基于半导体照明矿灯的矿工定位及瓦斯报警系统
基于单片机的矿井瓦斯检测报警系统
毕业论文（设计）材料
题目：基于单片机的矿井瓦斯检测报警系统
设计
学生姓名：夏成毅
学生学号：**********
系别：电气信息工程学院
专业：自动化
届别：2012
指导教师：杨国诗
填写说明
1、本材料包括淮南师范学院本科毕业论文（设计）任务书、开题报告以及毕业论文（设计）评审表三部分内容。
2、本材料填写顺序依次为：
（1）指导教师下达毕业论文（设计）任务书；
（2）学生根据毕业论文（设计）任务书的要求，在文献查阅的基础上撰写开题报告，送交指导教师审阅并签字认可；
（3）毕业论文（设计）工作后期，学生填写毕业论文（设计）主要内容，连同毕业论文（设计）全文一并送交指导教师审阅，指导教师根据学生实际完成的论文（设计）质量进行评价；
（4）指导教师将此表连同学生毕业论文（设计）全文一并送交评阅教师评阅。
3、指导教师、评阅教师对学生毕业论文（设计）的成绩评定均采用百分制。
4、毕业论文（设计）答辩记录不包括在此表中。
一、毕业论文（设计）任务书
二、毕业论文（设计）开题报告
三、毕业论文（设计）评审表。
基于单片机的井下瓦斯实时监测报警系统
测报警 系统装 置 ， 当瓦斯 气 体浓度 达 到设 定值 时 ， 自 动切 断设 备 电源 ， 自动发 出声光 报警 ， 醒井 下人 员 提
立 刻离 开 ， 防止 用 电设备 引起 瓦斯 爆 炸事 故 ． 监 测 该
基 电 Ｊ Ｊ 感 供 电 准 源Ｉ 器 电 路 传
报 警 系统 的优点 是 ： 采用 红外 遥控 技术 ， 用 打开设 不 备 即可 完成 数据 的查 询 、 表 的校 准 及报 警值 的设 仪
Ｒ 电流等 于流 过 Ｒ 电流 ， 下 式 得 到传 感 器 ， 的 ，的 按
的供 电 电压 Ｕ ： １ ２ Ｒ ６＋Ｒ ７／ ３ ＿（ ３ ３） Ｒ６ ． （１）
上传 通讯 电路 等 的设计 ．
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本 文设计 的气 体浓 度测 量装 置采 用单 片机构 成 了一 个具 有判 断 、 算 和控 制能力 及具 有存 储 、 示 运 显
上
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定； 该装 置将 采集 的数 据 转 换 为 对应 频 率 的 脉 冲信 号 ， 上传 到 监 控 主 机 ， 实 现 远 程 实 时 监 控 ； 可 该
设计 的硬 件 电路 、 软程 序 在 Ｐ ｏ ｕ 的虚 拟 环 境 下进 ｒｔ ｓ ｅ
防爆炸或人员伤亡事 故的发生 ； 装置的软硬件设计在 Ｐｏｅｓ 该 ｒｔｕ 的虚拟环境下进 行了联合调试．
关键 词 ： 单片机 ； 瓦斯 ； 监测报警 系统
中图分 类号 ：２ ０３
文 献标识 码 ： Ａ
文章 编 号 ： ０— ３ （０００ － ７－ １ １ ３７２ １ ）２ ０５ ５ ０ ５ ０ ０
作者简介 ： ｈ宪敏 ， ，９ ０ ， 女 １８ －助教 ， 硕士 ； 研究方 向： 运筹学与控制论 ． ． ｉ ｒｄ ｂｍ＠１６ ｃｒ Ｅ ｍａ ｚｄ ｘ ｌ ２ ．ｏ ｎ
一种基于井下人员定位的本安型瓦斯矿灯
一种基于井下人员定位的本安型瓦斯矿灯【摘要】本文介绍了一种基于井下人员定位的本安型瓦斯矿灯，防爆型式符合GB3836标准要求，并达到ia等级。
