基于FPGA的便携式甲烷浓度测试仪的设计2
便携式甲烷检测仪的操作规程
便携式甲烷检测仪的操作规程便携式甲烷检测仪是一种便携式气体监测仪器，用于检测环境中甲烷气体的浓度。
使用便携式甲烷检测仪需要遵循一定的操作规程，以确保安全有效地进行气体检测。
下面是便携式甲烷检测仪的操作规程：1. 准备工作：- 确保便携式甲烷检测仪已经充电，并且电池电量充足。
- 检查甲烷检测仪的传感器是否完好，没有损坏或污损。
- 检查甲烷检测仪的操作按钮和显示屏是否正常工作。
2. 确定检测区域：- 根据需要，选择需要检测甲烷气体的区域。
- 确保检测区域的环境条件符合使用甲烷检测仪的要求。
3. 打开甲烷检测仪：- 按下甲烷检测仪的开关按钮，使其开启。
- 检查显示屏上是否正常显示甲烷浓度和其他相关信息。
4. 采样：- 将甲烷检测仪的传感器朝向待测区域，确保传感器可以与环境中的气体接触。
- 在待测区域进行采样，让传感器接触空气中的气体。
5. 监测甲烷浓度：- 观察甲烷检测仪的显示屏，记录显示的甲烷浓度数值。
- 如果甲烷浓度超过预定的警戒值或危险值，务必立即采取相应的措施，如撤离人员、通风等。
6. 数据记录与分析：- 如有需要，可以将甲烷检测仪连接到电脑或其他设备上，将测量数据传输并进行记录与分析。
7. 关闭甲烷检测仪：- 在使用结束后，按下甲烷检测仪的关闭按钮，将其关闭。
- 检查甲烷检测仪的电量是否需要充电，若需要请及时充电。
- 清洁甲烷检测仪的传感器和外壳，并妥善存放。
在操作便携式甲烷检测仪时，还需要注意以下事项：1. 遵循使用手册：- 在进行便携式甲烷检测仪操作前，务必仔细阅读和理解使用手册中的操作指南和安全注意事项。
2. 个人安全：- 在进行气体检测时，应佩戴个人防护装备，如手套、面具等。
- 遵守现场安全规定，确保人身安全。
3. 校准和维护：- 定期对便携式甲烷检测仪进行校准，以确保其准确性和可靠性。
- 如发现检测仪有故障或损坏，请立即停止使用，并及时联系维修人员进行修理。
4. 储存与运输安全：- 在不使用甲烷检测仪时，请妥善储存，放置在干燥、阴凉、通风的地方，避免阳光直接照射和高温环境。
单片机甲烷浓度监测仪硬件设计
第1章概述1.1 项目提出的必要性和国外研究水平和动向从我国煤炭生产的现状及我国能源结构规划均可看出，在本世纪中叶以前，煤炭仍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，但是煤炭工业的安全生产状况却不容乐观，中小型煤矿的情况尤为严重，已经直接威胁到整个煤炭工业的稳定生产，给国家财产和人民生命造成了很大的损失，作为“万恶之首”的甲烷爆炸事故更是重大事故发生率之首。
在去年又接连发生了多起甲烷爆炸事故，事故的结果触目惊心，因此通过强化甲烷管理，提高通风、甲烷检测监控水平，已成为中小型煤矿甲烷检测监控的最迫切的任务之一。
煤矿生产安全监控系统，是目前为止实际通风甲烷管理工作中最重要和最有效的自动化手段，已经装备监控系统的煤矿的甲烷事故发生率大为下降，实践证明，煤矿生产安全监控系统对保障煤矿安全生产，提高煤矿生产率，提高煤矿自动化程度以及促进煤矿管理现代化水平，都有着举足轻重的作用。
煤矿生产安全监控系统虽在国已有生产和应用，但还没有一种真正适合于中小型煤矿使用的产品，我国从八十年代初期开始引进煤矿生产安全监控系统，历经了直接引进、消化吸收、仿制配套、自主开发的过程，但迄今为止的产品大多都是面对大型矿井设计的，而且自身尚有一些有待解决的问题，如:造价高，系统最基本的配置过于庞大，运行费用大传感器测量稳定性差，调校频繁，寿命短系统安装、维护复杂，操作不便，人机界面较差系统设备可靠性差必须依赖专业的维护队伍，对人员技术，素质有较高的要求。
