1、虽然通过煤炭生产、加工和利用等各个环节，提供了相当多的就业机会，但每个环节却同时带来了环境污染、安全等一系列的问题。其中之一便是有害气体影响，包括CH4，CO，SO2等。后两种气体含量少，且SO2易溶于水，经煤矿开采时的喷水处理后变成酸。但是CH4气体含量多，且几乎不溶于水，属于易燃易爆气体，发生爆炸事极易造成人身伤害。因此，认识并研制监测这种气体的新型系统，显得非常重要。 瓦斯（CH4）是在成煤过程中形成并大量贮存于煤层之中的气体，是煤矿井下危害最大的气体。瓦斯是一种无色、无味的气体，密度为0.7167kg/m3，对人体的危害是超限时能引起人窒息死亡。其有易燃、易爆等特点，因此煤矿对瓦斯的治
2、理应非常重视。瓦斯的灾害主要表现为四个方面。第一、瓦斯浓度过高，对工人身体健康的影响表现为缺氧，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。第二、煤中瓦斯突出。突出直接影响着工人的人身安全。第四、大量的瓦斯从通风井排入大气，污染大气环境。我国煤矿的瓦斯灾害是比较严重的，瓦斯灾害始终是煤矿安全生产的大敌，日前已成为制约煤矿安全生产的主要矛盾。因此，研制先进适用的煤矿气体监测系统对煤矿工业安全生产，减少事故发生和生命财产损失有重要意义，市场应用前景十
3、分广阔。1.4 本课题的主要工作内容 日前国内有一些用于煤矿中CH4气体的监测系统，但是很少有能实现数据上传，做到实时监测，本文针对煤矿气体监测系统的现状及发展趋势，阅读了大量文献及资料，研发了煤矿气体监测系统，主要工作包括:（l）甲烷气体传感器的选用； （2）单片机的选用； （3）系统硬件电路的设计； （4）系统软件的设计； （5）通讯方式及通讯协议设计。 第2章 煤矿瓦斯监测系统设计的特殊要求及设计原理本课题的研究目标，是设计一种能够有效监测煤矿瓦斯气体的监测系统，并可以将实时数据上传至地面监控电脑，实施控制。为此，应根据煤矿工作环境及煤矿巷道中气体监测系统使用的特殊要求进行系统设计。2.
4、1 系统设计要求2.1.1 技术指标要求本课题对煤矿气体监测仪表及其所用气体传感器在技术指标上的要求如下:（1）应用环境:煤矿气体监测；（2）监测对象:监测甲烷气体；（3）测量范围:甲烷O-10%；（4）灵敏度:0.01%；（5）响应时间:30s；（6）功耗:100mW；（7）环境工作温度范围:-20 -+70；（8）环境工作湿度范围:95%RH。2.1.2 隔爆仪表设计要求 煤矿井下工作环境特殊，空间狭窄，湿度大，有易燃易爆的瓦斯和煤尘，所以，煤矿电器同一般电器有较大的区别。这就对煤矿电器有特殊要求，如体积要小，易于搬运，坚固，防潮防水，防爆。属于煤矿安全标志管理目录内的矿用产品应有安全标志
5、，电气设备必须符合防爆要求，应有接地、过流、漏电保护装置。隔爆型仪表的主要特点是有一个可靠的隔爆外壳，它将把可能产生火花和危险温度的仪表传感器、电阻电路及接线端子等，都放在隔爆外壳里，达到外壳内可能发生的爆炸不影响周围易燃易爆物质，它的设计方法与隔爆型电器和电机基本相类似。2.1.3 系统的功能在本项目中，煤矿气体监测系统的功能是能够监测CH4，同时本着方便应用的原则，还应具备声光报警、人机界面操作、数据存储以及与PC机通讯等功能。基于这些要求，仪表应由敏感探头、A/D转换、单片机、数据存储器、显示器、按键面板及报警模块、通讯模块等组成。2.2 设计原理本项目采用CH4气体传感器，研制CH4气
6、体传感器应用系统，实现对CH4的识别、浓度的测量、是否达到报警阑值的判断以及数据的远传。2.2.1 气体传感器的选择气体传感器又叫气敏传感器，主要用来监测气体的特定成分。气体传感器通常以气敏特性来分类，主要可分为:（1）半导式方式:包括氧化系、气敏二极管系、气敏MOSFET系。若气体接触到加热的金属，氧化物电阻值就会增大或者减少，其灵敏度高，构造电路简单，但输出与气体浓度不成比例。（2）固体电解质:其利用铂等金属材料对氢吸附敏感使功函数改变原理制成，器特点是其他选择性好但不能重复使用。（3）接触燃烧式:其原理是化学溶剂与气体反应产生使电导率发生变化。其特点是属于气体浓度成比例，但灵敏度较低。（
