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1、摘要本科毕业设计论文题目：基于51矿用瓦斯检测报警器 -硬件设计提示：（与“基于51矿用瓦斯检测报警器硬件设计”配套，也在百度文库里）基于51矿用瓦斯检测报警器硬件设计摘要本课题设计的是用单片机控制的甲烷浓度报警监控仪，是采用热催化原理(俗称黑白元件)探头制成的甲烷浓度测量仪，适用于中小型煤矿井、下各作业场所中测量空气中的甲烷浓度。仪器能够根据甲烷浓度报警限(1.00%)进行声、光报警，并启动排风设备，同时具有通信功能。仪器由CPU、敏感元件、看门狗监控电路、小信号放大电路、A/D转换电路、通信电路、显示电路、报警电路等组成。其中CPU是监控仪的核心，完成数据采集、处理、输出、显示等功能；敏感
2、元件是准确检测甲烷气体含量的主要元件之一，其输出是与甲烷浓度相对应的电压信号；小信号放大电路则是用来放大敏感元件输出的电压信号；A/D转换电路把放大了的电压信号由模拟信号变为数字信号送入CPU；显示电路则显示实时甲烷浓度；报警电路对超限甲烷浓度进行报警。该仪器的特点是测量范围宽，精度高；结构简单，成本低；可靠性和稳定性好，是一种电路设计新颖、参数测量准确、操作方便的矿用甲烷浓度监控仪。关键词：CPU；A/D转换电路；敏感元件；报警IAbstractBased On 51 Mine Gas Detection AlarmHardware DesignAbstractThis topic is d
3、esigned MCU control the concentration of methane alarm monitoring device, is a hot catalytic principle (commonly known as Black-and-White Components) probe into the methane concentration measuring instrument, applicable to small and medium-sized coal mines well, the next in the workplace measuring t
4、he concentration of methane in the air. According to the concentration of methane equipment to alarm limit (1.00 percent), sound, light alarm, and start ventilation equipment, communications function at the same time. Equipment from the CPU, sensitive components, the watchdog monitoring circuit, sma
5、ll-signal amplifier, A/D converter circuit, communication circuits, display circuit, alarm circuits and other components. Monitor CPU which is the core of the completion of data collection, processing, export, display, and other functions; sensitive components are accurate detection of methane gas i
6、n one of the main components, and its output is the concentration of methane corresponding to the voltage signal; small signal Larger circuit is used to enlarge the sensor output voltage signal; A/D converter circuit to enlarge a voltage signal from analog signals into digital signals into the CPU;
7、show circuit showed real-time methane concentration; alarm circuits to gauge methane concentration alarm. The instrument is to measure the characteristics of a wide range and high precision; structure is simple, low cost, reliability and stability, is a new circuit design, measurement accurate, easy
8、 to operate the mine methane concentration monitoring instrument.Keywords: CPU;A/D converter circuit; Sensitive components; AlarmII目录目录摘要（I）Abstract（II）1 绪论（1）1.1本课题的研究背景及意义（1）1.2国内外发展概况及研究方向（1）1.3矿用瓦斯检测仪硬件设计的构思及主要任务（2）1.4 本文论的结构安排（2）2 用瓦斯检测系统的技术指标及实现功能（3）2.1 煤矿气体检测技术系统概述（3）2.2 系统的设计要求（3）2.2.1 系统的设计