国外的监控系统技术理论上讲高于国发展水平，但应用于国煤矿尚有一定的局限性，如煤矿管理模式生产方式的不同，价格过高不适于国煤矿现有条件，除在传感器技术方面可供借鉴外，其它仅具一定参考价值。
综上所述，开发研制适用于中小型煤矿生产安全监控系统的任务迫在眉睫，而根据我国煤矿生产和管理模式，依照我国的有关技术标准，其技术的先进性、产品的可靠性和实用性则是本项目的关键所在。
第二节便携式甲烷检测仪及其使用汇编
便携式甲烷检测仪的使用
• 3、使用时应注意的事项 • (3)对仪器的零点、测试精度及报警点应定 期(一周或一旬)进行校验，以便使仪器测量 准确、可靠。 • (4)热催化(热效)式瓦斯检定器不适宜在含有 H2S的地区以及瓦斯浓度超过仪器允许值的 场所中使用，以免仪器产生误差或损坏。
2019年3月7日星期四
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便携式甲烷检测仪的种类
• • • • • 按检测原理来进行分类，主要分为三大类： 热催化(热效)式 热导式 半导体气敏元件式 便携式甲烷检测报警仪的测量范围一般在0～ 4.O％CH4或0～5.0%CH4 • 测量误差为：0～1.0% CH4时,±0.1%CH4； 1.0%～2.0%CH4时，±0．2%CH4；2.0%～4.0%时， ±0.3%CH4。
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热催化(热效)式
• 热摧化元件是用铂丝按一定的几何参数绕 制的螺旋圈、外部涂以氧化铝浆并经锻烧 而成的一定形状的耐温多孔载体。其表面 上浸渍一层铂、钯催化剂。因为这种检测 元件表面呈黑色，所以称黑元件。除黑元 件外，在仪器中还有一个与黑元件结构相 同，但表面没有涂催化剂的补偿元件，称 白元件。
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热催化(热效)式
• 黑白两个元件分别接在一个电桥的相邻桥 臂上，电桥的另两个桥臂分别接入适当的 电阻，测量电桥如下图所示。
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热催化(热效)式
又称无 焰燃烧
• 当一定的工作电流通过检测元件时，其表面即 被加热到一定的温度，当含有瓦斯的空气接触 到黑元件表面时，便被催化燃烧，燃烧放出的 的热量又进一步使元件的温度升高，使铂丝的 电阻值明显增加，于是电桥就失去平衡，输出 一定的电压Uc。在甲烷浓度低于4%的情况下， 电桥输出的电压与瓦斯浓度基本上呈直线关系， 因此可以根据测量电桥输出电压的大小测算出 瓦斯浓度的数值；当瓦斯浓度超过4％时，输 出电压就不再与瓦斯浓度成正比关系。所以按 这种原理做成的甲烷检测报警仪只能测低浓度 的瓦斯。
便携式智能甲烷检测报警仪
男 ４ １岁 工程师
维普资讯
山 西
电
子
技
术
２０ ０ ６年
在丝编程 ， 适合很 宽的工作电压范围使用 ， 器件优 良、 性能稳
定、 大大提高了可靠性 、 降低 了故障率。显示 电路 由四个数
码管及 驱动电路构成。报警 电路 由蜂鸣器 、 高亮度发光管及 驱动电路构成。
１ ｍ） ０ 。
繁， 使用便携式智能甲烷检测报警仪， 轻便、 灵活、 经济、 使用
方便 、 于携 带 ， 便 在生产实践 中非常实用。
