1、瓦斯，AT87C551，PID控制器 BASED ON THE UNDERGROUND GAS DENSITY SINGLE-CHIP MICROCOMPUTER INTELLIGENT SENSE ORQAN DESIGNABSTRACTWith the rapid development of Chinas economy, various industries on the sharp increase in the demand for coal. but each kind of mining accidents occurrence, causes the coal safety
2、in production faced with the stern challenge. This piece of article aims at the gas to carry on the monitoring to design.In the article, I in view of the gas characteristic, design simultaneously monitor the height density the gas system, all-weather uninterrupted carries on the monitor to the mine
3、shaft gas density. Simultaneously uses the acousto-optics alarm system, once gas exceeding the allowed figure, the system reminds the downhole operation worker to evacuate urgently immediately, avoids the personnel casualty. Also put to use infrared remote-control system carry through long-distence
4、supur risory control. Design this intelligent sensor adopt close-cycle control insure sampling placidity.This system take at87C551 monolithic integrated circuit as a core, realizes to the gas examination, the warning and the control, safe reliable, durable, suits each kind of coal mine gas the monit
5、oring, may reduce coal mining accidents occurrence greatly, reduces the private costs, raises the coal recovery ratio, makes the contribution for our country coal enterprise.KEYWARDS: gas, AT87C551, PID controller1 绪论1.1引言随着我国国民经济的不断发展，对煤炭需求量也越来越大，这就使得煤矿的安全生产面临着一个十分严峻的问题。煤矿矿难事故屡屡发生，造成的原因有很多，其中不少是因为瓦
6、斯爆炸引起的。为了防止瓦斯爆炸事故的发生，除了加强井下作业人员的管理，改善井下的作业环境外，还必须建立一个性能可靠的瓦斯监控系统。 煤矿瓦斯是指矿井中主要由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体的总称。有时也单独指甲烷。瓦斯在空气的体积分数达到一定的程度（5%12%）时，在一定条件下可与空气中的氧气发生剧烈的化学反应而形成瓦斯爆炸，对煤矿安全构成严重威胁。 矿井瓦斯监测监控技术是伴随着煤炭工业发展而逐步发展起来的。1815年，英国发明的世界上第一种瓦斯监测仪器瓦斯检定灯。利用火焰的高度来检测瓦斯浓度；20世纪30年代，日本发明了光干涉瓦斯检定器，一直沿用至今；20世纪40年代，美国研制了检测瓦斯浓度
