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1、 目 录第1章 绪论11.1 选题背景11.2 矿井中的气体简介1第2章 设计方案论证22.1 本系统的实现目标22.2 主要器件22.3 系统组成框图3第3章 系统硬件电路设计43.1 信号检测处理传输通道设计43.2频压转换电路设计73.3 电源电路设计103.4 89C51单片机133.5 MT8888芯片应用183.6 看门狗电路设计233.7 红外遥控电路设计253.8 显示接口电路设计273.9 报警系统和频率输出28第4章 系统软件流程设计294.1程序流程图294.2 INT1、T0中断服务程序流程图30致 谢31参 考 文 献32附录 电路原理图3334第1章 绪论1.1 选
2、题背景1.1.1选题来源与目的多年来，瓦斯问题一直是煤矿安全生产的主要问题之一，不仅严重威胁矿工的生命财产安全，也严重制约着经济的发展。据不完全统计，06年全国煤矿发生大小瓦斯爆炸事故400多起，死伤2000 余人。当前我国煤矿的安全形势依然严峻，煤矿死亡人数居高不下，重大事故不断发生，对国家造成了极其严重的影响。1.1.2 煤矿瓦斯监控系统在现实中的意义近几年来，国家对煤矿安全生产的管理力度在不断加强，煤矿生产单位都在进行数字化矿井的建设和改造，当然，这些需要依靠科技进步手段提高煤矿整体安全技术装备。其中在瓦斯矿井建立煤矿瓦斯安全监控系统，从而改善了煤矿的安全隐患，减少了矿难的发生，确保了煤
3、矿工业的安全生产。总之，煤矿的安全系数是与瓦斯监控系统的性能成正比的。1.2 矿井中的气体简介瓦斯主要是矿井中由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体，有时单独指甲烷(沼气)，它是在煤的生成和煤的变质过程中伴生的气体。它无色、无味、无臭，瓦斯对空气的相对密度是0.554，在标准状况下，瓦斯的密度为0.716 kgm3，所以，它经常积聚在巷道的上部及高顶处。甲烷含量达515%时，则随时可能发生瓦斯爆炸。瓦斯的爆炸性是矿井主要灾害之一。瓦斯爆炸产生的高温高压，促使爆源附近的气体以极大的速度向外冲击，破坏巷道和器材设施，扬起大量煤尘并使之参与爆炸，产生更大的破坏力。另外，爆炸后生成大量的有害气体，造成人员
4、中毒死亡。第2章 设计方案论证2.1 本系统的实现目标2.1.1 定时检测功能 系统定时对矿井中的瓦斯浓度进行巡检，时间不超过20s。当发生异常情况控制执行时间不超过30s。2.1.2 技术要求瓦斯（CH4）浓度的测量精度为0.1分。测量范围低浓度部分0-4分,高浓度部分4-10分。具有声光报警功能。矿井下和矿井上信息通讯功能。2.2 主要器件2.2.1 传感器目前，矿井中常用的瓦斯传感器可分为热导式和热效式两大类。热导式瓦斯传感器是利用瓦斯与空气的热导系数不同而测量瓦斯浓度的。这种传感器在于工作时需通入恒定的电流，将其加热到一定的温度（180左右），功耗较大；且其中的半导体热敏电阻式传感器受
5、CO2和水蒸汽的影响较大，元件的一致性和互换性也较差。热导式瓦斯检测仪在测低浓度时，输出信号很小，误差较大。因此，这类传感器制成的瓦斯检测仪适用于测高浓度的瓦斯（5%-100%），这中传感器在矿井中目前使用很少。由于本设计主要应用在矿井中低浓度瓦斯的检测，因此在本系统中不考虑使用此传感器进行浓度检测。热效式瓦斯传感器（又称热催化式瓦斯传感器），其中工作原理是利用可燃气体在催化剂的作用下进行无焰燃烧，产生热量，使元件电阻因温度升高而发生变化，从而测知瓦斯的浓度。这种传感器的优点是精度较高，输出信号较大（1%CH4时，输出电压可达15-20mV）且不受其它燃气和灰尘存在的影响。它的缺点是元件表面温
6、度高（300-450），寿命短（多数国家均保证1年），功耗大（其加热功率小于1W；热催化元件功耗为0.3W-0.75W）,易受硫,铅,氯等的化合物干扰而使催化剂中毒,降低其灵敏度,甚至误报。但此传感器适合本设计所要实现的检测目标，且精度较高，输出信号较大，所以选择其作为本系统的瓦斯浓度检测元件。2.2.2 DTMF信号接收和发送MT8888双音多频（DTMF）信号的传输速度较快，使得它广泛应用于各种通信和控制系统中。与MT8880相比，能与更多型号的单片机配合，而且外部电路简单，因此在必须同时具备DTMF信号接收和发送功能的系统中备受青睐。2.3 系统组成框图 智能低浓度瓦斯报警器以89C51
7、单片机为中央处理单元，由检测电路（测量电桥、前置放大电路、V/F转换电路）、LED显示、红外发射电路、声光报警以及DTMF信号转换电路等单元电路组成。原理框图如图2-1所示。图21电路原理框图第3章 系统硬件电路设计3.1 信号检测处理传输通道设计图31 为信号检测处理传输通道图图31 信号检测传输通道图3.1.1传感器本系统中传感器是对瓦斯浓度检测元件，采用能检测瓦斯浓度的黑白元件。白元件接在黑元件的相邻桥臂，并与黑元件处于同一环境，用以抵消供给电桥电流和环境等非沼气因素的变化所引起的催化元件阻值的变化，从而提高了测量桥路零点的稳定性和抗干扰性。图32 黑白件传感器取样电路图3-2黑白件传感