６ ）分辨率 ： ．１ Ｈ Ｏ ０ ％Ｃ ４ ７ ）仪器充满电后 ， 连续工作时间不少于 ９ 。 ｈ
８ ）电池最高开路电压 ： ）４２ 容量 １６ ｈ ≤Ｉ ．Ｖ， Ｃ ． Ａ
７ ）零点 自动跟踪功能 。
８ 具有欠压 自 ） 动关机功能 。
９ ）具有 甲烷测量数据存储功能 。 １ ）具有 甲烷测量 数据 回放 功能。 ０
仪器硬件电路 由前置测 量 电路 和单片 机及外 围 电路 组
成 。前置测量 电路 由稳 压 电源 、 化元 件组 成 的惠 斯顿 电 催 桥、 差动前置 放大 电路构成 。电源 电路 采用美 国 ＭＡ Ｘ公司
成， 惠斯顿 电桥完成 甲烷 浓度到 电信号 的转换 ， 由差分 电路 完成对小信号的放大 ， Ａ 由 ＶＲ单 片机完成 Ａ Ｄ转换和数据 ／
便携式甲烷检测仪及其使用
检测仪应具备高精度、高稳定性 的特点，能够准确反映矿井内的 气体分布情况，为预防瓦斯爆炸 等事故提供科学依据。
燃气泄漏检测
在燃气输配和使用过程中，管道和设 备可能发生泄漏，导致甲烷等气体外 泄。便携式甲烷检测仪能够快速检测 燃气泄漏，保障居民和公共安全。
检测仪应具备灵敏度高、响应速度快 的特点，以便及时发现泄漏并采取措 施，防止气体浓度过高引发事故。
05
便携式甲烷检测仪的发展趋势
技术创新
传感器技术
微型化技术
随着传感器技术的不断发展，便携式 甲烷检测仪的精度和稳定性得到显著 提高，能够更准确地检测甲烷浓度。
随着微型化技术的发展，便携式甲烷 检测仪的体积和重量不断减小，更便 于携带和使用。
智能化技术
通过引入智能化技术，如物联网、云 计算等，便携式甲烷检测仪可以实现 远程监控、数据实时传输和智能分析 等功能，提高检测效率。
环境监测
在环保领域，便携式甲烷检测仪可用于监测大气、水体等环境中的甲烷浓度，评 估其对环境和生态的影响。
检测仪应具备广泛的量程范围和良好的抗干扰能力，以适应不同环境下的监测需 求，为环境保护和治理提供数据支持。
03
便携式甲烷检测仪的使用方法
操作步骤
开机检查
开启仪器，检查显示屏是否正常显示，确保 电源充足。
防水措施
在潮湿环境使用时，采取防水 措施保护仪器。
维护与保养
清洁仪器
定期用干燥的布擦拭仪器表面 ，保持清洁。
更换电池
根据电池寿命及时更换电池， 确保仪器正常工作。
存储环境
存放在干燥、无尘、无强烈磁 场的环境中。
联系专业人员
如遇故障，请联系专业人员进 行维修。
04
便携式甲烷检测仪
便携式甲烷检测仪甲烷检测仪采纳自然扩散方式检测气体，敏感元件采纳精良的气体传感器，具有好的灵敏度和杰出的重复性；测试程序由人工智能微电脑掌控，工作流程合理，简洁便利，功能齐全，具有多种自适应本领；使用超高亮LED数码管显示，直观清楚；小巧美观的便携设计不仅使您爱不释手更便于您移动使用。
甲烷检测仪仪外壳采纳高强度材料辅以防滑橡胶制成，强度高、手感好，并且防水、防尘、防爆。
产品指标1. 型号:M3000252. 量程:0—3%（20、50、100、200、500、1000PPM或更高浓度 %LEL选择，由业主确定）3. 最小辨别率: 0.01 % （0.1、1.0PPM由厂家依据测定的范围而确定）4. 运行温度:—20—50℃5. 湿度:0—95% （无凝结水）6. 报警:内设报警装置（声、光）7. 显示:高清楚数字显示8. 取样方式:内置取样气泵9. 电力:8或14小时的电池选择10.充电器:外接充电器11. 尺寸（mm）:181.1Х85.9Х101.612. 