常州机电职业技术学院 毕业设计（论文） 作者：学号： 系部：信息工程系 专业：应用电子技术 题目：基于单片机的矿用气体传感器的设计与应用 指导者： 评阅者： 2014 年5 月 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 中 文 摘 要 随着我国经济的快速发展，各行各业对煤炭的需求急剧增加，而各种矿难事故的 发生， 使得煤炭安全生产面临严峻的挑战人们对矿内环境问题及工作人员健康问题 日益重视，矿内空气品质状况受到越来越多的关注本文针对瓦斯的特点，设计出同 时监测高低浓度的瓦斯系统，全天候不间断的对井下瓦斯浓度进行监测同时采用声 光报警系统，一旦瓦斯超标，系统立即提醒正在井下作业的工人紧急撤离，避免人员 伤亡，并且还运用红外遥控系统来进行远程监控设计这种智能传感器采用闭环控制 来确保采样的平稳该传感器以 AT89C51 单片机为核心，实现对瓦斯的检测、报警和 控制，安全可靠，经久耐用，适合各类煤矿瓦斯的监控，可以大大降低煤矿事故的发 生，降低企业成本，提高煤炭开采率，为我国煤炭事业做出贡献 关键字：AT89C51瓦斯数码管 目录 1绪论.1 1.1 系统简介.1 1.1.1 本文的主要研究内容1 1.1.2 本文的结构安排1 1.2 项目提出的背景.2 1.3 国内外研究状况.3 1.4 测量仪器仪器概况.5 1.4.1 测量仪器的概念.5 1.4.2 测量仪器的基本性能.5 2 矿内环境品质的基本介绍.6 2.1 矿内主要污染物.6 2.2.安全质量标准6 3 矿内空气传感器的原理及主要元器件.7 3.1 甲烷浓度检测仪原理分析7 3.2AT89C51 单片机简介.10 3.2.1 单片机选用.10 3.2.2 AT89C51 单片机的扩展14 3.3 瓦斯传感器的选用.14 4矿内空气传感器的硬件.17 4.1 实时时钟模块17 4.2 放大电路.17 4.3 模数转换电路的模块.18 4.4 看门狗电路20 4.5 声光报警电路的设计.22 4.6 数码管显示电路设计.23 4.7 电源电路设计.24 4.8 本章小结.24 5矿内空气传感器的软件设计.25 5.1 系统软件设计思路.25 5.1.1 总体设计思想.25 5.1.2 编程语言的选择26 5.2 软件模块设计.26 5.2.1 主程序模块26 5.2.2 AD 转换模块27 5.2.3比较判断函数.28 5.2.4 显示报警函数29 5.2.5 液晶显示模块29 5.2.4 声光报警模块30 5.3 本章小结.30 结 论.30 致谢.30 附录 A32 1 1绪论绪论 1.11.1 系统简介系统简介 1.1.1 本文的主要研究内容 本课题设计的是基于单片机的井下瓦斯浓度智能传感器，该系统以单片机 AT89C51 为核心，包含甲烷浓度采样器、把 220V 的交流电转换成 5V 的直流电源、存 储器的扩展、LCD 显示器和报警装置等组成。
该传感器可以有效的监测井下低浓及高 浓瓦斯，试用范围非常广泛监测到的信息传输到单片机，经单片机处理后发出指令， 如果瓦斯超过规定值，该系统可以立即发出声光报警并自动发出执行指令以降低瓦斯 浓度 该系统可有效的降低瓦斯事故发生率， ，结构灵活，扩展性强，具有较高的性价 比，AT89C51 的应用实现了电子硬件设计的“软件化” ，大大的提高了系统的可靠性和 抗干扰能力，非常实用于各种大小煤矿井下瓦斯的监测监控，性能优良，经久耐用， 可靠性高 1.1.2 本文的结构安排 第一章是文章概述介绍了该课题提出的必要性和国内外研究水平与动向以及测 量仪器的基本性能，同时给出整个论文的结构安排 第二章是矿内空气品质的基本介绍阐述了矿内污染物种类及来源分析矿内环境 品质监测方法及安全质量标准 第三章是对瓦斯传感器的原理及主要元器件单片机及敏感原件的简介 第四是硬件设计阐述了该传感器的基本原理以及对组成系统的单片机、时钟电 路、敏感元件、小信号放大电路、A/D 转换电路、通信电路以及看门狗监控电路都作 了详细介绍 第五是软件设计介绍了软件设计采用的方法和所遵循的原则，并给出了部分主 要程序的软件流程图及程序。
