1、毕业生毕业论文题 目: 基于无线传输的瓦斯浓度检测仪设计 I摘要在我国，煤炭行业中的瓦斯爆炸事故始终是煤矿安全生产的大敌，目前己成为制约煤矿安全生产的主要因素。因此，实时检测瓦斯气体的浓度变化，对矿井安全运行，人身安全及环境保护有着十分重要的作用。而目前国内矿井中用于瓦斯检测的设备比较落后，这些设备探测范围小，反应时间长，数据传输采用有线方式，且具有成本高、功耗高和设备庞大等特点，不适应大多数煤矿的需求，因此需要研制一种集成化、智能化、小型化、无线化的新型瓦斯检测报警设备，增强矿井的安全监测能力。本论文将无线传输技术引入矿井瓦斯监测数据传输过程中，从而设计了一种基于无线传输的瓦斯浓度检测仪。使
2、其实现即走即测、即测即发的功能,论文研究成果为矿井安全监测提供了一套切实可行的新的解决方案。该瓦斯浓度检测仪分为现场部分和手持部分两部分，现场部分是处于瓦斯检测点的部分，这部分主要由瓦斯传感器、信号调理、A/D 转换器、单片机、无线发射模块PTR2000 组成。而手持部分主要由无线接收模块PTR2000、单片机、显示单元、报警单元等组成。硬件部分主要对如何应用低功耗的AT89C51单片机来完成数据的采集、处理判断、数据的显示和传输等一系列功能作了重点地分析和阐述。而软件部分则对各部分的程序流程作了详细说明。关键词：瓦斯浓度；无线传输；检测仪；AT89C51IITitle Design of G
3、as Concentration Detector Based on the Wireless Transmission Technology AbstractIn China, the gas explosion accident has always been the greatest problem in the coal industry. At present, it even has become the main factor constraining the safe producing of the coal. Therefore, the real-time detecti
4、on of the change of gas concentration plays a very important role on the safe operation of mining, personal safety and environmental protection. But in current, domestic detection equipment hung behind the other counties. The detected scopes of these equipments are small, the reaction times are long
5、, and using wire transmission approach in data transmission, these equipment do not meet the needs of majority of coal mines because of the high cost and high power needs and large volumes. It was necessary to develop an integrated, intelligent, small and the new wireless gas detection and alarm equ
6、ipment. This equipment can enhance the mine safety monitoring capabilities.This paper introduced the wireless data transmission technology in mine environmental monitoring data transmission process. Thus, a gas concentration detector is designed which based on the wireless transmission technology. S
7、o it can moving then detecting and detecting then transmission. This papers research findings provided a new feasible solution scheme of mine safety.The detector composed of two parts, the scene part and the hand-held part. The scene part is at the gas detection point, the main components of it are
8、gas sensor, signal conditioning circuit, A/D converter, MCU and Wireless transmitter module PTR2000. While the hand-held part mainly consists of wireless receiver module PTR2000, MCU, displaying unit, alarming unit and so on. In the hardware design, this paper analyses and elaborates how to complete
9、 the data acquisition, processing judgments, display and transmission of data, such as a series of function across the low-power AT89C51 MCU. While in the part of software, the paper described the IIIprogram flow in detail.Key Words Gas concentration；Wireless transmission；Detector；AT89C51IV目 次1 绪论 .