7、4）其他类型:包括光干涉式、热传导方式、红外线吸收式。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。在考虑上述问题之后就能大致确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。最后，我们决定采用MQ-4瓦斯气体传感器。MQ-4气敏元件
8、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。 结构 外形图2.1 MQ-4的结构和外形2.2.2 单片机型号的选择随着计算机技术的发展，单片机因具有集成度高、体积小、速度快、价格低等特点而在许多领域如过程控制、数据采集、机电一体化、智能化仪表、家用电器以及网络技术等方面得到广泛应用，从而使这些领域的技术水平、自动化程度大大提高。正因为如此国内外多家电子生产厂商把目光投向了单片机的生产，其中最为著名的当数INTEL公司生产的
9、MCS51系列单片机。根据本课题的实际情况，单片机型号的选择主要从以下两点考虑:一是要有较强的抗干扰能力。由于甲烷气体监测传感器处于煤矿矿井巷道中，一下作环境比较恶劣，以及实际的运行工况比较复杂，这些都对单片机的干扰较大，所以应采用抗干扰性能较好的单片机机型；二是要有较高的性价比。由于51系列在我国使用最广泛且该系列的资料和能够兼容的外围芯片也比较多，特别是ATMEI副公司2003年推出的新一代895系列单片机，其典型产品AT89552单片机具有较高的性能价格比。本文采用ATMEL公司生产的AT89552单片机作为监测系统的核心部件，AT89552单片机是AT89S系列单片机中的一种，它是在现
10、己广泛应用于工业控制等各领域的AT89C52系列单片机的换代产品。它具有89C52的全部功能，是8OC51的增强型并且指令完全兼容，AT89S52新增加的功能由特殊功能寄存器完成，相信日后它将更广泛地应用于工业控制、汽车控制、智能仪器仪表及电机控制等应用领域。AT89S52单片机的特点:（1）兼容MCS51单片机；（2）SK字节FLASll存贮器支持在系统编程工SP1000次擦写周期；（3）256字节片内RAM；（4）256作电压吐4.0V到6.0V；（5）动全静态时钟OHZ到33MHZ； （6）二级程序加密； （7）32个可编程l/0口； （8）3个16位定时/计数器； （9）6个中断源；
11、（10）上电复位标志； （11）完全的双工UART串行口； （12）低功耗支持Idle和Power-down模式； （13）Powerdown模式支持中断唤醒； （14）看门狗定时器； （15）动双数据指针。 此外，与AT89C52相比，AT89S52新增加了许多功能，这将使单片机在工作过程中具备史高的稳定性和电磁抗千扰性。首先，AT89S52内部增加了片内看门狗定时器，这将有利于坚固用户应用系统，提高系统可靠性；其次，AT89S52独有的双数据指针使数据操作更加快捷方便；再次，AT89S52运行速度更高，最高晶振可达到33MHZ；最后，AT89S52支持工ISP（In一 System Pro
12、gramming）在线下载功能。AT89S52中ISP引脚共有4个:RST、MOSI、MI50和SCK。用户可以直接替换应用系统中的AT89C51/52，而软件硬件均不需作任何修改，这给正使用AT89C52单片机的用户史新换代带来许多方便。正因为AT89S52单片机增加了高可靠性、安全性的功能，所以能避免因外部芯片扩展过多或传感器输入信号过多而引起的信号失真、电磁千扰等现象的发生。因此，用它作为甲烷气体测量可以满足监控、信息传送的要求。而且，从经济性的角度来看，AT89S52不但硬件结构简单，而且价格低、功能强、性价比高，符合我国工业设计制造的要求。图2.2 AT89S52引脚图第3章 煤矿瓦