2 1.21.2 项目提出的背景项目提出的背景 从我国煤炭生产的现状及我国能源结构规划均可看出，在本世纪中叶以前，煤炭 仍是支持我国国民经济发展的主要能源，煤炭生产，作为我国能源工业的支柱，其地 位将是长期的、稳定的，但是煤炭工业的安全生产状况却不容乐观，中小型煤矿的情 况尤为严重，已经直接威胁到整个煤炭工业的稳定生产，给国家财产和人民生命造成 了很大的损失，作为“万恶之首”的甲烷爆炸事故更是重大事故发生率之首在去年 又接连发生了多起甲烷爆炸事故，事故的结果触目惊心，因此通过强化甲烷管理，提 高通风、甲烷检测监控水平，已成为中小型煤矿甲烷检测监控的最迫切的任务之一 煤矿生产安全监控系统，是目前为止实际通风甲烷管理工作中最重要和最有效 的自动化手段，已经装备监控系统的煤矿的甲烷事故发生率大为下降，实践证明，煤 矿生产安全监控系统对保障煤矿安全生产，提高煤矿生产率，提高煤矿自动化程度以 及促进煤矿管理现代化水平，都有着举足轻重的作用 煤矿生产安全监控系统虽在国内已有生产和应用，但还没有一种真正适合于中小 型煤矿使用的产品，我国从八十年代初期开始引进煤矿生产安全监控系统，历经了直 接引进、消化吸收、仿制配套、自主开发的过程，但迄今为止的产品大多都是面对大 型矿井设计的，而且自身尚有一些有待解决的问题，如: 造价高，系统最基本的配置过于庞大，运行费用大 传感器测量稳定性差，调校频繁，寿命短 系统安装、维护复杂，操作不便，人机界面较差 系统设备可靠性差 必须依赖专业的维护队伍，对人员技术，素质有较高的要求。
国外的监控系统技术理论上讲高于国内发展水平，但应用于国内煤矿尚有一定的 局限性，如煤矿管理模式生产方式的不同，价格过高不适于国内煤矿现有条件，除在 传感器技术方面可供借鉴外，其它仅具一定参考价值 综上所述，开发研制适用于中小型煤矿生产安全监控系统的任务迫在眉睫，而根 据我国煤矿生产和管理模式，依照我国的有关技术标准，其技术的先进性、产品的可 靠性和实用性则是本项目的关键所在 沼气(甲烷 CH4 的俗称)矿井在我国煤矿生产矿井中所占比重很大，随着矿井开采强 度和深度的增加，沼气涌出量也在不断增加，沼气积聚可能引起沼气事故，及时掌握煤 3 矿井下沼气动态是一件十分重要的工作甲烷浓度传感器就是用来监视矿井沼气动态的 有效工具鉴于沼气在矿井中存在的普遍性及其可能造成灾害的严重性，甲烷浓度传感 器在煤矿是数量最多，使用最普遍的安全传感器，而且也是煤炭系统研制种类最多的仪 器，需要说明的是，由于我国煤矿习惯把甲烷叫做瓦斯，因此检测甲烷浓度的仪器，有 的叫瓦斯检定器，有的又叫沼气检定器，在这里，甲烷，沼气和瓦斯是同义词 1.31.3 国内外研究状况国内外研究状况 随着我国国民经济的不断发展，对煤炭需求量也越来越大，这就使得煤矿的安 全生产面临着一个十分严峻的问题。
煤矿矿难事故屡屡发生，造成的原因有很多，其 中不少是因为瓦斯爆炸引起的为了防止瓦斯爆炸事故的发生，除了加强井下作业人 员的管理，改善井下的作业环境外，还必须建立一个性能可靠的瓦斯监控系统 煤矿瓦斯是指矿井中主要由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体的总称有时 也单独指甲烷瓦斯在空气的体积分数达到一定的程度（5%～12%）时，在一定条件 下可与空气中的氧气发生剧烈的化学反应而形成瓦斯爆炸，对煤矿安全构成严重威 胁 矿井瓦斯监测监控技术是伴随着煤炭工业发展而逐步发展起来的1815 年，英 