7、的敏感元件铂丝催化元件；1954年，英国采矿安全所研制了最早的载体催化元件。电子技术的进展推动了瓦斯检测控制装置的进一步发展，如20世纪70年代后期法国研制的CTT63/40U矿井监控系统、英国的MINOS系统、美国的SCADA系统等。 我国矿井瓦斯监控技术经历了从简单到复杂、从低水平到高水平的发展过程。从新中国成立初期到20世纪70年代，煤矿下井人员主要使用光学瓦斯检定仪、风表等携带式仪器检测井下环境参数。20世纪60年代初期，我国开始研制载体催化元件，随着敏感元件制造水平的提高和电子技术的发展，特别是大规模集成电路、微型计算机的广泛应用，使监控技术进入了新的发展时期。20世纪70年代瓦斯断
8、电仪问世，装备在采掘工作面、回风港道等井下固定地点，实现了对瓦斯的自动连续检测及超限自动切断被控制设备的电源。随后，陆续研制了便携式瓦斯监控检测报警仪、瓦斯报警矿灯。1983年至1985年，从欧美国家先后引进了数十套监控系统及配套的传感器和便携式仪器装备煤矿矿井，并相应地引进了部分监控系统、传感器和敏感元件制造技，由此推动了我国矿井安全监测监控技术的发展。1983年以后，国内有多种型号矿井监控系统通过了技术鉴定，逐步实现了对煤矿矿井安全、生产多种参数的连续监测、监控、数据存储和数据处理。近几年，随着计算机的发明和应用，特别是网络和信息化建设的不断发展，给瓦斯治理提供了机遇条件，煤矿瓦斯监控网络
9、系统应运而生。这些装备和系统的推广与应用，丰富了我国煤矿安全监控 产品的市场，改善了煤矿安全技术装备的面貌，缩小了我国与国外先进技术水平的差距。传统的煤矿瓦斯监控系统大体可以分为两大部分：井下部分和井上部分。井下部分主要通过各种检测设备（各种传感器，如风量传感器、负压（压力）传感器、一氧化碳传感器和矿用设备开停传感器等）来采集井下各种气体的浓度与含量、井下空气状况、设备的运转情况等数据，然后通过现场总线将数据传输到井上。在井上，井下传上来的数据通过专线与煤矿安全管理办公室服务器和更高一级安全主管部门服务器连接。服务器上面运行的是监控软件。上面有井下每一个传感器的标签，所显示的数据通过上传数据的
10、改变而不断刷新。同时，监控软件还可以对这些数据进行汇总、处理、分析和存档，可以作为相关负责人员决策的重要依据。并且监控软件具有超标自动报警功能，用来提示工作人员对设备的故障或现场瓦斯浓度情况，以及时采取措施，避免重大事件的发生。煤矿瓦斯监控系统系统的意义不言而喻。以山西省为例，近几年，特别是2006年以来，山西省煤炭系统在党和各级政府及安全部门的重视下，全省煤矿信息化工作有了新发展，取得了新成绩。特别是由瓦斯监测监控系统建设所形成的全省煤矿四级信息网络平台，是计算机网络及信息技术用于瓦斯安全治理的一项创举，极大的促进了山西煤炭信息化工作。山西省煤炭系统2005年底累计安装使用瓦斯监控系统386
11、8套。目前，该省国有重点煤矿121座矿井全部安装了瓦斯监测监控系统，并全部联网运行，在线运行率达100%。地方煤矿现有2806座矿井全部安装了瓦斯监测监控系统，已连网运行2671座。这些系统的运用，极大的降低了煤矿瓦斯事故。 由此可知，为了最大限度的降低煤矿瓦斯事故的发生，除了对工作人员严格要求外，加紧建设煤矿瓦斯监测监控系统必不可少，它对预防瓦斯事故的发生具有举足轻重的作用。1.2系统简介该片设计的是基于单片机的井下瓦斯浓度智能传感器，该系统以单片机AT87C551为核心，包含甲烷浓度采样器、把220V的交流电转换成5V的直流电源、红外遥控系统、存储器的扩展、LCD显示器和报警装置等组成。该
12、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并自动发出执行指令以降低瓦斯浓度。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，AT87C551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 系统原理介绍图2.1 原理框图2.1电路简介根据上节所述的变流瓦斯检测原理，设计了如图7所示的变流瓦斯检测电路，该电路主要由电桥不平衡信号取样电路、锯齿波发生电路、电压比较