采用瓦斯检测与人员定位相结合，将瓦斯采集数据通过人员定位系统实时传送到地面，做到实时监控，有人员的地方就有瓦斯参数的安全目标，反应速率<9s，有利于树立安全意识，保护人民生命和国家财产安全。
【关键词】本安型;矿灯;保护器;PTC;过流保护1.前言矿井一旦发生瓦斯爆炸，就会造成一系列及其严重的危害，其危害主要表现在以下几个方面：1）爆炸产生高温。
爆炸时产生的热量，使周围气体温度迅速升高，爆炸瞬间的温度为1850℃-2650℃。
这样的高温，会造成人员伤亡，并可能引起火灾，烧毁设备、设施，损坏巷道;2）爆炸产生高压气体和强大冲击波。
由于爆炸时气体温度骤然升高，引起爆源附近气体体积急速膨胀，气体压力突然增大，形成强大的高压冲击波。
强大的冲击波可使井下人员遭受伤亡，严重摧毁巷道支架、井下设施和设备，造成巷道顶板冒落。
3）爆炸产生大量的有毒、有害气体。
瓦斯爆炸要消耗大量氧气，同时伴生大量的有害气体，其中主要是一氧化碳和二氧化碳。
若有煤尘参与爆炸，产生的一氧化碳气体会更多，造成的人员伤亡更严重。
统计资料表明，瓦斯、煤尘爆炸事故中死亡的人数，90%左右都是因为一氧化碳中毒、窒息死亡。
瓦斯（甲烷CH4）报警矿灯是在矿灯上增加了瓦斯报警装置。
当瓦斯超限时，声、光形式报警，以警告使用者瓦斯超限。
它具有结构简单、报警醒目、重量轻、使用方便等特点，其中主灯闪烁式瓦斯报警矿灯还具有当瓦斯超限时强制工人停止作业的功能，特别适宜于井下分散作业人员携带使用。
目前国内瓦斯矿灯无法将瓦斯采集数据实时传送到地面服务器，且属于矿用特殊型产品，防爆型式：EXSI，安全系数低，容易发生蓄电池、矿灯头碰撞摔破、电缆破皮扯断等现象而产生电火花，继而引发瓦斯爆炸事故，这也是矿灯引发矿难事故的根源[1，2]因此，研制一款与人员定位相结合的本安型瓦斯矿灯具有重大的安全意义。
矿灯瓦斯报警器电路设计
QM-N5开始通电工作时 没有接触可燃性气体 其电导率 开始通电工作时,没有接触可燃性气体 开始通电工作时 没有接触可燃性气体,其电导率 也急剧增加，一段时间（几分钟）后达到稳定,这时方可正常使用 这时方可正常使用. 也急剧增加，一段时间（几分钟）后达到稳定 这时方可正常使用
为了避免传感器在每次使用前都要预热十多分钟， 为了避免传感器在每次使用前都要预热十多分钟， 并且避免在传感器预热期间会造成的误报警， 并且避免在传感器预热期间会造成的误报警， 所以传感器 电路不接于矿灯开关回路内。 电路不接于矿灯开关回路内。 矿工每天下班池交给电房充电，充电时传感器处于预热状态。当工人们 下井前到充电房领取后可不再进行预热。 下井前到充电房领取后可不再进行预热。
特点： 特点： 1.用于可燃性气体的检测（CH4、C4H10、H2等） 用于可燃性气体的检测（ 用于可燃性气体的检测 、 、 等 2.灵敏度高 3.响应速度快 4.输出信号大 5.寿命长， 寿命长， 灵敏度高 响应速度快 输出信号大 寿命长 工作稳定可靠。
检测电
输 出 VC VH RL VRL 号 信
矿灯瓦斯报警器电路设计
Wang Ke qin
传感器类型——QM-N5型气敏元件 型气敏元件