13、斯监测系统的硬件设计本章将介绍基于甲烷气体传感器的气体监测系统的系统原理框图，及其整体协调工作实现的功能；系统的硬件电路设计及其主要功能模块等内容。3.1 系统原理框图基于气体传感器的甲烷气体监测系统主要由气体传感器、单片机、数据存储器以及LED显示器以及无线传感器等部分组成，其原理框图如图3.1所示。采用单片机AT89S52构成煤矿气体监测系统的核心部分，根据气体传感器及测量的信号，实现对CH4的成分识别和浓度测量；使用按键面板输入外部命令；采用ATMEL公司的DataFlash存储器AT24CO2存储设定的参数及大量的测量数据；通过8只8段LED数码管显示气体浓度:也可以在PC机控制模式下
14、，采用RS-232协议，实现数据无线远传。图3.1 系统硬件原理框图3.2系统硬件设计系统硬件设计原理图见附录，下面介绍其主要组成部分以及它们实现的功能。3.2.1系统电源该系统系统电源电路图如图3.2所示，外部输入电源采用的是12V/3A的直流电源。C2，C4的作用是对LM317电压调节端（ADJ）的电压进行滤波，以提高输出电压的稳定性；Dl、D2起保护作用，当有意外情况使得LM317的Vin电压比Vout电压还低的时候，防止从C3，C4上有电流倒灌入 LM317引起其损坏。整个系统用电可以划分为两部分:VCC是LED显示器模块及A/D转换参考电源模块输入需要的9.58V工作电压；VCC1是
15、单片机、看门狗电路、气体传感器加热等需要5V的下作电压。电源部分的核心器件是二端可调输出集成稳压器 LM317。LM317是美国国家半公司的三端一可调整流稳压器集成电路，输出电压范围是1.25v至37v，负载电流最人为1.5A。它的使用非常简单，仅需两个外接电阻来设置输出电压，此外线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。内置过载保护、安全区保护等多种保护电路。输出引脚3与调节引脚1之间保持1.25V的参考电压Vref，并且引脚3为正端。当调节端接地时，输出端输出1.25V。由Vin端提供工作电压以后，便可以保持/out端（3脚）比ADJ端（1脚）的电压高1.25V。因此，只需要用极小的电
16、流来调整A川端的电压，便可在Vout端得到比较大的输出电流，并且输出电压比ADJ立品电压高出恒定的1.25V。LM317的输出电压二1.25X（I+ADJ端到地的电阻/ADJ端到Vout端的电阻）。通过调整接入ADJ端和Vout端电阻的比值，来改变输出电压。值得注意的是，LM317有一个最小负载电流的问题，即只有负载电流超过某一值时，才能起到稳压作用。这个电流随器件的生产厂家而有所差异，一般在38mA不等，可以通过在负载端接一个合适的电阴来解决。依据 LM317的输出电压计算公式，可以得到图3.2中LMI的输出: VCC=Vref（1+R1R2）其中:Vref=1.25V R1=1000,R2
17、=10. 数据代入上式得:HVCC=9.58。另外LM2的输出:VCC1=Vref（1+R3R4）Vref=1.25V，R3=460， R4=150。数据代入公式得到:VCC=5.08v.图3.2 系统电源电路3.2.2 气体传感器1. 测试电路我们设计的MQ-4瓦斯传感器电路如图3.3所示，其中可调节电阻R5是用来调整传感器的灵敏度的。图3.3 MQ-4瓦斯传感器电路2. 灵敏度调节在对MQ-4的灵敏度进行调节之前首先要就要了解其灵敏度特性。具体的灵敏度特性见表3.1及图3.4。表3.1 MQ-4的灵敏度特性符号参数名称技术参数备注Rs敏感体表面电阻1060（5000ppmCH4）适用范围:
18、30010000ppm甲烷，天然气（1000ppm/5000ppmCH4）浓度斜率0.6标准工作条件温度:202 Vc:5.0V0.1V相对湿度:65%5% Vh:预热时间不少于24小时图3.4 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=20k Rs是指元件在不同气体，不同浓度下的电阻值。R0是指元件在洁净空气中的电阻值。由上可得MQ-4型气敏元件对不同种类，不同浓度的气体有不同的电阻值。因此，在使用此类型气敏元件时，灵敏度的调整是很重要的。在这里我们用5000ppm甲烷校准传感器进行校准。其校准过程如下:在测试条件下对传感器进行校准时，我们进