13、器和脉冲稳幅电路四个部分组成。图7 变流检测电路A部分为电桥不平衡信号取样电路，用此信号去调节C部分电压比较器输出的脉冲电压宽度；B部分为锯齿波发生电路，由555构成的时基电路工作在自激状态，振荡频率为1kHz，即周期为T=1ms，输出的锯齿波电压送到电压比较器的正端；C部分电压比较器的负端接受来自A部分的输出电压Uo2，当锯齿波电压超过控制电压Uo2时，比较器输出电压为高电平，锯齿波回扫时，当其电压值低于Uo2时，比较器输出为低电平，这样将形成一个矩形脉冲电压。在一系列锯齿波作用下，比较器就输出一矩形脉冲电压系列；D部分由高准确度可控稳压管TL431构成的脉冲稳幅电路，当通过TL431的电流
14、在（1100）mA范围内时，只要分压电阻的温度系数相同，则输出电压有很高的稳定性，从而保证了在输入脉冲幅值变化时，输出脉冲的幅值恒定。为保证有足够的电流通过载体催化元件，设置了由三极管组成的脉冲电流放大环节。下面将详细讨论这四部分电路。2.1.1 恒温控制信号取样电路图8为恒温控制信号取样电路：这里没有采用传统的惠斯通电桥来获取瓦斯图8 恒温控制信号取样电路与催化元件反应时产生的不平衡电压，而是用运放集成块组成运算电路，对电压信号进行处理，这样做的好处是抑制共模信号的能力增强了，同时由于黑元件上催化燃烧产生的电压只有毫伏级，不能直接与锯齿波信号进行比较，在Uo1的后面加入了同相比例运算电路，对
15、前面输出的电压进行放大，以使其能与锯齿波电压进行比较从而输出所需的脉冲电压。当有瓦斯气体时，在黑元件上发生催化燃烧，黑元件温度上升，其阻值也随之上升，它上面的电压升高，不难推出：式中、为无瓦斯时的阻值，为电流流经元件时温度上升产生的阻值，为瓦斯气体在元件上燃烧时温度上升产生的阻值，前面已经提及，所谓的恒温是指温度在一个很小的范围内波动近似看成的，因此的值都是非常小的，故U也很小，需要经过放大才能与锯齿波进行比较。在图8中有则 适当选取电阻值，使m=1，n=2，这样便可获得瓦斯在黑元件上燃烧产生的电压。这里在实验室用QJ23单臂直流电桥对铂丝绕制的黑白元件的阻值进行了测定，当环境温度为1619时
16、，测得的黑白元件的阻值分别为8.236和8.227（实际上这时黑白元件的温度已经大于400，达到了工作状态）。在检测瓦斯时需要将催化元件加热到500左右，给黑白元件提供3V的恒定电压，发生催化燃烧时，假设温度上升10，这时候黑元件阻值变为10左右，电流大概是150mA，则黑元件上产生的电压大概为0.265V。在图8中有：取为14左右，则可将瓦斯催化燃烧产生的电压放大到合适的幅值与锯齿波电压进行比较。2.1.2 锯齿波发生电路555定时器是一种应用极为广泛的中规模集成电路。该芯片使用灵活方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器，因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。图9
17、为NE555和R2，R3，C1组成的无稳态多谐振荡器：图9 锯齿波发生电路振荡器的输出频率为：由此可算得输出频率为1kHz，C2起正反馈作用，即在Q1射级跟随器输出锯齿波的同时，正反馈至R2的上端，故在C1充电期间，R2上的压降保持不变，即C1的充电速率不变，因而极大地保证了锯齿波的线性。其非线性可控制在1%以下，且温度稳定性好。图中在555的电压控制端5脚外接了一个可调的控制电压，用以改变555内部比较器的基准电压值，即比较电平，由此可改变锯齿波的振幅，这里通过调节Rp1使输出锯齿波的最大值为4V。2.1.3 电压比较电路电压比较器可将模拟信号转换成二值信号，即只有高电平和低电平两种状态的离
18、散信号。因此可用电压比较器来产生脉冲方波电压信号。电路如图10所示：图10 电压比较器电路这里选用的电压比较器的型号为AD790，它有同相和反相两个输入端，同相端接锯齿波电压信号，反相端接瓦斯检测电路的输出电压，也就是脉冲电压宽度的控制信号。比较器采用单电源供电，引脚8接逻辑电平，其取值决定于负载所需高电平，这里接+5V，此时比较器输出高电平为4.3V。引脚5为锁存控制端，当它为低电平时，锁存输出信号。图10中C4、C5均为去耦电容，用于滤去比较器输出产生变化时电源电压的波动，R8是输出高电平时的上拉电阻。2.1.4 脉冲电压稳幅电路电路中选用TL431芯片对比较器输出的脉冲电压进行稳幅。电路