8、器取样电路中R1是白元件，R4是黑元件。四个电阻构成一个电桥。白元件在桥路中起补偿作用，用它来补偿气体热传导，风速，空气湿度及电源电压变化对桥路输出的影响。黑元件是载体催化元件，在矿井中的瓦斯与加热到工作温度的黑元件接触时，在黑元件表面进行催化氧化反应，使元件温度升高，内阻相应发生变化，这种变化可与瓦斯浓度成正比例关系。随着瓦斯浓度的增加，黑元件R4的阻值增加，电桥输出电压也随之增加。至此，就将采集到的瓦斯浓度成功的转换为电压信号。输出电压的计算方法如下：图33 信号采集电桥将图3-2的信号采集电路变换为如图3-3所示的电桥电路。根据有关公式可知，输出电压Vout的计算公式为：Vout=U/4
9、（R1/R1-R2/R2+R3/R3-R4/R4） （3-1）在这个设计中，R1，R2，R3 均为阻值不变的电阻（白元件变化微小，计算时可忽略不计）。所以公式变为：Vout=3/4（-R4/R4） （3-2）即 Vout=-3/4黑元件阻值变化率 上式对放大和压频转换电路的系数确定上起着重要作用。3.1.2信号放大电路设计在报警仪的信号采集电路中，它的输出电压是带有负号的，为了消除这个负号，故将电压由LM358的反相输入端输入。由于LM358的输入电压是信号采集电路中电桥桥臂之间的电压差，所以将LM358接成减法器的形式。图3-4为信号采集后的低、高浓度的信号调理电路。图34 低浓度信号放大电
10、路图35 为高浓度放大电路图35 高浓度放大电路由于以上电路涉及到信号放大电路和压频转换电路放大倍数的确定，现以图3-4电路为例，推导如下：假设信号放大电路和压频转换电路的（放大）系数分别为K1和K2。根据设计要求：当浓度为0分时，要求芯片LM331输出频率为0Hz；当浓度为4分时，要求芯片LM331输出频率为3200Hz。可是在实际运用中，当浓度为0分时，芯片LM331输出的频率为400Hz，并不是0Hz；当浓度为4分时，芯片LM331输出的频率为3600Hz。所以芯片LM331输出电压与输出频率的关系为：F=K2*Vin+400=360，所以K2*Vmax.in=3200 （3-4）由实验
11、得知电阻的变化率为最大5%，代入上节提到的公式（2）Vout=3/4*(-R4/R4)有 Vout=3/4*(-5%)=-3/80又因为Vmax.in=Vout*K1，代入公式（4） Vout*K1*K2=3200 （3-5）即K1*K2=-3200/3/80=-256000/3所以，选信号放大电路的系数K1为-100，即选择电阻R28为1K，R30为100K。则压频转换电路系数K2=FOUT/VIN=2560/3令RL=6.8K, CT=0.01uF, RT=100K,则根据公式（3）有RS=2.096.8K0.0110-6100K2560/3=12.1276K即RS=10K，滑动变阻器为R
12、S=5K3.2频压转换电路设计3.2.1 V/F转换器 LM331简介V/F转换器芯片能够把电压信号转换为频率信号而且线性度好，通过计算机处理，把频率信号转换为数字信号完成A/D转换。它与AD574等电路相比，具有接线简单，价格低廉，转换精度高等特点，而且LM331芯片在转换过程中不需要软件程序驱动，这与AD574等需要软件程序控制的A/D转换电路相比，使用起来方便了许多；另外频率测量本身就是一个计数过程，V/F转换过程是对信号输入的不断积分，因而能对噪声或变化的输入信号进行平滑处理，这一特性有利于煤矿下复杂的恶劣环境；还可以将数据调制在射频信号上进行无线传播，实现遥测。 图36为 LM331
13、的逻辑框图。图36 LM331的逻辑框图3.2.2 LM331的工作原理 图37 为LM331工作原理图。图37 LM331工作原理图LM331的工作原理是输入比较器在比较输入点Vin与VX时，启动单脉冲定时器并导通频率输出晶体管和开关电压源，定时器的定时周期t=1.1RtCt，在这个周期中电流向电容CL充电，使VX上升，当VX上升到VXVIN，电流i关断，定时器自行复位，同时，CL逐渐通过RL放电直到VXVIN 为止，然后比较器再次启动定时器，开始下一个循环。V/F转换定时波形如图3-5，由于注入CL平均电流严格地等于IAVE=itFOUT，流出CL 的电流严格的等于VX/RLVIN/RL。
14、如果VIN加大一倍，输出频率FOUT也要加大一倍以保持平衡，因此，这种V/F转换器能在一个较宽范围内，使其输出频率严格地正比与输入电压。由IAVE=itFOUT =VX RL/VIN/RL 可知 FOUT= IAVE/ it=VX/RLVIN/RL=RSVIN/2.09RLCTRT 有 RS=2.09RLCTRTFOUT/VIN （3-3）图38 V/F转换定时波形LM331的实际设计电路图如图3-9所示：图39 LM331的硬件连接电路在电压输入端7脚由100K电阻和0.1F电容组成低通滤波电路。R23对基准电流进行调节，以校正输出频率，在输出端3脚上接有一个10K上拉电阻，因为该端输出时集电极开路输出。 由于传感器一般都是模拟小信号的电流或电压输出，经过信号调节电路调节成能满足V/F转换器输入要求的大电压信号。经V/F 转换电路把这些模拟信号转换成相应的TTL频率信号，送入单片机的I/O口中的计数器输入端或中断源输入端上，以便用单片机进行信号处理。图310为信号检测传输传通道原理图。图310信号检测传输通道原理图3.3 电源
