矿井瓦斯检测系统

测控技术与仪器专业综合课程设计

设计说明书

班级：12表2

学号：201214040210

姓名：王志远

指导教师：

电气工程学院

年月日

电气工程学院综合课程设计成绩评定表

目录

引言 (1)

1 文献综述 (2)

1.1 本课题的研究背景及意义 (2)

1.2 国内外发展概况及研究方向 (3)

2 总体设计方案 (4)

2.1系统概述 (4)

2.2 系统框图 (4)

2.3工作原理 (5)

3 具体实施方案 (6)

3.1 瓦斯气体检测电路 (6)

3.2 中心控制模块 (7)

3.2.1 8031引脚功能 (8)

3.2.2 8031程序存储器 (9)

3.2.3 8031数据存储器 (10)

3.3 AD模数转换 (11)

3.4系统检测结果的显示 (13)

3.5数据通信 (16)

3.5报警电路 (17)

3.6看门狗 (17)

参考文献 (18)

引言

能源工业是一个国家经济发展的命脉。近年来，随着石油价格的飙升，煤炭行业的重要地位和不可替代性也日益显现。然而，中国煤炭行业的安全形势却不容乐观，尤其是重、特大煤矿事故屡见报端。随着我国经济的发展，能源的需求量大大增加，刺激了煤炭产业的发展。但是由于井下环境恶劣，近年来，我国煤矿瓦斯爆炸事件频繁发生，瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出等灾害，严重威胁着煤矿的安全生产和数百万名矿工的生命安全，给人民生活和国家经济建设带来巨大影响。在这些事故中，瓦斯爆炸占绝大多数。这其中，固然有很多诱发因素，但是煤矿生产企业安全监测设备不完备、管理手段落后是造成事故的重要因素之一。

目前，我国所有煤矿均为瓦斯矿井。瓦斯灾害已成为制约我国煤矿安全生产和煤炭工业发展的重要因素。这从一个侧面告诉人们，在我国，只要控制住瓦斯，就可有效减少煤矿事故。

多年来的实践证明，煤矿瓦斯监测监控系统是控制瓦斯事故的重要管理工具，它不仅能够准确地检测甲烷含量,当被测气体中甲烷浓度超过预定数值时,自动发出报警，提醒井下人员立刻离开。使煤矿采取有针对性的防范措施，还可立即切断危险区域内的电源，避免事故发生。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监测监控系统。

所以，设计开发瓦斯浓度实时监测系统是非常有必要的，它能在瓦斯超限时或在矿井中缺少氧气并低于报警限时进行声光报警，并且可以远程显示，告知井下瓦斯和氧气超限的实际情况，使安全局主要负责人对矿主、安检员、某些矿的负责人进行监管，督促他们认真贯彻煤矿安全规程，实现自动监管功能，进而更好的促进工业的发展。

1 文献综述

1.1 本课题的研究背景及意义

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，瓦斯，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

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，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。

2 总体设计方案

2.1系统概述

随着超大规模数字集成电路、单片机技术的飞速发展，利用单片机及其它外围芯片实现对瓦斯的监测成为一种可能，并且成为一种发展趋势。它具有体积小、操作简单、安装方便、功能较齐全等优点，而且性能价格比也很高，应用前景非常广泛。因此此次设计整体上是基于单片机来实现煤矿瓦斯浓度监测报警。我设计的是基于单片机的井下瓦斯浓度检测MQ-5传感器，该系统以单片机8031为核心，包含甲烷浓度采样器、存储器的扩展、AD 转换、看门狗、数据输出、拓展借口、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，提醒生产人员离开，避免生产事故。

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，单片机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。

2.2 系统框图

此次设计的瓦斯浓度检测系统是由气体传感器、AD 模数转换、8031单片机、外部程序存储器、外部数据存储器、LCD 显示电路、报警等电路构成，其系统框图如下：

图1

系统框图

2.3工作原理

该系统正常工作时，通过控制瓦斯气体传感器对瓦斯气体进行实时的检测，输出与瓦斯浓度相对应的电压信号，送至AD转换器进行转换，AD转换器将模拟信号转换为相应的数字信号后送人8031单片机，单片机对采样的值进行计算、处理、与预先在单片机中设置的报警数值相比较，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，工作人员即可采取相关措施，以防发生瓦斯爆炸等相关危险。

3 具体实施方案

3.1 瓦斯气体检测电路

本设计中，主要检测的气体为瓦斯气体的浓度，并且瓦斯爆炸浓度范围为5%-16%，MQ-5测量的浓度范围是2%-50%，所以选取MQ-5气体传感器可以很好的检测出气体的浓度。MQ-5气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。

MQ-5气体传感器对丁烷、丙烷、甲烷的灵敏度高，对乙醇烟雾基本不响应，对甲烷和丙烷可较好的兼顾。这种传感器可检测多种可燃性气体，特别是天然气，并且有快速的恢复响应、长期的使用寿命、可靠的稳定性、测试电路简单等特性，是一款适合多种应用的低成本传感器。

图 2 MQ-5结构图

MQ-5气敏元件的结构和外形如图2所示,由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有６只针状管脚，其中４个用于信号取出，２个用于提供加热电流。

由于MQ-5传感器对不同种类、不同浓度的气体有不同的电阻值。因此在使用此类传感器时，灵敏度的调整很重要，对于此款传感器可以选用1000ppm异丁烷或氢气来校准。设计的电路图如下：

