便携式瓦斯检测仪课件

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1、便携式瓦斯检测仪设计,答辩人：xxxxx 专业：xxxxxxxxxxxx 班级：xxxxxxxxx 指导老师：xxxxxx,目 录,1、概述 2、瓦斯性质、爆炸条件及其检测方法 3、*系统的硬件设计 4、*系统的软件设计 5、总结 本设计的重点是第三章和第四章，主要对瓦斯检测单元部分进行软硬件的设计，并实现既定的功能,第一章 概述,1、本设计研究的目的和意义 2、国内外发展状况,本设计研究的目的和意义,（1）目的：瓦斯事故在煤矿事故中所占的比例越来越高。因此不把瓦斯事故控制住，就不能实现煤矿安全生产状况的稳定好转，也就无法保障煤炭工业的持续健康发展。所以，对煤矿中的瓦斯气体进行快速准确的检测显

2、得尤其重要，对瓦斯气体检测仪表的研究和开发也一直是人们关注的问题。 （2）意义：为了确保矿井的生产安全，防止瓦斯爆炸，国内外煤矿研究所开发出很多种类型的瓦斯检测仪，但目前已有的瓦斯检测仪器都普遍存在着体积较大、安装复杂、操作不便、智能化程度低等缺点。因此开发研制便于携带、多功能、精度高的智能型瓦斯检测仪对促进煤炭行业的安全生产具有重要的现实意义。,国内外发展状况,（1）国外： 瓦斯检测技术是随着煤炭工业发展而逐步发展起来的。1815年，英国发明了世界上第一种瓦斯检测仪器瓦斯检定灯。利用火焰的高度来检测瓦斯浓度；20世纪30年代，日本发明了光干涉瓦斯检定器，一直沿用至今；20世纪40年代，美国研

3、制了检测瓦斯浓度的敏感原件铂丝催化元件；1954年，英国采矿安全所研制了最早的载体催化元件。电子技术的进展推动了瓦斯检测控制装置的进一步发展。 （2）国内： 我国矿井瓦斯检测技术经历了从简单到复杂，从低水平到高水平的发展过程。从新中国成立初期到20世纪70年代，煤矿下井人员主要使用光学瓦斯检测仪，风表等携带式仪器检测井下参数。20世纪60年代初期，我国开始研制载体催化元件，随着敏感原件制造水平的提高，使检测技术进入了新的发展时期。20世纪70年代瓦斯断电仪问世，装备在采掘工作面，回风港道等井下固定地点，实现了对瓦斯的自动连续检测及超限自动切断被控制设备的电源的功能。随后，我国陆续对研制便携式瓦

4、斯提出了许多检测方法，如热传导法、半导体气敏传感器法、光干涉法、催化燃烧法等。以这些方法为基本原理研制出的各种检测仪器曾在不同的时期，不同的应用场合发挥过重要作用。 （3）结合国内外：通过了解国内外瓦斯检测系统的发展历史和发展现状，根据各种方法相对存在的缺点进行些许完善，从而要研究一套低成本、便于携带及高性价比的便携式瓦斯检测仪器，采用模块化设计方法完成控制系统软硬件设计来提高系统可靠性及稳定性的方法。,第2章 瓦斯的性质和爆炸条件 及其检测方法,1、瓦斯的性质 2、瓦斯爆炸及其条件 3、瓦斯的检测方法,瓦斯的性质,瓦斯的主要成分是沼气，一般煤矿瓦斯多指沼气（甲烷）。沼气是无色、无味、无臭的气

5、体；常温常压时呈气态；相对于空气的比重是0.554；难溶于水；扩散性较空气高1.6倍；无毒， 但浓度很高时，因氧含量减少会引起人窒息死亡；不助燃，在空气中达到一定浓度时（5%-16%CH4）遇高温能引起爆炸，引爆温度一般大于650，在空气中沼气浓度大于16%CH4时，遇火燃烧。沼气与氧气在高温下的反应是发光、放热反应，其反应方程式为：CH4+2O2=CO2+2H2O+882.6。正是由于瓦斯的性质特殊，所以它也具有两面性，例如矿井瓦斯作为城市煤气供应、矿井瓦斯发电等；但矿井瓦斯在井下的生产中却给我们带来了很大的麻烦。,瓦斯爆炸及其条件,1、瓦斯浓度 2、引火温度 3、氧的浓度,瓦斯的检测方法,