QM-N5型气敏元件是以金属氧化物 型气敏元件是以金属氧化物SnO2（氧化锡） 型气敏元件是以金属氧化物 （氧化锡） 为主体材料的N型半导体气敏元件 型半导体气敏元件， 为主体材料的 型半导体气敏元件，当元件接触还原性气 体时，其电导率随气体浓度的增加而迅速升高。 体时，其电导率随气体浓度的增加而迅速升高。
矿灯瓦斯报警器原理图
图为矿灯瓦斯报警器电原理图， 图为矿灯瓦斯报警器电原理图，它可以直接放置 在矿工的工作帽内。瓦斯探头由QM-N5型气敏元件、R1及 型气敏元件、 在矿工的工作帽内。瓦斯探头由 型气敏元件 4V矿灯蓄电池等组成， R1为传感器加热线圈的限流电阻， 矿灯蓄电池等组成， 为传感器加热线圈的限流电阻， 矿灯蓄电池等组成 RP为瓦斯报警设定电位器。当瓦斯超过某一设定点时，RP 为瓦斯报警设定电位器。 为瓦斯报警设定电位器 当瓦斯超过某一设定点时， 输出信号通过二极管V 加到V 基极上， 导通， 输出信号通过二极管 D加到 1基极上，V1导通，V2、V3便 开始工作。 为互补式自激多谐振荡器， 开始工作。V2、V3为互补式自激多谐振荡器，它们的工作 使继电器吸合与释放，信号灯闪光报警。 使继电器吸合与释放，信号灯闪光报警
一种结合井下瓦斯报警和人员定位的智能型矿灯[实用新型专利]
![一种结合井下瓦斯报警和人员定位的智能型矿灯[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/99301c511a37f111f0855b41.png)
专利名称：一种结合井下瓦斯报警和人员定位的智能型矿灯专利类型：实用新型专利
发明人：李义华,周小谷
申请号：CN200820057548.X
申请日：20080422
公开号：CN201302145Y
公开日：
20090902
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型涉及一种井下瓦斯报警、人员定位、瓦斯监控、信息报警提示光闪烁功能的矿灯，属于井下瓦斯报警、人员定位、矿灯技术和无线通信领域。
它由天线、无线通信单元、控制单元、电池、照明主灯、照明副灯、信息指示灯、灯光切换按钮和求助按钮组成。
该种矿灯充分利用井下人员定位系统和瓦斯监控系统，通信方式使用无线通信技术。
该矿灯具有双光源照明功能，实现了在不同区域可以设置不同的瓦斯报警设置阈值，人员定位和双向通信功能。
具有免校验、使用方便、安全可靠的特点。
该矿灯的使用可以从根本上解决目前国家安全监管部门对矿井生产定员管理。
申请人：李义华
地址：200060 上海市普陀区澳门路288弄3号202
国籍：CN
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基于MSP430单片机的温度和瓦斯报警系统的设计
基于MSP430单片机的温度和瓦斯报警系统的设计
赵娜;宋文爱
【期刊名称】《仪表技术与传感器》
【年(卷),期】2008(000)008
【摘要】文中设计提出了一种基于MSP430单片机的瓦斯和温度报警系统.煤矿开采中生产环境十分恶劣.针对矿工井下工作的不安全因素,设计了在头盔上集成实时监测系统 .该系统通过单片机控制温度、瓦斯传感器,实现对井下温度、瓦斯浓度实时采集、处理,并当所测温度和瓦斯浓度超过设定的报警上、下限时自动报警,使矿工能够及时脱离危险.该系统具有小型化、成本低等特点,能达到矿工每人携带一个的要求.测试证明,该系统工作稳定,能达到实时监测的功能.