19、行硬件部分电路的调试。在调节确定MQ-4的可调负载电阻值时，以空气中甲烷浓度值为5000ppm时作为校准，此时观察显示部分电路，又因为要求显示的瓦斯浓度精度要求优于5%，即准确显示的范围为5000ppm（15%）也就是4750ppm5250ppm的范围内，若不在该范围内则说明甲烷传感器的灵敏度不够高，需要进行调节。而灵敏度的调节是依靠调节负载电阻RL来实现的。我们调节RL使显示的瓦斯浓度值尽可能与实际相符合。这样确定下来的RL的阻值，换言之传感器的灵敏度也就确定下来了，此时我们已经完成了甲烷传感器的校准。校准后的传感器就可以用来监测实际中各个不同的瓦斯浓度了。3.2.3 A/D转换器芯片ADC
20、0809的原理及应用1. ADC0809 的逻辑结构ADC0809 是8位逐次逼近型A/D转换器。它由一个8路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成（见图3.5）。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D 转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D 转换完的数字量，当OE 端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。图3.5 A/DC0809内部结构2. AD0809 的工作原理 IN0IN7:8 条模拟量输入通道ADC0809 对输入模拟量要求:信号单极性，电压范围是05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应
21、该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。地址输入和控制线:4条ALE 为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A， B，C 三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B 和C 为地址输入线，用于选通IN0IN7 上的一路模拟量输入。数字量输出及控制线:11 条ST 为转换启动信号。当ST 上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D 转换；在转换期间，ST 应保持低电平。EOC 为转换结束信号。当EOC 为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D 转换。OE为输出允许信号，用于控制三
22、条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE1，输出转换得到的数据；OE0，输出数据线呈高阻状态。D7D0 为数字量输出线。CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ，VREF（），VREF（）为参考电压输入。3. ADC0809应用说明（1）ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89S51 单片机直接相连；（2）初始化时，使ST和OE信号全为低电平；（3）送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上；（4）在ST端给出一个至少有100ns 宽的正脉冲信号；（5）是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断；（6）当EOC变