19、如图11所示：图11 脉冲稳压电路Fig11 range of pulse stabilitating circuitTL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源, 它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V的任何值，工作电流范围为1mA100mA，K、A脚两端输出电压为：改变Rp2的阻值，就可以改变输出基准电压大小，这里通过调节Rp2使输出的脉冲电压的幅值稳定在3V。2.1.5 声光报警电路上述是本设计瓦斯传感器的声光报警电路，有图可以看出是以555为核心的电路由555电路组成一单稳态触发电路，上电打开开关S1后，C1两端电压为0，555电路的输出脚输出
20、高电平，报警器电路工作，进入报警状态。此时若水银开关断开，电源经R2向C1充电，当C1两端的电压充到高于2/3Vcc时，电路翻转，输出端变为低电平输出，报警电路失电停止工作。此时报警器便进入报警守候状态。这时若报警器受到振动，就会使水银开关中的水银一起振动，当开关接通时，555电路的2脚便输入一个低电平信号，这个低电平信号使得单稳电路输出状态改变，输出端变为高电平，报警电路工作，另一方面通过7脚将充于电容C1上的电荷放完，这时就算水银开关再次断开，由于C1两电压低于2/3Vcc，电路也将保持输出高电平，使报警电路工作，若一直有振通信号使水银开关接通，系统将一直报警，若报警后报警器不再振动，则当
21、C1上的电充到大于2/3Vcc时，报警将自动停止，因此每次报警的自动关断时间为R2和C1的充电常数值。该报警器由直流稳压电源、定时开关电路和声控脉冲产生器三部分组成。图中S为话筒，它将脚步声或其他声响转换为电信号，且放大后加至555时基电路的触发端脚。555与R6、C2组成一个单稳态触发器，调节电阻R6使脚的电压略高于l/3VDD。555 3脚输出低电平。当有情况发生时，BG2输出一定幅值的负脉冲，使555翻转，相应脚输出高电平，信号经BG2缓冲放大后使可控硅SCR触发导通，将报警器的电源电路接通，发出报警信号。报警时间长短取决于电容器C2的充电时间常数td=1.1R6C2的大小。当C2上的充
22、电电压超过2/3VDD时，555复位，3脚输出低电平，BG2相应截止，可控硅SCR断开。在C2充电期间，即报警定时结束之前，应使555脚通过R5和D1将输出高电平反馈到触发端脚，以免后继脉冲或其他干扰影响定时精度。定时的长短可通过改变时间常数R6C2的大小来调节。常见故障现象与查找方法 ：1）发光二极管不亮：，用万用表测12V供电电源是否正常；，用数字万用表检测电阻R1、发光二极管VDl、三极管VT2是否损坏；测lCl所构成单稳态电路，若ICl的脚始终输出低电平，VT2将一直处于截止状态，发光二极管不亮，可采用代换法判断555集成电路的好坏。2）发光二极管亮但不闪烁：测三极管VT2，若VT2击
23、穿，更换VT2故障即可排除；测ICl、脚的电平，若为低电平，查RP1及连线是否有断线或虚焊，查C1是否击穿及ICl脚是否悬空。在外围元件检查无误后，可采用代换法判断lCl是否损坏；用上述方法，查找IC2、IC3及其外围元器件。3）发光二极管闪烁频率不正常：主要查单稳态电路ICl，当单稳态电路工作不正常时会造成发光二极管闪烁频率不正常，其主要原因是由于电容C2造成的，可调当调整C2的大小。4）扬声器不响：查供电电源电压及检测三极管VT3、扬声器是否损坏；测量IC4第5脚的控制信号电压，不正常查IC3第3脚信号及R4，也可通过示波器测量输出波形判断故障部位。2.1.62.2变流瓦斯检测方法的原理2
24、.2.1变流瓦斯检测方法的基本思想为了解决上节所提到催化传感器存在的问题，就必须抛开连续电流供电的传统方法，以保证测量元件与参比元件温度永远相等，设计出真正的恒温检测桥路。实现方法是通过一个硬件电路构成的闭环反馈系统，强迫检测元件与参比元件保持在平衡状态，使测量元件工作在恒温状态下。该检测环路使测量元件的温度与参比元件的温度进行比较，当环境中的CH4气体在测量元件表面燃烧时，测量元件的温度将很快上升使电桥失去平衡，硬件电路构成的闭环反馈系统监测到偏移信号后，输出控制脉冲信号，将已经偏移的桥路“矫正”回来，使回路周而复始地工作在偏移/校正的振荡之中。测量元件的温度是以微小的锯齿波形状的轨迹在恒温