重量（Kg）: 1.1KG（包括电池）产品特性电源:4C 碱性或镍镉电池碱性电池: 24小时镍镉电池: 12 小时检测气体二氧化碳:2000PPM，1%体积百分数，10%体积百分数碳氢化合物:10，000PPM，100%LEL，100%体积甲烷氧气: 25%体积百分数一氧化碳:1%体积百分数或更高对于全部气体要求有其它可用的量程另外还包括:乙醛、丙酮、苯、丁烷、环己胺、二乙基胺、二甲胺、乙烷、乙醇、乙烷基苯、乙撑氧、甲醛、氟里昂152、氟里昂134A、四氟甲烷、庚烷、甲醇、丙烷、苯乙烯、二甲苯构成部件传感器二氧化碳（CO2）和碳氢化合物（HCS）:红外线传感器，氧气（O2）:长寿命电化学传感器指示器:低、高报警发光二极管指示，工作发光二极管指示，低电池发光二极管指示，泵发光二极管指示。
显示:3位显示掌控:电源—开/关。
确认报警按钮。
泵—开/关。
基于FPGA的便携式课外实验仪设计与实现
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｐｏｒｔａｂｌｅ ｅｘｔｒａｃｕｒｒｉｃｕｌａｒ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａ１ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＰＧＡ
Ｙｉ Ｙｉ，Ｙ ｕｅ Ｑｉｎｇｙｉｎｇ，Ｈ ａｏ Ｊｉａｎｗｅｉ，Ｙｕ Ｘｉｎｙｅ
（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕｉｌｉｎ ５４１００４，Ｃｈｉｎａ）
ＩＳＳＮ １００２－ ４９５６
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ＣＮ１１—２０３４／Ｔ
实 验 技 术 与 管 理
Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｍ ａｎａｇｅｍ ｅｎｔ
第 ３３卷 第 １期 ２０１６年 １月 Ｖｏ１．３３ Ｎｏ．１ Ｊａｎ． ２０１６
收 稿 日期 ：２０１５—０６－１０ 修 改 日期 ：２０１５—０７—１６ 基 金项 目 ：桂 林 电 子 科 技 大 学 信 息 科 技 学 院 教 育 教 学 改 革 项 目
（２０１５ＪＧＹ０１）资助 ；广 西 高 等 教 育 本 科 教 学 改 革 工 程 项 目 （２０１５ＪＧＡ４１５）资 助 作 者 简 介 ：易 艺 （１９８３一 ），男 ，广 西 防 城 ，讲 师 ／实 验 师 ，主 要 从 事 ＥＤＡ 技 术 、测 控 技 术 及 仪 器 方 面 的 教 学 和科 研 工作 ． Ｅ－ｍ ａｉｌ：ｙｉｙｉ ｅｅ＠ｇｕｅｔ．ｅｄｕ．ｃｎ
基于单片机的甲烷浓度检测器设计
电子设计工程Electronic Design Engineering第28卷Vol.28第22期No.222020年11月Nov.2020收稿日期：2019-12-25稿件编号：201912211作者简介：贾亮（1971—），男，辽宁大石桥人，硕士，副教授。
研究方向：信号与信息处理。
在对地下矿区、污水厂等地进行甲烷浓度测量时，检测人员经常需要在一些狭小空间内作业。
由于大型检测设备难以携带，一般利用吸管抽取待测气体，再利用设备测量并记录[1]。
这种测试方法存在很大的误差，且操作繁琐。
为解决这一问题，文中采用新型的红外甲烷浓度传感器作为检测探头，设计一种基于单片机的便携式小型甲烷浓度检测器。
检测器不仅可以采集现场的甲烷浓度含量，还有简洁的交互界面方便操作，提高了工作效率，降低了人工成本，具有很好的应用市场。