10、11.1 煤矿瓦斯气体概述 .11.2 国家关于煤矿安全浓度的规定 .21.3 无线传输技术概述 .31.4 煤矿瓦斯检测仪的发展状况 .41.5 本课题的研究意义 .51.6 本课题的主要工作内容 .52 系统总体方案设计 .72.1 系统总体构成及工作原理 .72.2 系统设计要求 .82.3 系统设计原理 .93 系统硬件设计 .153.1 系统电源设计 .153.2 数据采集与信号调理电路部分设计 .163.3 模数转换芯片 AD574A 原理及连接方法 .173.4 无线传输模块 PTR2000 原理及应用 .203.5 LED 显示电路设计 .213.6 报警电路 .223.7 电
11、池电量监测电路设计 .234 系统软件设计 .254.1 现场单片机主程序设计 .254.2 手持部分单片机主程序设计 .254.3 串行口子程序设计 .264.4 传感器控制程序设计 .27结 论 .29致 谢 .30参考文献 .31附录 A：现场部分总体电路图 .33附录 B：手持部分总体电路图 .3411 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，瓦斯爆炸造成的伤亡和损失成为实现安全生产的最大障碍，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。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
12、很长时间的研究，开发出很多种类型的瓦斯检测仪，但目前已有的瓦斯检测仪器都普遍存在着体积较大、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的安全生产具有重要的现实意义。1.1 煤矿瓦斯气体概述要设计一个瓦斯浓度检测仪，就必须首先搞清楚瓦斯气体，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作详细地介绍。1.1.1 瓦斯气体性质了解瓦斯的特点和性质是搞好瓦斯管理的先决条件。瓦斯是煤矿开采过程中的一种有害气体的总称，它有自己的性质和特点，是可以被认识的，也是可以被控
13、制和利用的。所以说要搞好瓦斯管理工作，必须首先学习有关瓦斯的知识，了解瓦斯的性质和特点。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 、4CH、CO 、 、 、 、 等。主要成分是甲烷( )、一氧化碳(CO)和2CO2N6CH2SO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，遇火能燃烧或爆炸，爆炸界限为516%;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，但将使人窒息。1.1.2 瓦斯气体的爆炸瓦斯爆炸须具备3个条件： 浓度、 浓度及引
14、爆温度。4CH2O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2斯被逸散出来，在井下积聚，造成瓦斯浓度增加，当 浓度达5%16%时具4CH有爆炸性， 浓度为9.5%时，爆炸威力最大，当 浓度小于5%或大于16%4CH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1012 浓度达到4%时，遇火就会爆炸。3mg/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。所
15、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 国家关于煤矿安全浓度的规定煤矿安全规程对井下各点瓦斯浓度规定如下：(1) 矿井总回风巷或一翼回风巷风流中瓦斯浓度超过0.75%，矿总工程师必须立即查明原因，进行处理，并报告矿务局总工程师。(2) 采区回风巷、采掘工作面回风巷风流中瓦斯浓度超过1%时，必须停止工作，撤出人员，并由矿总工程师负责采取措施，进行处理。(3) 综合机械化、水采和煤层厚度小于 8 米的保护层的采煤工作面，经抽放瓦斯和增加风量已达到最高允许风速后，其回风巷风流中瓦斯浓度仍不能降低到 1%以下时，经矿务局局长批准，瓦斯浓度最高不得超过 1.
16、5%，并应符合下列要求：工作面的风流控制必须可靠；通风巷必须保持设计断面；必须制定安全措施，配有专职瓦斯检查员并安设瓦斯自动检测报警、断电装置。(4) 采掘工作面风流中瓦斯浓度达到1%时，必须停止用电钻打眼; 放炮地点附近20 米以内风流中的瓦斯浓度达到1%时，严禁放炮。采掘工作面风流中瓦斯浓度达到1.5%时，必须停止工作，撤出人员，切断电源，进行处理; 电动机或其开关地点附近20米以内风流中瓦斯浓度达到1.5%时，必须停止运转，撤出人员，切断电源，进行处理。(5) 采掘工作面内，体积大于0.5立方米的空间，局部积聚瓦斯浓度达到2%时，附近20米内，必须停止工作，撤出人员，切断电源，进行处理。
