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1、测控技术与仪器专业综 合 课 程 设 计设计说明书班 级：学 号：姓 名：指导教师：电气工程学院2013年 1月 2日电气工程学院综合课程设计成绩评定表设 计 题 目基于单片机的瓦斯报警系统姓 名班级 答辩小组成员（职称）：说明书主要内容：本课题设计的是用单片机控制的瓦斯浓度报警监控仪，是采用热催化原理探头制成的瓦斯浓度测量仪，适用于中小型煤矿井下各作业场所中测量空气中的瓦斯浓度。仪器能够根据瓦斯浓度报警限(1.00%)进行声、光报警。仪器由单片机、敏感元件、A/D转换电路、显示电路、报警电路等组成。其中单片机是监控仪的核心，完成数据采集、处理、输出、显示等功能；敏感元件是准确检测瓦斯气体含量
2、的主要元件之一，其输出是与瓦斯浓度相对应的电压信号；A/D转换电路把电压信号由模拟信号变为数字信号送入单片机；显示电路则显示实时瓦斯浓度；报警电路对超限瓦斯浓度进行报警。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、操作方便的矿用瓦斯浓度监控仪。评定成绩： 答辩小组组长： 年 月 日目 次引言11 文献综述21.1瓦斯监测的现状21.2瓦斯监测的发展方向22 总体设计方案32.1系统组成32.2 工作原理33 具体实施方案43.1瓦斯检测设备43.1.1瓦斯浓度检测仪的分类43.1.2 热催化元件的结构及工作原理63.1.3 整机的工作
3、原理123.2 A/D转换电路123.2.1 ADC0809的介绍123.2.2引脚功能133.2.3主要特性143.3 单片机的概述153.3.1 8031简介153.3.2单片机复位电路163.3.3单片机中断系统173.3.4 8031单片机对ADC0809的接口193.2.5系统电源203.2.6 气体传感器22参考文献26附录：27引言国内对瓦斯的检测以CH4检测为主,毒气的检测以CO检测为主;而国外用可燃性气体的检测代替单一CH4气体的测量,毒气包括H2S的测量。单从我国技术发展上来说，我国在瓦斯监测监控系统的应用上起步较晚，上世纪80年代初才从国外引进了这一系统，而且仅用于部分国
4、有重点煤矿，所以就瓦斯监测监控系统而言，目前也存在着不够完善的地方：第一，我国煤矿的瓦斯灾害防治技术虽已处于世界先进水平，但防灾抗灾的安全仪表和装备的技术水平与国外相比差距较大。第二，受技术条件限制，许多煤矿的瓦斯监测数据无法传输给集团公司或上级主管部门，仍未建立全集团或整个地区的瓦斯监测监控网络。第三，已安装的瓦斯监测监控系统型号各异，信号传输方式不尽相同，有的采取时分制，有的采取频分制，还有的利用载波传输，给系统的管理、使用、维护以及联网带来诸多不便。第四，由于瓦斯监测监控系统对气体传感器的精度、性能、稳定性方面的要求越来越高，因此对气体传感器的研究和开发也越来越重要。多年来的实践证明，瓦
5、斯浓度的监测监控器在监测煤矿井下安全状况，防范安全隐患方面起着重要作用，充分发挥其作用，是我国煤矿安全形势实现好转的关键。近年来，国有重点煤矿瓦斯爆炸事故较少的原因之一，就是绝大多数煤矿的高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井安装了瓦斯浓度监测监控系统。综上所述，瓦斯浓度监测监控系统所要实现的功能包括根据所选的瓦斯传感器来设定瓦斯浓度预警值，采集瓦斯浓度并进行浓度显示及处理。当实际浓度超限时进行声光报警并同时控制排风扇进行排风以降低浓度含量。所以开发设计出一种操作简单的瓦斯监测监控器，对有效的预防和减少瓦斯爆炸具有非常现实的意义。1 文献综述1.1瓦斯监测的现状国内对瓦斯的检测以CH4检测为主,毒气的检测以