1硬件设计系统整体的硬件设计框图如图1所示，整个系统以STM32F407（以下简称F407）为控制核心，外围电路由复位电路、晶振电路、电源电路和4个功能模块组成。
复位电路通过外置按钮触发整个系统复位。
晶振电路向F407提供8MHz 的时钟频率，通过内部倍频的方式转换为168MHz 的系统正常工作时钟频率。
电源电路为整个系统提供5V 和3.3V 的直流电压，使用7.5V 的锂电池组进行供电。
系统的功能模块主要分为4部分：甲烷气体浓度采集、数据存储、LCD 屏显示和图像采集。
下面分别对4个模块进行分析。
1.1浓度检测模块电路设计浓度传感器主要用于检测甲烷气体浓度，传感器采用英国Clairair 公司的高分辨率红外甲烷传感基于单片机的甲烷浓度检测器设计贾亮，张武臣（沈阳航空航天大学电子信息工程学院，辽宁沈阳110136）摘要：针对传统甲烷浓度检测器体积大，不易在狭小空间操作的问题，设计了一种基于单片机的甲烷浓度检测器。
系统程序设计基于实时多任务操作系统μC/OSⅢ进行开发，利用卡尔曼滤波算法进行数据处理。
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目录1 绪论 (1)1.1 瓦斯气体概述 (1)1.1.1 瓦斯气体性质 (1)1.1.2 瓦斯气体的爆炸 (2)1.2 煤矿瓦斯检测仪的发展状况 (2)1.3 本课题的研究意义 (3)2 系统总体方案设计 (5)2.1 系统总体构成及工作原理 (5)2.2 系统的设计原理 (6)2.2.1 传感器的选择 (6)2.2.2 无线数据传输模块的选择 (9)2.2.3 FPGA芯片、VHDL语言简介 (11)3 系统硬件设计 (13)3.2 A/D转换模块 (13)3.2.1 ADC0809概述 (13)3.2.2 数模转换电路 (16)3.3 无线传输模块设计 (16)3.4 LED显示电路设计 (18)3.5 报警电路设计 (19)4 系统软件设计 (21)4.1 PTR2000无线传输模块 (22)4.1.1 PTR2000模块程序设计 (22)4.1.2 串行无线传输协议设计 (22)4.1.3 发射端程序设计 (23)4.1.4 接收端程序设计 (28)4.2 AD转换程序设计 (31)4.3 码制转换子程序 (34)4.4 显示译码子程序 (36)5 总结 (40)参考文献 (41)附录 (42)致谢 (44)1 绪论中国煤炭产量高居世界第一，国家一直把煤矿的安全生产作为重中之重，给予高度的关注。
在我国的煤矿生产事故中，瓦斯造成的伤亡和损失成为实现安全生产的最大障碍。
我国95%的煤矿开采是地下作业。
煤矿事故占工矿企业一次死亡10人以上特大事故的72.8%至89.6%（2002-2005年）；煤矿企业一次死亡10人以上事故中，瓦斯事故占死亡人数的71%。
煤矿所面临的重大灾害事故是相当严峻的，造成的损失是极其惨重的。
由于煤矿事故多，死亡人数多，造成了我国煤矿的百万吨死亡率一直居高不下。
特别是煤矿重大及特大瓦斯灾害的频发，不但造成国家财产和公民生命的巨大损失，而且严重影响了我国的国际声誉。
所以及时准确地检测瓦斯浓度和报告危险在安全生产中具有重要意义[1-2]。
为了确保矿井的生产安全，防止瓦斯爆炸，国内外煤矿研究所在此领域进行了很长时间的研究，开发出很多类型的瓦斯检测仪，但目前的瓦斯检测仪都普遍存在体积大、安装复杂、操作不便、智能化程度低等缺点。
因此开发研制便于携带、多功能，精度高的瓦斯检测仪对促进煤炭行业安全生产具有重要的现实意义。