国发明的世界上第一种瓦斯监测仪器——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，美国研制了检测瓦斯浓度的敏感元件—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， 如 20 世纪 70 年代后期法国研制的 CTT63/40U 矿井监控系统、 英国的 MINOS 系统、 美国的 SCA—DA 系统等 我国矿井瓦斯监控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定仪、 风表等携带式仪器检测井下环境参数20 世纪 60 年代初期，我国开始研制载体催化 元件，随着敏感元件制造水平的提高和电子技术的发展，特别是大规模集成电路、微 型计算机的广泛应用，使监控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随后，陆续研制了便携式瓦斯监控检测报警仪、 瓦斯报警矿灯1983 年至 1985 年，从欧美国家先后引进了数十套监控系统及配套的 4 传感器和便携式仪器装备煤矿矿井，并相应地引进了部分监控系统、传感器和敏感元 件制造技，由此推动了我国矿井安全监测监控技术的发展1983 年以后，国内有多种 型号矿井监控系统通过了技术鉴定，逐步实现了对煤矿矿井安全、生产多种参数的连 续监测、监控、数据存储和数据处理近几年，随着计算机的发明和应用，特别是网 络和信息化建设的不断发展，给瓦斯治理提供了机遇条件，煤矿瓦斯监控网络系统应 运而生这些装备和系统的推广与应用，丰富了我国煤矿安全监控 产品的市场，改 善了煤矿安全技术装备的面貌，缩小了我国与国外先进技术水平的差距。
传统的煤矿瓦斯监控系统大体可以分为两大部分：井下部分和井上部分井下部分 主要通过各种检测设备（各种传感器，如风量传感器、负压（压力）传感器、一氧化碳 传感器和矿用设备开停传感器等）来采集井下各种气体的浓度与含量、井下空气状况、 设备的运转情况等数据，然后通过现场总线将数据传输到井上在井上，井下传上来的 数据通过专线与煤矿安全管理办公室服务器和更高一级安全主管部门服务器连接服务 器上面运行的是监控软件上面有井下每一个传感器的标签，所显示的数据通过上传数 据的改变而不断刷新同时，监控软件还可以对这些数据进行汇总、处理、分析和存档， 可以作为相关负责人员决策的重要依据并且监控软件具有超标自动报警功能，用来提 示工作人员对设备的故障或现场瓦斯浓度情况， 以及时采取措施， 避免重大事件的发生 煤矿瓦斯监控系统系统的意义不言而喻以山西省为例，近几年，特别是 2006 年 以来，山西省煤炭系统在党和各级政府及安全部门的重视下，全省煤矿信息化工作有了 新发展，取得了新成绩特别是由瓦斯监测监控系统建设所形成的全省煤矿四级信息网 络平台，是计算机网络及信息技术用于瓦斯安全治理的一项创举，极大的促进了山西煤 炭信息化工作。
山西省煤炭系统 2005 年底累计安装使用瓦斯监控系统 3868 套目前， 该省国有重点煤矿 121 座矿井全部安装了瓦斯监测监控系统，并全部联网运行，运 行率达100% 地方煤矿现有 2806座矿井全部安装了瓦斯监测监控系统， 已连网运行2671 座这些系统的运用，极大的降低了煤矿瓦斯事故 由此可知， 为了最大限度的降低煤矿瓦斯事故的发生， 除了对工作人员严格要求外， 加紧建设煤矿瓦斯监测监控系统必不可少，它对预防瓦斯事故的发生具有举足轻重的作 用 5 1.41.4 测量仪器仪器概况测量仪器仪器概况 1.4.1 测量仪器的概念 煤矿安全仪器是用来检查测量矿井安全状况的物质手段什么是测量呢?测量是人 们对自然界的客观事物取得数量观念的一种认识过程在这一过程中，借助于专门的技 术工具，通过实验方法，求出以所采用的测量单位表示的未知量的数值大小测量的目 的是为了在限定的时间内尽可能正确地收集被测对象未知信息，以便掌握被测对象的参 数及控制生产过程例如，在采煤机上安装采煤机瓦斯断电控制仪它不仅可以连续监 测采煤机附近风流的。