【总页数】3页(P49-50,60)
【作者】赵娜;宋文爱
【作者单位】中北大学教育部仪器科学与动态测试重点实验室,山西太原,030051;中北大学教育部仪器科学与动态测试重点实验室,山西太原,030051
【正文语种】中文
【中图分类】TP277
【相关文献】
1.基于MSP430单片机的温湿度监测与报警系统设计 [J], 朱星玥;季仁东;赵志敏;沈令斌
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瓦斯报警矿灯的基本技术及应用情况
瓦斯报警矿灯的基本技术及应用情况庾莉萍【摘要】@@ 一、什么是瓦斯报警矿灯rn瓦斯爆炸是煤矿生产中最严重的灾害之一,不仅造成人员大量伤亡,而且还会摧毁井下生产和安全设施.瓦斯(甲烷CH4)报警矿灯是在矿灯上附加了瓦斯报警装置.当瓦斯超限时,以声、光或数字显示形式报警,以警告使用者瓦斯超限.【期刊名称】《电器工业》【年(卷),期】2010(000)004【总页数】3页(P57-59)【作者】庾莉萍【作者单位】【正文语种】中文一、什么是瓦斯报警矿灯瓦斯爆炸是煤矿生产中最严重的灾害之一，不仅造成人员大量伤亡，而且还会摧毁井下生产和安全设施。
瓦斯(甲烷CH4 )报警矿灯是在矿灯上附加了瓦斯报警装置。
当瓦斯超限时,以声、光或数字显示形式报警,以警告使用者瓦斯超限。
它具有结构简单、报警醒目、重量轻、使用方便等特点，其中主灯闪烁式瓦斯报警矿灯还具有当瓦斯超限时强制工人停止作业的功能，特别适宜于井下分散作业人员携带使用。
瓦斯报警器的使用，将改变井下工作人员的传统理念。
传统的瓦斯检测是由瓦斯检测员检测瓦斯浓度，一旦瓦斯浓度超标，便通知井下工作人员撤离。
使用瓦斯报警后，一旦瓦斯浓度超标，矿灯主光源开始闪烁，井下工作人员无法正常作业，进而主动撤离，实现了“人机闭锁”功能。
瓦斯报警器变“个体监测”为“群测群防”，变“叫我撤退”为“我要撤退”，有助于树立安全意识，确保人民生命和国家财产安全。
二、报警矿灯中监测仪表分类目前，报警矿灯中瓦斯检测仪表按工作原理大致有以下几种:(1)光干涉原理光干涉原理是利用甲烷与空气对光的折射率的差异而使由于光程差所造成的干涉条纹偏移，其偏移的大小与甲烷的浓度成比例关系，从而得以用条纹的偏移量来获知甲烷浓度大小。
(2)催化燃烧原理可燃性气体在有充足的氧气的前提下，在一定温度的催化剂表面就能产生无焰燃烧，其产生的热量使之转换为电信号而指示出来。
如可燃性气体浓度在其爆炸下限的范围内，则催化燃烧的热量与可燃烧气体的浓度呈线性关系。
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计" &３$ 采用特制的锂离子电池 ! 彻底消除锂离子电池 燃烧和爆炸事故 目前 ! 国内大部分锂离子电池的正极材料均为钴 酸锂 ! 这种电池如使用不 当 ! 有可能产 生燃烧或爆 炸 ! 在井下使用 ! 危险性极大 " 为消除这种隐患 ! 矿灯用锂 离子电池的正极材料选用的是安全性能较好的锰酸 锂 !电池内选用较厚的隔膜材料 " 这类矿灯用锂电池经 国家检测中心检测 ! 在任何故障状态下都不会燃烧 ! 也 不会爆炸 " &４$ 体积小 % 重量轻 %无污染 由于该矿灯采用了半导体照明灯 ! 用电量非常小 ! 同时又采用 了目前国际 上能量最高 的锂离子电 池 ! 所 以该矿灯的 体积只有原 来铅酸电池 矿灯的五分 之一 ! 全灯重量由原来的 ３ｋｇ 减小到 ０．５ｋｇ! 同时该矿灯电池 维护非常简单 ! 且无任何环 境污染 ! 不仅 携带方便 ! 还 可大大减轻矿工的负担 "
１０００Ｌｘ!节省电能 ８０! 以上 ) 由于半导体照明灯所需功
率很小 !因此蓄电池的容量也大大降低 ) 原来矿灯采用
#" 半导体照明锂电矿灯的组成及主要优点 ２．１ 半导体照明锂电矿灯的组成
近年来 ! 由于微电子技术的迅速发展 ! 锂电池充电 控制器的体积可以做得很小 " 这种嵌入式充电控制器 ! 可与锂电池保护电路一起嵌入矿灯电池组内部 ! 但这 样连接后 !电池与灯头之间必须采用三芯电缆连接 " 如 果把充电控制器嵌入到灯头内 ! 电池与灯头之间仍可 采用原来的两芯电缆连接 " 嵌入充电控制器的半导体
ＥＥＰＲＯＭ 中 ! 万一发生事故 ! 这些数据可作为判断事故
原因时的参考 ) 矿山监控中心可通过井字格布置的无线电发送模 块来选择监测点 & 矿 工 $ 的位置 ! 用 图表显示所 有监测 点 &矿工 $的检测参数及每个矿工的位置 ) ! 作者单位 " 渭南永泰矿用设备有限公司 #
当代矿工 !""# 年第 !" 期
关键词 !
