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1、华北科技学院毕业设计（论文）目录设计总说明IDesign specificationIV1绪论11.1本课题的研究背景及意义11.2国内外发展概况和研究方向21.3课题主要研究内容与要求42 系统总体设计方案52.1系统设计模块52.2系统功能描述63 硬件设计73.1硬件系统设计73.2信号采集电路73.2.1瓦斯传感器的种类73.2.2 催化燃烧法83.2.3载体催化燃烧式传感元件结构93.2.4 什么是黑白元件103.2.5 载体催化元件工作检测电路103.3 本章小结123.4 传感器的选择123.4.1 MJC4/3.0L型传感器技术指标143.4.2 MJC4/3.0L的基本测试电
2、路153.4.3 MJC4/3.0L型传感器的特点163.5 A/D转换电路173.5.1 A/D转换器的种类173.5.2 A/D转换器的主要技术参数223.5.3 ADC0809的内部逻辑结构223.5.4 ADC0809引脚结构233.5.5 ADC0809应用说明263.6 显示电路263.7 声光报警电路273.8 单片机最小系统283.9 电源5V稳压电路设计314 软件设计324.1 概述324.2 系统流程图324.2.1 各子函数的设计344.2.2 编程语言的选择355 protues仿真37参考书目42致谢43附录44华北科技学院毕业设计（论文）设计总说明本次设计的目的是
3、设计一个便携式的瓦斯监测仪器，用于煤矿工作中测量瓦斯浓度和进行声光报警。浓度测量范围为0-4%，并可以通过LED或者LCD直观的显示出来。报警浓度为1%，当检测仪器显示的浓度为1%或1%以上的话报警灯和蜂鸣器就会启动。设计用到的工具有；计算机，protues软件，keil软件，以及参考文献若干。Keil软件是进行编程和输出仿真可用的程序文件，protus则是用于画电路图和进行仿真验证设备功能是否能够达到。在设计的过程中，本着与实践相结合的原则对设计进行优化处理，比如运算放大器的实际放大并不是全程线性放大，浓度也不一定是稳定值等等方面。结合实际对数据出来进行了优化。而设计的背景及意义则是结合实际
4、情况，方便煤矿安全生产和运行，降低和摆脱瓦斯事故的威胁：煤炭一直是国名经济的命脉，是社会发展不可或缺的基础资源。中国的电力、冶金、建材、化工等行业都离不开煤炭。保障煤炭供应是我国宏观调控的重要政策之一，因此提高煤矿产量对我国经济发展至关重要。一直以来我国煤矿以“安全第一，预防为主”为主要方针。而瓦斯威胁着安全生产。而就我国的地质现状，瓦斯矿井分布较多，而且不论大小煤矿瓦斯矿井的数目不容小视，伴随着开采深度的增加，瓦斯的涌出量呈现出增长状态。在每年的煤矿事故中，瓦斯事故依然占有很大比重。为了做到防范于未然，实时监测瓦斯浓度并及时做出应对措施显得极其重要。在实际生产中：矿井总回风巷或一翼回风巷的瓦
5、斯浓度最高不超过0.75%，否则必须查清楚原因，然后进行解决，并报告工程师。采区、采媒工作面回风巷中瓦斯浓度不得超过1%时，若浓度超过1%时务必终止工作，工作员工必须离开，然后矿总负责人采取制定解决方案，尽快处理。机械化、水采和煤层厚度小于08米的保护层的采煤工作面的风流，在经过优化处理后，若工作面回风巷中的瓦斯浓度仍处于1%上，其瓦斯的浓度最高为15（需经过最高负责人的允许），在这种情况下，甲烷气体的浓度不得超过此浓度。采掘工作面的风流瓦斯浓度如果到1%，电钻得停止工作；要放炮时，如果处于放炮地点附近20米内风流中的瓦斯浓度达到1%时，则放弃放炮。采掘工作面和电动机及其开关地点附近20米以内
6、的风流瓦斯浓度达到15时，工作面必须切断工作电源，处理问题，直到处理完毕；且电动机必须处于关闭状态，撤出所有闲杂人等进行解决问题，解决完毕再开放工作。采掘工作面半立方米的空间容聚的瓦斯浓度高于2%时，不得有人，不能有用电设备，而且尽快处理问题。装有断电仪的采煤机械化采掘工作面内，机器周围环境的浓度达到1%是发出警报，超过1.5%时必须断电停止工作。本设计以单片机为核心，结合煤矿工作面回风巷等工作环境的实际情况，能够实现对煤矿不同工作区域的瓦斯监测报警，提醒工作人员时刻处于安全瓦斯浓度环境内工作。而且能直观透过LED数码显示管显示瓦斯的浓度，结构简单合理，便于携带。该检测仪仪AT89C51单片机
7、为中央处理器，能够通过三位LED数码管显示浓度值，并在1%浓度时发出报警并改变指示灯的状态（绿灯为安全浓度，红灯为超出安全浓度状态）。本设计包括信号采集、信号放大、数模转换、LED显示、声光报警和按键调节六个模块。信号采集模块的核心是甲烷传感器MJC4/3.0，该传感器输出电压呈现线性，有较快响应速度，选择性、重复性较好，除此外元件运行稳定可靠，还能抗硫化氢中毒。催化燃烧法运用的是热名电阻宇热电阻变化改变电路电阻，从而与固定电阻桥产生电压差，电压差会随着电阻的变化而变化，等同于气体能度越大输出的电压差越大，而MJC430L型催化元件根据原理就是是催化燃烧反应。由于在实际使用中，运算放大器并不是
8、完美线性放大，因此在传感器与运算放大器连接的线路上进行了正比控制，将采集模块的输出电压控制在放大器的稳定先行区间。信号放大模块则是一个由集成运放组成的原件，此设备用的是INA122放大器，INA122内部其实是2个运算放大器串接而成，并可外接一个电阻用于调节放大增益G,只需要将INA122的输出端接到模数转换器的输入端即可。而转换器的输入端只需选通对应数模口即可。至于模数转换电路则主要通过ADC0809来实现，传感器和放大电路传输的电压信号经过ADC0809后转换为数值信号传入单片机，我设计的检测仪选通IN0口，即将ADD1、ADD2、ADD3端口均接低电平从而选通IN0,即图中将3个口全部接