6、CO检测为主;而国外用可燃性气体的检测代替单一CH4气体的测量,毒气包括H2S的测量。单从我国技术发展上来说，我国在瓦斯监测监控系统的应用上起步较晚，上世纪80年代初才从国外引进了这一系统，而且仅用于部分国有重点煤矿，所以就瓦斯监测监控系统而言，目前也存在着不够完善的地方：第一，我国煤矿的瓦斯灾害防治技术虽已处于世界先进水平，但防灾抗灾的安全仪表和装备的技术水平与国外相比差距较大。第二，受技术条件限制，许多煤矿的瓦斯监测数据无法传输给集团公司或上级主管部门，仍未建立全集团或整个地区的瓦斯监测监控网络。第三，已安装的瓦斯监测监控系统型号各异，信号传输方式不尽相同，有的采取时分制，有的采取频分制，
7、还有的利用载波传输，给系统的管理、使用、维护以及联网带来诸多不便。第四，由于瓦斯监测监控系统对气体传感器的精度、性能、稳定性方面的要求越来越高，因此对气体传感器的研究和开发也越来越重要。1.2瓦斯监测的发展方向随着我国电子技术以及各项科学技术的飞速发展，作为保证我国煤矿安全生产的有效措施之一的煤矿瓦斯监测监控技术在科研和应用方面必定会在原有基础上不断的加以完善，并取得长足的发展。为了满足安全生产的需求，随着先进科学技术的应用，气体传感器发展的趋势应该是微型化、智能化和多功能化。2 总体设计方案2.1系统组成此次设计的煤矿瓦斯监测报警器的系统框图如下所示：主要由气体传感器、A/D转换器ADC08
8、09、单片机8031、LED显示电路、声光报警装置和附件电路组成。2.2 工作原理在催化元件电源端加上一正电压，使催化元件开始工作，输出与瓦斯浓度相对应的电压信号，送到A/D转换，A/D转换电路将模拟信号转换为数字信号送入CPU, CPU对采样值进行数值计算，处理后，驱动显示器显示出被测气体中的瓦斯浓度值，若被测气体中瓦斯浓度超过报警电路预定的数值时，报警电路即发出声、光报警信号。3 具体实施方案3.1瓦斯检测设备 3.1.1瓦斯浓度检测仪的分类(1)光干涉式光干涉式是利用光波对空气和瓦斯折射率不同所产生的光程差，引起干涉条纹移动来实现对不同瓦斯浓度的测定。其优点是准确度高，坚固耐用，校正容易
9、，高低浓度均可测量，还可测量二氧化碳浓度；其缺点是浓度指示不直观，受气压温度影响严重；光学零件加工复杂，成本较高和实现自动检测较困难。(2)热催化式热催化式是利用瓦斯在催化元件上的氧化生热引起其电阻的变化来测定瓦斯浓度。其优点是元件和仪器的生产成本低，输出信号大，对于1%气样，电桥输出可达15mV以上，处理和显示都比较方便，所以仪器的结构简单，受背景气体和温度变化的影响小，容易实现自动检测。其缺点是探测元件的寿命较短，不能测高浓度瓦斯，硫化氢及硅蒸气会引起元件中毒而失效。目前国内外检测瓦斯的仪器广泛采用这一原理。(3)热导式热导式是利用瓦斯与空气热导率之差来实现瓦斯浓度的测定。其优点是热导元件
10、和仪器设计制作比较简单，成本低、量程大，可连续检测，有利于实现自动遥测，被测气体不发生物理化学变化，读数稳定，元件寿命长。其缺点是测量低浓度瓦斯时输出信号小，受气温及背景气体的影响较大。(4)红外线式红外线式是利用瓦斯分子能吸收特定波长的红外线来测定瓦斯浓度。其优点是采用这一原理的仪器精度高，选择性好，不受其它气体影响，测量范围宽，可连续检测；其缺点是由于有光电转换精密结构，使制造和保养产生困难，而且体积大，成本高，耗电多，因此推广使用受到一定限制。(5)气敏半导体式气敏半导体的种类较多，如氧化锡、氧化锌等烧结型金属氧化物。这一原理是利用气敏半导体被加热到200时，其表面能够吸附瓦斯而改变其电