!" 矿用帽灯的发展
几十年来 ! 国内外煤矿中普遍采用由铅酸蓄电池 和白炽灯组成的矿用帽灯 " 这种灯 ! 体积很大 ! 全灯重 量接近 ３ｋｇ" 同时 ! 铅酸电池使用寿命很短 ! 且维护工作 量很大 " 白炽灯的寿命也较短 ! 在井下工作时 ! 若白炽 灯损坏 ! 将会严重影响矿工的正常工作 " 特别是这种矿 灯的安全性能较差 ! 一旦外部发生短路 ! 将会产生较大 火花 ! 有可能会引爆瓦斯 " 过去 ! 许多井下的爆炸事故 都是由于矿灯产生火花而引发的 " 此外 !当铅酸电池内 的硫酸一旦溢出 ! 还可能会烧伤矿工的皮肤 ! 严重威胁 矿工的安全 " 为克服电池漏液产生的危害 ! 国内曾推出过由阀 控铅酸电池供电的矿灯 ! 但因原有矿灯充电架不能满 足该电池的充电要求 ! 且各种特性没有较大突破 ! 所以 未能得到推广应用 " 为减轻矿灯重量 !近年来国内又推 出了由镍氢电池或锂离子电池供电的矿灯 " 但由于其 必须配置专用的充电架 ! 造成原有资源的巨大浪费 " 同 时 ! 一旦充电架出现故障还有可能引起镍氢和锂离子 电池的爆炸 ! 因此这类矿用帽灯也未能在国内得到推 广应用 " 近年 ! 由于半导体发光二极管的亮度不断提高 ! 国 内研究单位曾试图将其应用到矿灯照明上 ! 但由于一 只 ＬＥＤ 灯的亮度达不到国家标准要求 ! 必须采用多只 并联 ! 这样配 光系统很难 适应 ! 且可靠 性也降低 ! 因 此 虽有样品问世 ! 却也未能推广应用 "
８Ａｈ 以 上 电 池 才 能 保 证 国 家 标 准 规 定 的 １１ 小 时 连 续 照明时间 ! 现在采用 ３Ａｈ 电池 ! 连续照明时间即可达到
国家标准要求 ) 这样 ! 蓄电池的体积 + 重量和成本均大 幅降低 ! 完全可补偿因采用半导体照明灯而增加的成 本" 半导体照明灯 ! 不仅节能 ! 而且使用寿命长 " 普通 白炽灯的寿命只有 １０００ｈ !而半导体照明灯的寿命可达
３８
当代矿工 !""# 年第 !" 期
科教园地 !"#$%&$ ’%( )$&*%+,+-.
图 ２ ! 总体框图
图 ３ ! 单片机控制的无线电发送模块
１０００００ｈ !为白炽灯的 １００ 倍 !因此工作相当可靠 " #２$ 内置充放电控制与保护电路 ! 可用任意充电架
充电 !可实现本质安全工作 由于该矿灯内装有锂电池充放电控制电路和过 充 % 放电 % 过电流保护电路 & 已申报国家 发明专利 $! 还 装有半导体照明灯恒流驱动电路 ! 所以该矿灯接入任 何矿灯充电架 ! 锂电池的恒流转恒压的充电要求都由 内置的充电控制电路来完成 ! 一旦锂电池有过充电或 过放电现象 ! 充放电控制电路和保护电路均可自动切 断充电和放电 !实现双重安全保护 ’ 如果充放电流过大 或矿灯外部发生短路 ! 该灯可在 １ｍｓ 内切断电源 " 由于 其工作电流非常小 ! 且切断时间非常短 ! 所以不可能产 生引爆瓦斯的火花 ! 因而可使其达到本质安全工作的 目的" 应当说明! 内置电子线路的静态漏电流只有
科教园地 !"#$%&$ ’%( )$&*%+,+-.