9、地。按输入电压百分比转化数量信号，经过单片机的P2口输出显示到数码管。经过程序内写运算，可将输出数值显示位百分比对应的数值。应为信号在传输过程中均与浓度值成正比因此并不会影响结果检测结果。显示模块采用3位LED数码管显示。因为检测范围为0-4%，个位数只需要一位即可，然后精确到百分位。至于显示的数值由单片机IO口输出的数值有关，而数据来源是ADC08069的输入，也就是气体引起的电压信号变化。经过程序写入，数码管直接显示的是气体百分比形式下的浓度值。而百分号则标注于仪器的显示屏右边即可，提示使用者一起的单位是百分比浓度单位。而声光报警则是用于伴随浓度变化而选择开启和关闭的量，本设计将灯光报警和
10、声音报警分开设计，声音与灯光各自独立，正常状态下绿灯亮，报警浓度下则红灯亮，至于报警浓度，默认为1%,有2个按钮可以调节报警浓度（可选为1.5%和0.75%）红灯亮时蜂鸣器发声，设定了蜂鸣器的开关可选择关闭。这样方便在达到危险是组织撤离，也可达到提醒检测人员关注瓦斯浓度值。其中蜂鸣器是可接三极管，也可直接接IO口，在直流高电位的输入下即可发出一定频率的声音。按键模块是为了将检测仪用于不同的工作环境中而增设的人性化模块，由于不同的工作地区和工作环境要求检测的安全浓度不同，因此为了适应工作需要，就必须队报警浓度进行设置，为了节省调节时间以及结合实际要求特意增设两个按键用于设定固定的报警浓度值。接于
11、单片机的IO，在程序内实现控制功能，按键按下时设定为对应报警浓度，至于防止同时按下可通过硬件实现，此处不做赘述。至于仪器的供电，因为是携式设备所以使用供电。为了保证电压稳定，特意设计了以LM317为核心的稳压模块，保证其输入电压的稳定，能够在过电压和欠电压的状况下仍然能够稳定运行。至于调节测量仪器的误差，可以用样本气体调节传感器的灵敏度来实现。在软件设计上，主要是控制ADC0809的转换和LED数码管的显示问题，而是否报警通过判断语句来实现。程序使用的是C语言编程，程序包括：初始化最小系统，定义各个引脚，赋予其外围功能；启动模数转换器，将模数转换器的结果传输到中央处理器；中央处理器对数据进行处
12、理，一方面包括数据运算换为浓度数值，一方面包括判断是否超标，以及送去给LED显示。若瓦斯超过设定值就对声光报警的IO口输出进行控制，达到报警效果。我使用的是keil软件编程，界面简单，而且会直接的显示错误与警告，方便修改程序内容，而且只需要对软件进行设置就可以输出hex文件，在protues中单片机的仿真用的就是hex文件，这样可以进行实时调试与模拟，节省了时间和精力。可以实时的对程序和电路进行优化。在安全方面，此设备在设计时已经对参数的设定进行规范，在本质上是安全的，在故障或正常工作均不会点燃周围爆炸性物体。能够实现电器防爆。因此此设备不需要防爆外壳，从而缩小了体积和重量，使设备结构简单。经
13、过几个月的设计，在指导教师的帮助下，经过多次修改和优化，最终完成了一个结构简单的便携式瓦斯监测设备，可供煤矿工作人员检测周围的瓦斯浓度并在瓦斯浓度超标的情况下发出警报提醒工作人员撤离现场，保护人员的生命和财产安全。当然本设计仍然有不足之处，在实际使用中，温度也是影响设备运行的不可忽视的因素，而本设计中并没有考虑到温度变化对设备功能的影响，也没有加入对抗温度干扰的模块，在后续设计中会尽量完善。使其更加精确可靠。而且在设计输入的时候只有一路输入，这样会产生较大的误差，而在安全面前是不能有误差的，因此要转变为实物还需要加以优化，使煤矿工作者的人身财产安全达到100%保障。关键词：单片机，瓦斯，报警D
14、esign specificationThe purpose of this design is to design a portable gas detection instruments, used in coal mine work to measure the gas concentration and sound and light alarm. Concentration range of 0-4%, and can be displayed by LED or LCD intuitive. Alarm concentration is 1%, when the concentra
15、tion of the testing instrument display of 1% or more than 1% of the lamp and the buzzer will start. Design tool has used; Computer, protues software, keil software, as well as the reference number. Keil software is programmed, and output simulation program files, available protus device is used to draw circuit diagram and simulation can reach. In the process of design, in line with the principle of combining with practice of optimized design, such as enlarge the actual operational amplifier is not linear amplification, the concentration is not necessarily the stable