25、区波动26，如图6所示：图6 传统的检测桥路与恒温桥路的浓度温度特性曲线Fig6 contrasting curve between two methods这个波动的温差很小，只有零点几度的差别，基本上可以认为参比元件和测量元件的温度是相等的。这种方法保证了在任何CH4浓度下，测量元件的温度不变，彻底有效地杜绝了高浓CH4的燃烧，大大延长了催化元件的使用寿命，也使仪器的零点稳定性、精度稳定性得到了的提高。本研究所研制的脉冲供电检测桥路与传统的测量机理截然不同，检测元件工作于间歇脉冲供电状态，不随CH4温度变化，反馈环路中的脉冲频率与CH4浓度呈正比关系。从微观的角度上看，单片机检测的是测量元件
26、上温度的上升速率，而传统方法则是检测元件上的绝对温度。测量桥路是恒温的，无论检测多高浓度的瓦斯，检测元件的温度都不变，所以它能够抗高浓冲击，能够拥有更长的寿命和极好的稳定性。2.2.2变流瓦斯检测方法的原理变流检测方法是一种使载体催化传感元件在检测瓦斯气体时保持恒温状态的新型检测方法。它的基本原理是：在瓦斯浓度升高时，通过闭环反馈电路，使工作电流相应减少，以保持催化元件的温度不变，利用电流的减少量和瓦斯含量间的对应关系，实现瓦斯含量的检测。载体催化元件的静态热平衡方程是47：式中 I载体催化元件的工作电流； r载体催化元件的电阻；瓦斯氧化反应燃烧热系数；空气中瓦斯体积分数；载体催化元件温度；环
27、境温度；热传导系数；B元件面积；A辐射系数；角系数。方程式左边是单位时间内工作电流所产生的热量和瓦斯气体在载体催化传感元件表面发生氧化反应所产生的热量之和，后者与瓦斯体积分数成正比；方程式右边是催化传感元件在单位时间内热传导和热辐射损失的热量之和，其中传导热是催化传感元件通过导线和空气传递的热量之和，由于催化传感元件工作在一个半封闭的气罩内，其同空气的对流散热很小，可忽略不计。方程两边在催化传感元件达到热平衡时是相等的。在变流瓦斯检测中，工作电流随着瓦斯浓度增加而减小，元件处于恒温状态，载体催化元件工作温度和阻值保持不变。故在环境温度一定的情况下，方程式右边为一常数，设对于该种检测方法，因保持
28、不变，即当无瓦斯（）时，；当有瓦斯时式中I、分别为有瓦斯、无瓦斯的工作电流，即此式表明电流变化与瓦斯体积分数不是线性关系。因此，在设计检测电路时，为使电流大小能反映瓦斯体积分数，不能采用一般的可控直流电源，而需采用宽度可调的脉冲电流源，即脉冲电流的幅值恒定，但其宽度可由反馈信号调节。当瓦斯体积分数增加时，减少脉冲的宽度T以减少通过元件的平均电流。由式（3-3）知，瓦斯体积分数为与电流平方成线性关系，脉冲电流有效值为式中T为脉冲电流周期，为脉冲电流幅值。在一定的条件下与占空比的平方根成线性关系，即其平方与占空比成线性关系。又脉冲电流平均值为，与占空比成线性关系，故脉冲电流的平均值可以线性地反映瓦
29、斯体积分数，即瓦斯浓度。2.2.3智能瓦斯监测仪原理框图3 硬件电路介绍3.1甲烷传感器3.1.1 KG9701型智能低浓度瓦斯传感器KG9710型智能低浓度瓦斯传感器主要用于监测煤矿井下环境气体中的瓦斯浓度，是煤矿预防瓦斯突出和瓦斯爆炸必不可少的测量仪表。它可以连续自动地将井下瓦斯浓度转换成标准电信号输送给关联设备，并具有就地显示瓦斯浓度值，超限声光报警等功能。采用国家科技“九五”攻关项目成果：高稳定性、长寿命热催化元件，通过改变制作工艺及催化剂配方（自制）等，大大提高了催化元件的性能指标，利用人工智能技术对信息进行处理分析，增强了仪器抗高瓦斯冲击的能力，将稳定性能指标由一周提高至一月，使用寿命由一年延长至一年半。具有性能稳定、测量精确、响应速度快、结构坚固、易使用易维护等特点，增加了遥控调校、断电控制、故障自校自检等新功能，大大节约了使用与维护费用。目前该传感器已广泛应用于全国大、中、小型煤矿，在国内市场占有率超过60，在煤矿预防瓦斯灾害方面经常发挥重要作用，产生了可观的经济效益和良好的社会效益。主要技术指标：测量范围：04.00%CH4（010.00%CH4）测量精度：0.001.00%CH4 0.10%CH41.002.00%CH4 0.20%CH42.004.0