1.1 瓦斯气体概述要设计一个瓦斯浓度检测仪，就必须，明确研究对象的性质及其爆炸所需的条件等，只有在明确了研究对象之后，才能很好地对其进行检测，下面就将对瓦斯气体的特性和爆炸条件进行详细地介绍。
1.1.1 瓦斯气体性质瓦斯是煤矿开采过程中的多种有害气体的总称，它有自己的性质和特点，是可以被控制和利用的。
矿井瓦斯是指从煤体和围岩中逸出的以及在生产过程中产生的多成分的混合气体，包括：CH4、CO2、CO、N2、C2H6、SO2、H2S等。
主要成分是甲烷、一氧化碳和二氧化碳、硫化氢等。
甲烷是矿井瓦斯的主要成分，是一种无色无味的气体，不助燃，但当与空气混合到一定浓度时，遇明火能燃烧或爆炸，爆炸界限为5～16%；空气中甲烷浓度超过40%时，空气中的氧含量将下降到12%以下，此时空气与甲烷的混合气体不再发生爆炸，但能将人窒息[3]。
1.1.2 瓦斯气体的爆炸矿井爆炸是一种热---链式反应（也叫链锁反应）。
当爆炸混合物吸收一定能量（通常是引火源给予的热能）后，反应分子的链即行断裂，离解成两个或两个以上的游离基（也叫自由基）。
这类游离基具有很大的化学活性，成为反应连续进行的活化中心。
在适合的条件下，每一个游离基又可以进一步分解，再产生两个或两上以上的游离基。
这样循环不已，游离基越来越多，化学反应速度也越来越快，最后就可以发展为燃烧或爆炸式的氧化反应。
所以，爆炸就其本质来说，是一定浓度的和空气中度作用下产生的激烈氧化反应。
瓦斯在煤体和围岩中以游离状态和吸附状态存在，一般情况下处于动态平衡，当外界温度、压力变化时，几种状态会互相转化，煤层在开采过程中，瓦斯被逸散出来，在井下积聚，造成瓦斯浓度增加，当CH4浓度达5%～16%时具有爆炸性，CH4浓度为9.5%时，爆炸威力最大，CH4浓度小于5%或大于16%时，一般不会爆炸，遇明火只会燃烧，瓦斯爆炸的上下限是可变的，当现场混合气体的温度和压力发生变化或混入煤尘及其它可燃气体时，可影响瓦斯爆炸的上下限，如空气中的煤尘含量为10～12mg/m3浓度达到4%时，遇火就会爆炸。
要消除引爆火源，必须严禁明电、明火下井，禁止明火放炮，要求井下电器设备必须防爆[4]。
所以控制瓦斯浓度是防止瓦斯爆炸的根本，实时掌握瓦斯浓度状况是煤矿安全的头等大事。
1.2 煤矿瓦斯检测仪的发展状况多年来市场上用于瓦斯浓度检测的仪器主要有：气相色谱仪，气敏元件传感器，光学干涉仪等。
(1)气相色谱仪该类仪器可以检测甲烷、二氧化碳等多种气体，测量范围大而且精度很高，但成本较高，目前国内一台这样的仪器要8万元。
这种仪器的缺点是：体积较大，无法方便携带，工作环境要求很高，无法进行野外探测；测量时要先对气体取样，无法实时探测，功率很大一般达到2500W，需要与计算机相连。
这种仪器目前主要应用在实验室内。
(2)气敏元件传感器该类仪器是以“催化”元件作为传感元件，利用催化元件在不同浓度的瓦斯中使电桥电阻发生变化而制成的，是目前矿井中最常见的瓦斯检测手段。
它的特点是：体积小、重量轻、线性度较好、可实现电量输出、使用方便、价格便宜。
但当甲烷浓度较大时，催化元件温度过高会使催化剂氧化或者烧断铂金丝而损坏仪器。
该仪器的缺点是：测量范围有限、精度较低、响应时间长。
(3)光学干涉仪该类仪器利用光干涉的原理，两束光所经过光程相同时，干涉条纹不发生移动。
如果气样室中气体的成分发生改变，则折射率会发生改变，光程也会发生变化，所看到的干涉条纹就发生移动。
当两个气室的温度等条件相同时，由于甲烷的折射率n=1.000411，而空气的折射率n=1.000272，便可以利用测量干涉条纹的移动对甲烷的浓度进行定量分析。