23、为高电平时，这时给OE 为高电平，转换的数据就输出给单片机了。由于ADC0809的时钟信号为500KHZ，故将单片机的ALE端接四分频器后给转换器作为时钟。A/D转换电路如图3.6所示。图3.6 A/D转换电路 3.2.4 HD7279A显示电路本课题中气体监测系统的工作环境是处于比较黑暗的矿井巷道中，所以不宜采用液晶显示模块，而采用了发光柔和的LEO数码管作显示，显示颜色为红色。发光数码粉的优点在于防潮防湿，温度特性极佳，而且有远距离视觉效果，很适合矿井下恶劣环境的需要。而我们使用的单片机AT89552本身并无显示接口部分，需要外接显示的译码驱动电路。LED数码管显示有动态显示和静态显示两种
24、方式。通常小管采用哪种显示方式，单片机往往都工作于并行工/0或存储器方式。在本课题的单片机数据采集控制系统中，利用8位LED显示驱动器 MAX7219构成显示接口电路。HD7279A的特点是一片具有串行接口的 ,可同时驱动8位共阴极数码管的智能显示驱动芯片。该芯片可连接多达 64 个键的键盘矩阵 , 并含有去抖动电路。HD7279A芯片内部有译码器 ,可以直接接受 16 进制码 ,并且具有2种译码方式和多种控制指令 ,如:消隐、闪烁、 左移、 右移、 段寻址等。可以广泛应用在仪器仪表 ,工业控制 ,条形显示器 ,控制面板等领域。串行接口，无需外围元件可直接驱动LED；各个独立控制译码/不译码及
25、消隐和闪烁属性；循环左移和右移指令；具有段寻址指令，方便控制独立led；64键盘控制器，内含去抖动电路。HD7279A的引脚如图所示。图3.7 HD7279A引脚HD7279A是标准28引脚双列直插式芯片。引脚1 ,2 （VDD）为正电源；引脚3 ,5 （NC）不连接 ,使用时要求悬空；引脚4 （VSS）为接地端；引脚6 （CS）片选输入端 ,此引脚为低电平时 ,可向芯片发送指令及读取键盘数据；引脚7 （CLK）为同步时钟输入端 ,向芯片发送数据及读取键盘数据时 ,该引脚电平上升沿表示数据有效；引脚8 （DATA）为串行数据输入/输出端 ,当芯片接收指令时,此引脚为输入端；当读取键盘数据时,此
26、引脚在读指令最后一个时钟的下降沿变为输出端；引脚9 （KEY）为按键有效输出端 ,平时为高电平 ,当检测到有效按键时 ,此引脚变为低电平；引脚1016 （SGSA）为段g段a驱动输出；引脚 17 （DP）为小数点驱动输出；引脚1825 （DIG0DIG7）为数字 07位驱动输出；引脚 26 （CLKO） 为振荡输出端；引脚 27（RC）为 RC振荡器连接端；引脚28 （RESET）为复位端。HD7279的指令通信是采用串行方式与微处理器通讯 ,串行数据从DATA引脚送入芯片 ,并由 CLK端同步。当片选端CS信号变为低电平后 ,DATA 引脚上的数据在 CLK引脚的上升沿被写入 HD7279A
27、 的缓冲寄存器。HD7279A的指令结构有三种类型（表 1） :11 不带数据的纯指令 ,指令的宽度为8个BIT位 ,即微处理器需要发送8 个 CLK脉冲；21 带数据指令 ,宽度为 16 个BIT位 ,即微处理器需要发送 16 个 CLK脉冲；31读取键盘数据指令 ,宽度为16个BIT位 ,前8个BIT位为微处理器发送到 HD7279A的指令,后8个BIT位为 HD7279A返回的键盘代码。执行该指令时 ,HD7279A 的 DATA端在第9个 CLK脉冲的上升沿变为输出状态 ,并以第6个脉冲的下降沿恢复为输入状态 ,等待接收下一个指令。电路接法和注意事项是比较关心的部分。HD7279A应连接共阴式数码管，无需用到的键盘和数码管可以不连接，省去数码管或对数码管消隐属性均不会影响键盘的使用。如果不用到键盘，则连接到键盘的8只10K电阻和8只100k下来电阻均可以省去。如果使用了键盘，则要在电路中的100k下拉电阻均不可以省。实际中下拉电阻和位选电阻应该遵循一定的比例，下拉电阻应该大于位选电阻的5倍而小于50倍。下拉电阻为10K-100k，位选电阻为1K-10K。下拉电阻尽可能的小，可以提高键盘的抗干扰能力。因为采用循环扫描工作方式，采用亮度高的数