6、1、热传导法 2、半导体气敏传感器法 3、光干涉法 *4、催化燃烧法,*催化燃烧法 本文研究的便携式瓦斯检测仪即采用的催化燃烧法，采用的是催化热效应型气敏传感器，它具有体积小结构简单，使用方便的特点。,（1）载体催化燃烧式传感元件结构 催化剂 载体 铂丝线圈 （2）载体催化元件工作检测电路 载体催化元件一般由一个带催化剂的敏感元件（黑元件）和一个不带催化剂的补偿元件（白元件）构成。,第3章 硬件电路设计,1、系统硬件设计原理框图 2、传感器的选择 3、信号放大模块设计 4、A/D转换模块设计 5、单片机的选择 6、单片机的复位电路及看门狗电路设计 7、LED显示电路设计 8、键盘与接口技术 9

7、、报警电路设计 10、电源设计,硬件电路设计,该瓦斯检测仪由传感器、放大器、报警电路、A/D转换器、键盘、LED显示器、直流电压变换器等电路及高性能稳压器等部分组成。框图如右图所示。,传感器的选择,考虑到检测系统的性价比和便携性本设计采用型号为：MJC4/3.0L瓦斯检测传感器。外观图和结构图 如右图所示。 MJC4/3.0L型传感器的特点 1、桥路输出电压呈线性，响应速度快。 2、具有良好的重复性、选择性。 3、元件工作稳定、可靠，抗硫化氢中毒。,信号放大模块设计,如何减少噪声或把噪声与信号分离开来，是信号放大器设计的关键 。 如右图所示。本设计选择OP07做为放大电路的放大器，OP07是高

8、精度低失调电压的精密运放，常应用于微弱信号的放大电路。,由OP07组成的双运放高共模抑制比放大电路,由电路可得： Uo1=(1+R4/R3)Ui1 (1) (Uo1-Ui2)/R5=(Ui2-Uo)/R6 (2) 所以由式(1)和式(2)得： Uo=(1+R6/R5)Ui2-(1+R4/R3)R6Ui1/R5 (3) 又因为输入共模电压Uic=(Ui1+Ui2)/2，输入 差模电压Uid=Ui2-Ui1，将此带入式(3)可得： Uo=(1-R4R6/R3R5)Uic+1/2(1+2R6/R5+R4R6/R3R5)Uid (4) 为了获得零共模增益，式(4)右边第一项必须 为零，可取R3R5=R

9、4R6 此时，电路得差动闭环增益为：Kd=1+R6/R5 因为从传感器输出得电压信号090mv， 为了取得较大的A/D转换器输入信号，需要 对其放大，取R3=R6=5000 R4=R5=100，放大倍数为51倍。,1、ADC0809芯片,ADC0809是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换 。芯片的引脚图如右图所示。,A/D转换模块设计,单片机系统基本组成包括输入控制、输出显示、晶振、复位电路以及外围功能器件等 。,单片机的选择,1、AT89C51单片机的介绍,AT89C

10、51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS 8位微处理器。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。 AT89C51的引脚图 如右图所示。,2、单片机和ADC0809的硬件连接电路,ADC0809和单片机系统的基本组成主要有单片机和A/D转换器。其中单片机是系统的核心部分，单片机发出控制信号以启动 A/D转换器进行采样。系统的硬件设计在连接上应主要考虑三总线(控制总线、地址总线、数据总线)的连接。右图所示是一个A/D转换器与单片机的接口电路。图中A/D转换器选用的

11、是ADC0809，单片机则选用AT89C51。其中，ADC0809是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模数转换的器件 。,单片机的复位电路及看门狗电路设计,X25045芯片内包含有一个看门狗定时器，可通过软件预置系统的监控时间。在看门狗定时器预置的时间内若没有总线活动，则X25045将从RESET输出一个高电平信号，经过微分电路C1、R21输出，CPU的复位信号共有3个：上电复位(C14、R19)，人工复位(S1、R19、R20)和看门狗复位(C1、R21)，通过或门综合后加到RESET端。C14、C1的时间常数不必太大，有数百微秒即可，因为这时CPU的振荡器已经在工作 。看门狗硬件连接电