这种仪器在使用中必须消除二氧化碳和水蒸气的干扰。
一般要在仪器的进气口处加一个吸收管，装入碱石灰和氯化钙以吸收二氧化碳和水蒸气。
光学干涉仪的特点是：使用的条件要求不高，精度可以达到0.1左右，一般矿井中的瓦斯安全员用的多为这种仪器。
缺点是：当水蒸气含量较高时，测量精度下降，需要经常更换药品；仪器的安装较困难，读数不方便，读数的精度直接与使用人员的操作有很大关系；测量范围有限，精度不高[2]。
综合来说，目前市场上的每种系统都存在量程小、体积大、功耗大、需短期内校准、使用寿命短、无数据传输方式等其中某种或某几种缺点。
因此十分需要研制一种新型瓦斯浓度检测仪以克服现有设备存在的各种问题，使其具有微型化、智能化、低功耗、无线化并能够准确的测量出现场的瓦斯浓度。
1.3 本课题的研究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[5]。
为了解决这些问题，本课题在分析国内外各种瓦斯报警器特点的基础上，充分利用了FPGA的强大功能，对瓦斯浓度进行实时采集、数据处理，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。
2 系统总体方案设计2.1 系统总体构成及工作原理系统硬件结构图如图2-1和图2-2所示。
图2-1为系统对瓦斯浓度进行检测和无线数据发射部分，是由FPGA 、甲烷气体传感器、A/D 转换电路、电源时钟及复位电路、无线发射模块组成。
图2-2由FPGA 、无线接收模块、电源时钟及复位电路、报警电路、显示电路组成。
瓦斯浓度检测仪的功能是能够检测甲烷浓度，同时本着方便使用的原则，还应具备报警、浓度显示等功能。
其工作原理是现场瓦斯浓度通过瓦斯传感器MQ-4及信号调理电路转变成相应的电信号，电信号通过A/D 转换器转成相应的数字信号送入FPGA 处理、然后通过无线传输模块PTR2000传输到接收部分进行显示和报警。
图2-1 发射部分结构图图2-2接收部分结构图2.2 系统的设计原理2.2.1 传感器的选择要进行—个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，而这需要分析多方面的因素之后才能确定。
因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，还是自行研制，价格能否承受。
MQ-4甲烷传感器具有在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度、快速的响应恢复特性、对甲烷的灵敏度较高、快速的响应恢复特性、低成本、简单的驱动电路即可等优点，故本设计选用MQ-4甲烷传感器。
瓦斯浓度测试部分电路主要是由气体传感器MQ-4组成的，其作用为将瓦斯气体的体积分数转化成对应的模拟电压信号并输出出来。
MQ-4气敏元件的结构和外形如图2-3所示，由微型AL2O3陶瓷管、SnO敏感2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[5]。
结构外形图2-3 MQ-4的结构和外形其中：MQ-4的标准工作条件见表2-1、MQ-4的环境条件见表2-2、MQ-4的灵敏度特性见表2-3。
表2-1 MQ-4的标准工作条件表2-2 MQ-4的环境条件表2-3 MQ-4的灵敏度特性图2-4 MQ-4型气敏元件的灵敏度特性其中：温度为20℃、相对湿度为65%、氧气浓度为21%RL=20kΩ。
Rs是指元件在不同气体，不同浓度下的电阻值。