11、阻值来检测瓦斯浓度。其优点是对微量瓦斯比较敏感，结构简单、成本低。但当浓度大于1%CH4时，其反应迟钝，选择性和线性均较差，所以很少用于煤矿井下瓦斯浓度的检测，而多用于可燃气体的检漏报警。(6)声速差式在温度为22、气压为101325Pa条件下，声波在瓦斯中的传播速度为432m/s，而在清洁空气中为3m/s。比较这两种速度就可测定高浓度瓦斯。其优点是读数不受气压影响，对背景气体、粉尘及气温变化很敏感，其缺点是不适合测量低浓度瓦斯，一般只用来检测矿井抽放瓦斯管道中的瓦斯浓度。根据设计要求及各类检测仪的优缺点，本课题设计采用热催化式工作原理。 3.1.2 热催化元件的结构及工作原理3.1.2.1热
12、催化元件的结构载体催化燃烧式传感器一般被制成一个便于测量的探头，探头可以单独设置，也可以作为一个独立单元装配在仪器内使用7。探头内部的主要元件是黑元件(催化元件)和白元件(补偿元件)，两个元件分别配置在电桥电路中，作为一组桥臂，另一组桥臂是两个固定电阻，作为电桥的比率臂。与黑白元件相对应，为使电桥在无瓦斯状态下处于平衡状态，桥路内装有调零电位器W。此外，传感器电源应是经过稳压的稳压源。这种敏感元件的外观图见图3-1，其具有抗气体干扰能力强、选择性好、反应速度快、灵敏度高、线性和稳定性好、功耗低、寿命长等特点。适用于煤矿井下作业环境测量空气中的瓦斯气体浓度。图3-1 热催化元件外观图(1)元件使
13、用环境条件温度：-20+70湿度：95%RH风速：2mV(4)传感器对多种可燃气体的敏感特性图3-2表示CH4气体敏感元件对各种气体的反应关系，从图上我们可以看出敏感元件输出电压与对各种气体浓度之间具有较好的线性关系。图3-2 传感器对各种气体的反应关系(5)温湿度的影响1)恒定湿热试验：40，95%RH，96小时(见图3.3)。Y轴表示Vo的输出电压值。图3-3 恒定湿热实验图2)低温试验见表3-1（气敏元件在040的环境下维持4小时的数据）表3-1 低温试验记录 代表传感器输出出现振幅在02.5V之问的振荡波型，见图3-4图3-4 传感器震荡波形(6)高浓度瓦斯试验将O一7#传感器置于10
14、%的瓦斯环境中2小时，放气前后的数据状态。表3-2 高浓度瓦斯试验放气前后的数据(7)稳定性 l)初始稳定性a.在空气中的初始稳定性 贮存一周到一年的元件初始零点输出可能不为零，只需在工作点电压稳定十分钟后输出零点将归零b.在气体中的稳定性贮存一周到一年的元件刚开始下作时灵敏度可能达不到最佳点，只需在工作点电压稳定二十分钟后输出灵敏度将复原2)长期稳定性图3-5 长期稳定性3.1.2.2敏感元件工作原理黑元件载体催化燃烧式元件，当瓦斯气体在元件表面与氧气产生无焰燃烧时，电桥失去平衡，输出一个电压信号。白元件是补偿元件，基本结构和技术参数与黑元件相同，但表面不涂镀催化剂，不参加低温燃烧。但由于白
15、元件处于与黑元件相同的工作环境中，所以，对非瓦斯浓度变化引起的催化元件阻值变化起补偿作用，以提高仪器零点稳定性和抗干扰能力。黑白元件的工作原理：使用时一般将黑白元件串联，作为电桥的一臂，用普通电阻构成电桥的另一臂，电桥的两端加上稳定的工作电压U。当含有瓦斯的空气在高温和催化剂的作用下，发生无焰燃烧，而在白元件上则不致使瓦斯燃烧，从而使黑元件的温度比白元件的温度高，黑元件中的铂丝既是加热元件，又是感应温度的热敏元件，根据铂丝的正温度系数的特性，温度升高时电阻增大，黑元件上的电压降即增大，电桥失去平衡，输出一个电压信号U，该电压值的大小反映了瓦斯浓度的高低，检测此电压便可测量出瓦斯浓度。图3-6 黑白元件的基本测试电路根据黑白元件的工作原理，设计电
