制系統(tǒng)

1、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)生姓名:邱博學(xué) 號(hào)：學(xué) 院:自動(dòng)化工程學(xué)院班 級(jí):自動(dòng)133題 目:瓦斯氣體濃度控制系統(tǒng)目錄1.選題背景42. 方案論證53. 過(guò)程論述63.1傳感器的選擇63.2  A/D轉(zhuǎn)換電路63.3 控制電路73.4 數(shù)碼管顯示電路73.5 D/A轉(zhuǎn)換器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)83.6 總電路圖83.7 系統(tǒng)程序框圖94. 結(jié)果分析105. 總結(jié)106. 心得體會(huì)10參考文獻(xiàn)111.選題背景當(dāng)前，隨著采礦技術(shù)的不斷發(fā)展，井下作業(yè)的安全越來(lái)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

2、年由于瓦斯泄露造成的特大事故依然很多。瓦斯是在成煤過(guò)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。瓦斯是一種無(wú)色無(wú)味的氣體，主要成份是甲烷（CH4），密度為0.716kg/ m3，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(kāi)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。瓦斯?jié)舛仍?以下是安全的，大于4就會(huì)引發(fā)爆炸很危險(xiǎn)?？刂仆L(fēng)系統(tǒng)工作，保證環(huán)境安全穩(wěn)定。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，因此在這里設(shè)計(jì)一款瓦斯氣體濃度濃度控制系統(tǒng)，

3、其控制算法對(duì)氣體濃度有預(yù)判性，通過(guò)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(guò)一定濃度的時(shí)候控制排風(fēng)扇對(duì)礦井進(jìn)行通風(fēng)排氣，避免發(fā)生安全事故。因資源有限，故只能在proteus軟件中進(jìn)行仿真模擬。2. 方案論證被控對(duì)象傳感器A/D轉(zhuǎn)換單片機(jī)D/A轉(zhuǎn)換放大器執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)碼管顯示電路本設(shè)計(jì)的瓦斯氣體濃度控制器由六個(gè)部分組成：傳感器、數(shù)碼管、控制電路、A/D轉(zhuǎn)換器，D/A轉(zhuǎn)換器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。傳感器部分采用氣體傳感器，能感知環(huán)境中某種氣體，并將與氣體種類(lèi)和濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，這種電信號(hào)是連續(xù)變化的模擬信號(hào)，需要經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)化離散的數(shù)字信號(hào)，然后送給控制機(jī)構(gòu)?？刂齐娐芬詥纹瑱C(jī)

4、為核心，能夠?qū)Σ杉臄?shù)字信號(hào)進(jìn)行處理和判斷，運(yùn)用一定的算法計(jì)算出待檢測(cè)氣體成分及濃度并送到數(shù)碼管顯示出來(lái)。當(dāng)檢測(cè)氣體濃度超出設(shè)定值時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)排氣風(fēng)扇，將氣體進(jìn)行置換，以降低瓦斯的濃度至安全值。本系統(tǒng)可以對(duì)檢測(cè)的數(shù)據(jù)和設(shè)定的閥值參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)并自備電源。系統(tǒng)框圖如圖1所示。 圖1該瓦斯?jié)舛瓤刂破魇且环N操作方便、電路設(shè)計(jì)新穎、控制能力強(qiáng)、參數(shù)測(cè)量準(zhǔn)確、成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的瓦斯?jié)舛瓤刂破?。它有測(cè)量范圍寬、精度高的優(yōu)點(diǎn)，且具有自動(dòng)控制瓦斯?jié)舛葹槎ㄖ档墓δ堋?. 過(guò)程論述3.1傳感器的選擇甲烷傳感器采用MQ-4氣敏傳感器，用于探測(cè)采集瓦斯的濃度。它在較寬的濃度范圍內(nèi)對(duì)可燃?xì)怏w有良好的靈敏度，對(duì)甲

5、烷的靈敏度較高，其次其壽命長(zhǎng)、成本低，單價(jià)只有一元，使用簡(jiǎn)單的電路即可驅(qū)動(dòng)。其主要技術(shù)指標(biāo)及結(jié)構(gòu)圖如圖2、圖3所示。 圖2圖33.2  A/D轉(zhuǎn)換電路由于MQ-4傳感器的輸出信號(hào)為模擬電壓信號(hào)，要想將采集到得數(shù)據(jù)送至單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理則需要將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，所以在這里我們還要選用ADC0808芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理。ADC0808是采樣分辨率為8位的、以逐次逼近原理進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的器件。其內(nèi)部有一個(gè)8通道多路開(kāi)關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。3.3 控制電路控制電路的主體為AT89C51型單片機(jī)，AT89C51是一種帶4K

6、字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱(chēng)單片機(jī)。AT89C51是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。 