基于半导体照明矿灯的矿工定位及瓦斯报警系统
!何瑞科 马新尚
摘
要!
通过对矿用帽灯的发展分析 "把半导体照明 #锂电池技术应用于矿灯上 " 进行矿工的定位及瓦斯报警系统 $ 半导体 锂电 矿灯 矿工定位 瓦斯报警
照明锂电池 矿灯由三部 分组成 # 灯头 $ 含开关 %ＬＥＤ 灯 及其恒流驱动电路 % 反射器 % 充电控制器 % 瓦斯传感器 % 无线电发送模块 &% 电缆 $ 二芯 &% 电池组 $ 含锂离子电池 和保护电路 &!如图 １ 所示 # 灯头 开关 %ＬＥＤ 及 其 恒流驱动电路 % 锂电池充电控 制器 % 无线 电发 送模块 % 瓦斯传 感器 两芯电缆 电池组 锂电池及其保 护电路
３． 矿工定位及瓦斯报警系统
由矿灯组成的矿工定位及瓦斯报警系统的总体方 案如图 ２ 所示 ( 每个矿工随身携带一只无线电发送模 块 ! 适时检测工作地点的瓦斯和粉尘浓度 ! 并将检测数 据发送到无线电接收模块上 ) 在井下 ! 按一定方位设置 的无线电接受模块 ! 通过有线传输方式将矿工检测到 的信息适时传送到矿山监控中心 ! 矿山监控中心在计 算机屏幕上可及时了解井下的工作状态 " 遇到突发事 故时 ! 矿山监控中心可根据无线电发送模块的编号 ! 迅 速确定携带该发送模块矿工的位置 * 矿工也可通过无 线电发送模块向矿山监控中心发送报警信号 ) 每个矿工携带单片机控制的无线电发射模块的组 成 ! 如图 ３ 所示 ) 各种传感器的输出信号经放大后 ! 送 入内含数模转换器的单片机 ) 在单片机内 !输入信号与 基准比较 ! 如果输入信号低于基准值 ! 单片机输出信号 驱动绿色发光二极管 ! 指示处于正常工作状态 * 如果输 入信号在基准值附近 ! 单片机输出信号驱动黄色发光 二极管 ! 指示瓦斯浓度处于临界状态 * 如果输入信号高 于基准值 ! 单片机输出信号驱动红色发光二极管 ! 指示 瓦斯浓度处于危险状态 ) 此时 ! 矿灯将不停闪烁 ! 便于 矿工能够及时发觉 ) 当然 ! 所有检测数据还可由单片机的 Ｉ Ｏ 口输出 " 到无线电发送模块上 ! 该模块又将检测数据发送到矿 井内设置的无线电接收模块 ) 各个接收模块又通过总 线将检测数据送到井上的矿山监控中心 ) 所有检测数据都以数字值存于单片机内的
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图 １ 半导体照明锂电矿灯的组成
２．２ 主要优点 $１ & 采用国际最新推出的功率型半导体照明灯 ! 不 仅可大大节约电能 !还可提高其使用寿命 ’ ２００３ 年 ! 国 际上推出了适于照明用的白色 ＬＥＤ 灯 ! 我们将这种新
型光源用于矿灯上 ! 并为其设计了专用的配光系统 ( 已 申报国家发明专利 &! 取得非常明显的节电效果 ) 据矿 灯检测站检测 ! 原来白炽灯的电流为 １Ａ 时 ! 矿灯照度 为 １０００Ｌｘ! 采用半导 体 照 明 灯 后 ! 电 流 为 ３５０ｍＡ 时 矿 灯照度可达 ４５００Ｌｘ* 电流为 ２００Ａ 时 ! 矿灯照度仍可达