9、原则（3）2.2.2 技术指标要求（4）2.2.3 系统实现的功能（5）3 甲烷检测设备的工作原理分析（6）3.1甲烷浓度检测仪的分类（6）3.2 热催化元件的结构及工作原理（7）3.2.1热催化元件的结构（7）3.2.2敏感元件工作原理（10）3.3 整机的工作原理（11）4 矿用瓦斯检测报警系统的硬件设计（12）4.1 系统设计的原理框图（12）4.2微控制器CPU的选择（13）4.3遥控键盘部分设计（16）4.3.1红外遥控的发射电路（16）4.3.2红外遥控的接受电路（20）4.4 A/D转换检测电路（23）4.4.1 A/D转换器介绍（23）4.4.2 多路开关4051（24）4.5
10、显示部分电路（25）4.6声光报警电路（26）4.7看门狗监控电路（27）4.8系统电源电路（29）5 原理图的绘制和PCB板的完成（31）5.1 Protel 99 se 介绍及电路板的绘制（31）5.2系统布局（31）5.3系统布线（32）5.4去耦合电容配置（32）6 硬件联合调试（34）6.1调试结构图（34）6.2 本设计试验条件（34）6.3 硬件调试（35）6.3.1 电源电路模块的检测与调试（35）6.3.2 甲烷检测仪CPU的调试（35）6.3.4 A/D转换、显示电路的调试（35）6.3.5 声光报警电路的检测与调试（35）7 结论（36）致谢（37）参考文献（38）- 1
11、 -1 绪论1 绪论1.1本课题的研究背景及意义从我国煤炭生产的现状及我国能源结构战略规划均可看出，在本世纪中叶以前，煤炭仍将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，目前煤炭工业的安全生产状况却很差，其中之一便是有害气体的危害性，包括CH4，CO，SO2等。瓦斯(CH4)是煤矿井下危害最大的气体，它是在成煤过程中形成并大量贮存于煤层之中的气体，无色、无味，有易燃、易爆等特点。瓦斯的危害主要表现为三个方面：第一、瓦斯浓度过高，对工人身体健康造成伤害，表现为缺氧，呼吸困难，窒息等；第二、瓦斯煤尘爆炸，瓦斯爆炸所产生的巨大冲击波和高温火焰，往
12、往导致群死群伤，而且扬起的煤尘又会参与爆炸，摧毁巷道，毁坏设备，甚至毁灭整个矿井，给国家和人民生命财产造成巨大损失。第三、大量的瓦斯排入大气，污染大气环境。目前我国已经使用的瓦斯报警矿灯具有体积小、结构简单、安装方便等优点，但存在的问题是传感器漂移大，要定期维护，并且需要维护的周期很短；维护方法复杂，成本较高，抗机械干扰能力较差。为了解决这些问题，本课题在分析模拟式瓦斯报警器特点的基础上，充分利用51单片机的强大功能，对瓦斯浓度进行实时采集、数据处理，对瓦斯传感器进行实时自校零、非线性补偿，对提高瓦斯检测的可靠性和系统的性价比具有十分重要的意义。1.2国内外发展概况及研究方向伴随气体传感器的发
13、展，气体监测仪器不断更新。其类型根据监测对象可分为可燃性气体监测仪，毒性气体监测仪和氧气监测仪等；从仪器结构和方法上分为袖珍式，便携式和固定式。袖珍式仪器的采样方法为扩散式，用于在危险环境中的工作人员随身携带；便携式仪器采样方法为泵吸式，用于监测人员定期安检；固定式仪器用于煤矿井下固定地点气体监测。世界各国均有煤矿瓦斯气体监测的系统，如波兰的DAN6400、法国的TF200、德国的MINOS和英国的Senturion-200等，其中全矿井综合监测控制系统有代表性的产品有美国公司生产的MSN系统，德国BEBRO公司的PROMOS系统。但是这两种系统只是基于井下监测，并无数据上传，不能实现智能化监
14、控。国外的监控系统技术虽然高于国内发展水平，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，价格过高等。因此，除在传感器技术方面可供借鉴外，其它仅具一定的参考价值。我国监测监控技术应用较晚，80年代初，从波兰、法国、德国、英国和美国等引西安工业大学学士学位论文进了一批安全监测系统，装备了部分煤矿在引进的同时，通过消化、吸收并结合我国煤矿的实际情况，先后由重庆煤科院、辽宁抚顺煤科院等国内知名煤矿科学研究所研制出KJ2、KJ4、KJ8、KJ10、KJ13、KJ19、KJ38、KJ66、KJ75、KJ80、KJ92、KJ95、KJ101等煤矿有害气体监测系统，在我国煤矿己有大量使用，
15、但其中很大一部分仪表的传输数据是模拟方式，将气体浓度转化为脉冲量，易受矿井下强电磁设备干扰，造成监测结果不准确，易出现误报警等现象。1.3矿用瓦斯检测仪硬件设计的构思及主要任务目前的甲烷检测仪，除了在检测方法上的选择有不同之外，在甲烷检测仪的硬件选择上也各不相同。而本次设计主要任务就是甲烷检测仪的硬件电路的设计，这里甲烷检测仪的硬件部分采用AT89C52单片机控制。经过对比和综合考虑，遥控键盘的设计采用HS0038芯片，通过红外遥控对信号进行发射和接收，在这之前要对电源进行转换。具体设计是将220V交流经过整流后转换为12V的直流，再经过34063芯片将12V的直流电压转换为所须的5V直流电源。经过黑白元件以及桥式电路后，甲烷浓度被采集成电压信号U，要显示出当前的甲烷浓度，需要经过A/D转换，在以前的学习中重点接触的是AD574等逐次比较式的转换方式，但是经过各种性能的比较，尤其是抗干扰性能的比较，本课题设计采用了双斜积分式，为方便设计和直面的检测到甲烷的浓度，选用四个LED作为显示器。经过构思目前的主要任务是根据要求选择相应的元器件、设计电路图、安装、调试，设计出符合要求的甲烷检测议硬件电路，从而
