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基于单片机的井下瓦斯监控系统设计word格式.pdf
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基于单片机的井下瓦斯监控系统设计word格式.pdf
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I
目 录
第 1章 绪论 .............................................................. 1
1.1
煤矿气体监测系统概述 ................................................ 1
1.2
煤矿气体监测系统的国内外发展状况 .................................... 1
1.3
本课题的研究意义 .................................................... 2
1.4
本课题的主要工作内容 ................................................ 3
第 2 章 煤矿瓦斯监测系统设计的特殊要求及设计原理 .......................... 4
2.1
系统设计要求 ........................................................ 4
2.1.1
技术指标要求 ...................................................... 4
2.1.2
隔爆仪表设计要求 .................................................. 4
2.1.3
系统的功能 ........................................................ 5
2.2
设计原理 ............................................................ 5
2.2.1
气体传感器的选择 .................................................. 5
2.2.2
单片机型号的选择 .................................................. 6
第 3 章 煤矿瓦斯监测系统的硬件设计 ........................................ 9
3.1
系统原理框图 ........................................................ 9
3.2 系统硬件设计 ........................................................ 9
3.2.1 系统电源 ......................................................... 10
3.2.2
气体传感器 ....................................................... 11
3.2.3
A/D 转换器芯片 ADC0809 的原理及应用 ............................... 13
3.2.4
HD7279A 显示电路 ................................................. 15
3.2.5
看门狗硬件电路 ................................................... 17
3.2.6
PTR2000 无线通信传感系统 ........................................ 18
3.2.7
按键电路设计 ..................................................... 22
第 4 章 煤矿瓦斯监测系统的软件设计 ....................................... 24
II
4.1 下位机软件设计 ..................................................... 24
4.1.1
A/D 转换程序流程图 ............................................... 25
4.1.2
键盘转换程序 ..................................................... 26
4.2
上位机软件设计 ..................................................... 27
4.2.1
设计概述 ......................................................... 27
4.2.2
RS-232 多地址通讯设计 ............................................ 28
4.2.3
上位 PC 机通讯程序设计 ............................................ 30
4.2.4
PC 机通讯程序清单 ................................................ 31
4.2.5
VB 可视化界面设计 ................................................ 33
第四章 总结与展望 ....................................................... 35
4.1 研究工作总结 ....................................................... 35
4.2 研究工作展望 ....................................................... 35
致谢 .................................................................... 36
参考文献 ................................................................ 37
附录 A 电路原理图 ........................................................ 38
基于单片机控制的井下瓦斯监控系统设计
1
第 1章 绪 论
煤矿中含有大量的甲烷 (CH4)等易燃易爆气体, 发生事故后会造成巨大的经济损失,
危及矿工的生命。 随着煤矿开采技术手段的不断改进和开采规模的扩大及开采深度的不
断延伸,安全隐患越来越多。瓦斯事故特别是重、特大瓦斯事故在煤矿事故中所占的比
例也越来越高。如果不把瓦斯事故控制住,就不能实现煤矿安全生产状况的稳定,也就
无法保障煤炭工业的持续健康发展。所以,对煤矿井下瓦斯气体进行快速准确的监测显
得尤其重要,对易燃易爆混合气体监测系统的研究和开发也成为人们一直关注的问题。
1.1 煤矿气体监测系统概述
煤矿气体监测系统是能够监测矿井环境中瓦斯气体的浓度, 具有报警功能并能实现
数据远传至地面监控室 PC 的系统。本课题中完整的煤矿气体监测系统山以下五个部分
组成 :
(l)气体传感器 :能感知环境中甲烷气体及其浓度的一种敏感元件, 它能将与气体种
类和浓度有关的信息转换成电信号;
(2)显示单元 :根据测量信号, 由单片机将待显示数据按相应方式进行数据传输给显
示处理模块显示于仪表;
(3)声光报警单元 :当监测气体浓度超出设定报警值时,发出声光报警;
(4)时通讯单元 :将采集数据通过无线传送通讯方式进行数据通信;
(5)数据采集分析软件 :运用 VB 编写串口通讯软件,实现气体数据的采集、分析及
保存煤矿气体监测系统其他的技术参数还有存储数据性能、传输数据性能、使用寿命与
可靠性等。
1.2 煤矿气体监测系统的国内外发展状况
伴随气体传感器的发展,气体监测仪器不断更新。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
基于单片机控制的井下瓦斯监控系统设计
2
带 :便携式仪器用泵吸式采样,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。
世界各国也均有煤矿瓦斯气体监测的系统,如波兰的 DAN640O、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 MSA 公司生产的系统,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。
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、 KJS、 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。
1.3 本课题的研究意义
我国是世界上最大的煤炭生产和消费国,也是世界上少数几个以煤为主要能源的国
家之一。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, SO
2
等。后两种气体含量少,且 SO
2
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/m
3
,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
基于单片机控制的井下瓦斯监控系统设计
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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。
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