17、(6) 综合机械化采掘工作面，应在采煤机和掘进机上安设机载式断电仪，当其附近瓦斯浓度达到1%时报警，达到1.5%时必须停止工作，切断采煤机和掘进机的电源。31.3 无线传输技术概述常用的无线传输方式有蓝牙、红外、UWB、ZigBee、WI-FI 、微波、无线电波，其中蓝牙、红外、UWB、ZigBee 、WI-FI 适用于短距离或中距离无线信号传输，微波和无线电波适用于中远距离传播，由于矿井巷道比较狭长，中短距离的无线传输方式在此无法使用，下面着重介绍两种较长距离数据传送方式。(1)无线电波 无线电波或射频波是指在自由空间（包括空气和真空）传播的电磁波，其频率下限较不统一,在各种射频规范书,常见
18、的有三种 3kHz、9kHz、10kHz。波长为 3000 米 0.3 毫 米 。无线电技术是通过无线电波传播信号，现在，无线电有着多种应用形式，包括无线数据网，各种移动通信以及无线电广播等，其传输距离远，是应用最广的无线通信手段。(2)微 波 通 信微 波 通 信 (Microwave Communication),是 使 用 波 长 在 0.1 毫 米 至 1 米 之间 的 电 磁 波 进 行 的 通 信 。 微 波 通 信 不 需 要 固 体 介 质 ,当 两 点 间 直 线 距 离 内 无障 碍 时 就 可 以 使 用 微 波 传 送 ， 利 用 微 波 进 行 通 信 具 有 容 量
19、 大 、 质 量 好 并 可 传至 很 远 的 距 离 ,因 此 是 国 家 通 信 网 的 一 种 重 要 通 信 手 段 ,也 普 遍 适 用 于 各 种 专用 通 信 网 ， 我 国 微 波 通 信 广 泛 应 用 L、 S、 C、 X 诸 频 段 ,K 频 段 的 应 用 尚 在开 发 之 中 。 一 般 说 来 ,由 于 地 球 幽 面 的 影 响 以 及 空 间 传 输 的 损 耗 ,每 隔 50 公里 左 右 ,就 需 要 设 置 中 继 站 ,将 电 波 放 大 转 发 而 延 伸 。 这 种 通 信 方 式 ,也 称 为微 波 中 继 通 信 或 称 微 波 接 力 通 信
20、。 长 距 离 微 波 通 信 干 线 可 以 经 过 几 十 次 中 继而 传 至 数 千 公 里 仍 可 保 持 很 高 的 通 信 质 量 。煤矿有线监控系统是煤矿安全生产的重要保障，但由于煤矿井下工况环境十分复杂，有线监控系统由于自身的局限性还难以对瓦斯、煤尘、火灾、地压、温度、风速等对矿井安全生产具有重要影响的矿井环境参数实施全面、有效和灵活的监测，不可避免地留下大量的安全隐患。建立矿井无线安全监测与预警信息系统可以对有线监控系统难以监测的区域实施十分有效、实时和灵活的监测。 矿井无线传输受工作频率、导体、巷道截面(包括形状尺寸)、拐弯、分支、倾斜、风门等影响，其特点有：矿井无线传输
21、受巷道截面和传输频率影响。4巷道截面越大，传输频率越高，传输衰减越小。但在300900kHz频率传输其衰减较小。巷道截面对无线传输的影响程度与波长有关，当巷道截面等效半径与波长相差不大于10倍时(无论等效半径大于波长，还是波长大于等效半径)，巷道截面对无线传输的影响较大；巷道截面等效半径远远小于波长，或远远大于波长时，巷道截面对无线传输的影响较小。因此。巷道截面对中频及其以下频率的无线传输影响较小，所以在本设计中可选用适当频率的无线电波作为无线传输方式。1.4 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
22、以检测 、CO、C02等多种气体，测量范围大而且精度很高，4CH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
23、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是利用光干涉的原理，当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、温度、压力发生改变，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，5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.
24、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。综合来说，目前市场上的每种系统都可能存在量程小、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检测仪。1.5 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、
25、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 ,CO , 等。后两种气体含量少，且 易4CH2SO2SO溶于水，经煤矿开采时的喷水处理后变成酸。但是 气体含量多，且几乎不4CH溶于水，属于易燃易爆气体，发生爆炸事极易造成人身伤害。瓦斯( )是在成煤过程中形成并大量贮存于煤层之中的气体，对人体的4CH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瓦斯气体监测仪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。