12、路 如右图所示。,LED显示电路设计,本设计采用4位LED动态显示方式。 所用的显示驱动器是MAX7219。它是串行输入/输出共阴极显示驱动器。它采用了3线串行接口，传送速率达到10M数据，能驱动8位七段数字型的LED或条形显示器或64只独立的 LED。引脚图如右图所示。,MAX7219和单片机的接口电路,用单片机AT89C51的P口中的P2.0、P2.1、P2.2，分别和MAX7219的DIN、CLK、LOAD相连，MAX7219的段输出A-DP，分别和共阴极数码管的A-DP相连。位驱动DIG0和数码管的地端COM1脚相连，位驱动DIG1和数码管的地端COM2脚相连，位驱动DIG2和数码管的

13、地端COM3脚相连，位驱动DIG3和数码管的地端COM4脚相连 。,键盘的设计,本设计采用查询扫描的工作方式本设计中，考虑到按键数目不多，单片机I/O口占用不多，因此采用独立式结构。键盘的电路图如右图所示。,报警电路设计,报警功能是煤矿安全检测系统很重要的功能，只要检测到实现井下瓦斯超限，就会发出声光报警功能。第一章已经介绍了瓦斯在浓度在4%-6%时就可能发生井下瓦斯爆炸，为了安全生产，规定当瓦斯浓度达到1%时就会发生声光报警。其报警电路如 右图所示。,电源设计,本设计需要设计+5V、-5V、+3V独立电源，用来给单片机和诸多数字电路提供电压。本设计采用3节3.6V可充电锂电池作为电源 。,1

14、、+3V稳压源的设计,+3V电压的实现需要LM317芯片。LM317作为输出电压可变的集成三端稳压块，是一种使用方便、应用广泛的集成稳压块。 用LM317实现+3V稳压电源，提供传感器工作电压。其稳压示意图如 右图所示。,2、+5V稳压源的设计,该稳压电源的设计需要芯片MAX756。MAX756是CMOS升压DC-DC开关小型，MAX756可接受一个输入电压,并将其转换为5V可选的输出电压。用MAX756实现+5V的稳压电路 如右图所示。,3、 -5V稳压源的设计,该稳压电源的设计采用芯片ICL7660来实现。电路图如下图所示。,以上设计便是系统的硬件电路设计，从传感器发出的微弱电压信号经由O

15、P07信号放大器的放大后经过A/D转换器转换为数字信号，将该数字信号经过单片机处理后送往LED显示出来，当瓦斯浓度达到报警极限是实现声光报警功能 。其总体电路图如右图所示。,第4章 系统软件设计,1、系统主程序流程图 2、A/D转换程序流程图,系统主程序流程图,系统所要实现的功能是将从传感器输出的微弱电信号通过信号放大器后的电压信号送入ADC0809进行A/D转换，并把转换后的数字量进行一定处理，转化为瓦斯浓度数值,最后通过单片机送LED显示器显示。系统主程序流程图 如右图所示。,2、A/D转换程序流程图,本设计采用ADC0809作为模数转换芯片，其模数转换程序流程图如右图所示。,结论,本文主要是向大家介绍一下针对瓦斯浓度的各种检测方法和便携式智能瓦斯检测仪的设计方法。 通过由黑白元件构成的传感电桥探测出瓦斯浓度信息的电讯号，然后加到比例放大器的输入端进行放大处理，放大了的信号送入A/D转换电路进行模数转换，再由LED显示器显示读数。键盘给出一个门限电压值，信号通过通讯传输到上位机进行下一步的处理。 其主要的功能及特点如下：设计的便携式瓦斯检测仪能实现数码管显示及声、光报警功能。具有操作简单、读数明显、测量准确、稳定性好，同时因为所采用了蓄电池作为电源部分，所以它可以随身携带，检测起来也是得心应手。,论文到此结束，谢谢各位老师！请各位老师批评、指导！,