7、3.4 數(shù)碼管顯示電路LED數(shù)碼顯示器是一種由LED發(fā)光二極管組合顯示字符的顯示器件。它使用了8個(gè)LED發(fā)光二極管，其中7個(gè)用于顯示字符，1個(gè)用于顯示小數(shù)點(diǎn)，故稱(chēng)之為7段發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器。這里用MAX7219和三個(gè)數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)3位動(dòng)態(tài)顯示電路，數(shù)碼管采用共陽(yáng)極接法。由于采用動(dòng)態(tài)顯示，因此除了要給顯示器提供顯示段碼之外，還要對(duì)顯示器進(jìn)行位的控制，即通常所說(shuō)的“段控”和“位控”。因此對(duì)于采用動(dòng)態(tài)顯示的電路來(lái)說(shuō)，單片機(jī)都需要提供兩種輸出口，一種用于輸出顯示段碼，另一種用于輸出位控信號(hào)?！拔豢亍睂?shí)際上就是對(duì)LED顯示器的公共端進(jìn)行控制，位控信號(hào)的數(shù)目與顯示器的位數(shù)相同。3.5 D/A轉(zhuǎn)換器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)

8、DAC0832是8分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片。與微處理器完全兼容。這個(gè)DA芯片以其價(jià)格低廉、接口簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點(diǎn)，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。D/A轉(zhuǎn)換器由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成。為了簡(jiǎn)化電路，將DAC0832配置為直通式工作方式，單片機(jī)的數(shù)字量輸出信號(hào)通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為模擬量輸出信號(hào)，并通過(guò)這個(gè)信號(hào)控制排風(fēng)扇的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣就構(gòu)成了整個(gè)電路的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。3.6 總電路圖總電路圖如圖4所示。 圖43.7 系統(tǒng)程序框圖主程序流程圖如下圖所示。開(kāi)始 系統(tǒng)初始化設(shè)定給定值數(shù)據(jù)采集處理濃度判斷 正常 超值執(zhí)行器動(dòng)作數(shù)據(jù)回傳動(dòng)態(tài)顯示 4.

9、結(jié)果分析本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，充分發(fā)揮PIC單片機(jī)內(nèi)部資源優(yōu)勢(shì)；同時(shí)所編寫(xiě)的程序可讀性和可移植性較好，提高系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和調(diào)試效率。 程序由主程序和多個(gè)可調(diào)用的子程序構(gòu)成。設(shè)備一旦開(kāi)始工作，單片機(jī)及相關(guān)外圍元件開(kāi)始初始化，然后對(duì)各個(gè)變量參數(shù)設(shè)定初始值或者設(shè)定值，主程序進(jìn)入了執(zhí)行階段;然后對(duì)所監(jiān)控的礦井環(huán)境中的瓦斯?jié)舛乳_(kāi)始采集，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)化器處理和傳輸，再把信號(hào)傳送到單片機(jī)內(nèi)部的模擬比較器，與設(shè)定值進(jìn)行比較。若瓦斯?jié)舛雀哂谠O(shè)定值，系統(tǒng)則會(huì)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，同時(shí)，瓦斯?jié)舛瓤梢栽?段8位的LED數(shù)碼管上動(dòng)態(tài)顯示。5. 總結(jié) 基于C51單片機(jī)的智能瓦斯?jié)舛瓤刂葡到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤礦井下瓦斯?jié)舛鹊臏?zhǔn)確

10、、快速、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，不僅可以實(shí)時(shí)分析、處理數(shù)據(jù)，還可以通過(guò)控制排風(fēng)扇的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)礦井內(nèi)瓦斯氣體濃度維持在安全值。該設(shè)備可靠性高、檢測(cè)精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)，能夠顯著提高煤礦企業(yè)相關(guān)監(jiān)測(cè)部門(mén)的管理水平和工作效率。6. 心得體會(huì)回顧起此次設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，至今我仍感慨頗多。的確，從選題到定稿，從理論到實(shí)踐，在整整一個(gè)星期的日子里，可以說(shuō)得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多很多的的東西，同時(shí)不僅可以鞏固了以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在書(shū)本上所沒(méi)有學(xué)到過(guò)的知識(shí)。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來(lái)，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會(huì)服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中遇到問(wèn)題，可以說(shuō)得是困難重重，這畢竟第一次做的，難免會(huì)遇到過(guò)各種各樣的問(wèn)題，同時(shí)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對(duì)以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，對(duì)單片機(jī)的許多知識(shí)還掌握得不好，這次設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)后，一定把以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)重新溫故。參考文獻(xiàn)1.朱高中 基于單片機(jī)的礦井瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究 J. 儀表技術(shù)與傳感器. 2012(11)2.蘭建軍，倫向敏，關(guān)碩. 單片機(jī)原理，應(yīng)用與Proteus仿真 M. 機(jī)械