图3 瓦斯浓度检测电路

3.2 中心控制模块

本次设计所选用的控制芯片为8031单片机，尽管这是一款被淘汰的单片机，但是对其外部拓展的学习设计也是有一定意义的。8031单片机引脚图如下：

图4 8031单片机

3.2.1 8031引脚功能

（1）主电源引脚Vss和Vcc

① Vss接地

② Vcc正常操作时为+5伏电源

（2）外接晶振引脚XTAL1和XTAL2

① XTAL1内部振荡电路反相放大器的输入端，是外接晶体的一个引脚。当采用外部振荡器时，此引脚接地。

② XTAL2内部振荡电路反相放大器的输出端。是外接晶体的另一端。当采用外部振荡器时，此引脚接外部振荡源。

（3）控制或与其它电源复用引脚RST/VPD，ALE/,和/Vpp

① RST/VPD 当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平（由低到高跳变），将使单片机复位，在Vcc掉电期间，此引脚可接上备用电源，由VPD向内部提供备用电源，以保持内部RAM中的数据。

② ALE/PROG:引脚30,地址锁存有效信号，其主要作用是提供一个适当的定时信号，在它的下降沿用于外部程序存储器或外部数据存贮器的低8位地址锁存，使总线P0输出/输入口分时用作地址总线（低8位）和数据总线,此信号每个机器出现2次,只是在访问外部数据存储器期间才不输出ALE。所以，在任何不使用外部数据存贮器的系统中，ALE以1/6振荡频率的固定速率输出，因而它能用作外部时钟或定时。

③ RST/VpD:引脚9，复位输入信号，振荡器工作时，该引脚上2个机器周期的高电平可以实现复位操作。

④ /Vpp 、/Vpp为内部程序存储器和外部程序存储器选择端。当/Vpp为高电平时，访问内部程序存储器，当/Vpp为低电平时，则访问外部程序存储器。

⑤ P0.0～P0.7:通道0，它是8位漏极开路的双向I/O通道，当扩展外部存贮器时，这也是低八位地址和数据总线，在编程校验期间，它输入和输出字节代码，通道0吸收/发出二个TTL负载。P1.0～P1.7:通道1是8位拟双向I/O通道，在编程和校验时，它发出低8位地址。通道1吸收/发出一个TTL负载。P2.0～P2.7:通道2是8位拟双向I/O通道，当访问外部存贮器时，用作高8位地址总线。通道2能吸收/发出一个TTL负载。P3.0～

P3.7:通道3准双向I/O通道。通道3能吸收/发出一个TTL负载，P3通道的每一根线还有另一种功能：

P3.0:RXD，串行输入口。

P3.1:TXD，串行输出口。

P3.2:INT0，外部中断0输入口。

P3.3:INT1，外部中断1输入口。

P3.4:T0，定时器/计数器0外部事件脉冲输入端。

P3.5:T1，定时器/计数器1外部事件脉冲输入端

P3.6:WR，外部数据存贮器写脉冲。

P3.7:RD，外部数据存贮器读脉冲。

3.2.2 8031程序存储器

由于8031单片机片内不含程序存储器，必须添用片外程序存储器，再用到地址锁存器，才能构成一台完整的计算机。因此严格说，它称不上是“单片”机。8031本身、片外程序存储器与地址锁存器组成一个真正可用的、未曾拓展的最小系统。本次设计所用的片外程序存储器为2764，2764是8K*8字节的紫外线镲除、电可编程只读存储器，单一+5V供电，工作电流为75mA，维持电流为35mA，读出时间最大为250nS，28脚双列直插式封装外部程序存储器。它的各引脚的含义为：A0-A12为13根地址线，可寻址8K字节；O0-O7为数据输出线；CE为片选线；OE为数据输出选通线；PGM为编程脉冲输入端；Vpp是编程电源；Vcc是主电源。正常工作（只读）时，Vpp=Vcc=+5V,～PGM=+5V。编程时，Vpp＝+25V（高压），～PGM端加入宽度为50ms的负脉冲。其引脚图如下：

1、以书面形式撰写设计说明书。

2、设计说明书中应包括以下内容：

1）题目背景与意义。与题目相关的领域内近10～20年的国内外20～40篇相关文献进行阅读、分析和总结，基本掌握本题目领域国内外发展动态和研究水平；

2）题目的总体设计方案；

3）题目的具体实施方案；

3、课程设计报告应于19周前半周完成，19周后半周进行答辩。

本页不用，删除

目次

目次

引言 (1)

1 文献综述 (2)

1.1 ［单击此处键入2级标题］ (2)

1.1.1 ［单击此处键入3级标题］ (2)

1.2 ［单击此处键入2级标题］ (2)

2 总体设计方案 (4)

2.1 ［单击此处键入2级标题］ (4)

3 具体实施方案 (7)

参考文献 (8)

引言

1 文献综述

1.1 ［单击此处键入2级标题］

1.1.1 ［单击此处键入3级标题］

本部分主要说明题目的背景与意义，介绍其他研究人员的设计方案。

1.2 ［单击此处键入2级标题］

式工具栏”的中

2 总体设计方案

中的“图表标题”样式即可。图

表1 设计钢的化学成分（质量百分比，%）

Table 1 Chemical compositions of designed steels (mass%)

C Mn Si N V 合金I 0.1 1.0 <0.2 0.01 0.1

中的“图表标题”样式即可。