瓦斯气体浓度控制系统

1、冻”电力瓦冷计算机控制系统设计性实验报告20133070103学生：邱博学号：26学院：自动化工程学院班级：自动333题目：瓦斯气体浓度控制系统目录1-选题背景42. 方案论证53. 过程论述63.1传感器的选择63.2 A/D转换电路63.3控制电路73.4数码管显示电路73.5 D/A转换器和执行机构83.6总电路图83.7系纟擁序框图94. 结果分析105. 总结106. 心得体会10参考文献111.选题背景当前，随看采矿技术的不断发展，井下作业的安全越来越有保障,但是仍然 有许多采矿企业的机械化程度低，对现场采矿的工作人员的生命安全造成潜在的 威胁，特别是针对瓦斯气体的检测和报警仍旧存

2、在隐患，每年由于瓦斯泄露造成 的特大事故依然很多。瓦斯是在成煤过程中形成并大量储存与煤层之中的气体，是煤矿井下危害最 大的气体。瓦斯是一种无色无味的气体，主要成份是甲烷(CH4),密度为 0.716kg/ m3 ,对人体的危害是超时限能引起人窒息死亡。在地下采矿时候,井 常常会泄露一定量的CH4、CO和SO2等气体，后一种含量少，切易溶于水。 经煤矿开采时的喷水处理后变成酸。但前两种气体含量多,且几乎不容于水,属 于易燃易爆气体。瓦斯浓度在4 %以下是安全的”大于4 %就会引发爆炸很危险。 控制通风系统工作,保证环境安全稳定。由于瓦斯气体本身的危险性和对人民生产生活造成的巨大危害，因此在这 里

3、设计一款瓦斯气体浓度浓度控制系统，其控制算法对气体浓度有预判性，通过 气体传感器技术，将检测到的瓦斯气体浓度和标准值进行比较，当高过一定浓度 的时候控制排风扇对矿井进行通风排气，避免发生安全事故。因资源有限,故只 能在proteus软件中进行仿真模拟。2.方案论证本设计的瓦斯气体浓度控制器由六个部分组成:传感器、数码管、控制 电路、A/D转换器,D/A转换器和执行机构。传感器部分采用气体传感器,能感知环境中某种气体,并将与气体种类和浓度有关的信息转换成电信号， 这种电信号是连续变化的模拟信号，需要经过A/D转换将其转化离散的数字 信号，然后送给控制机构。控制电路以单片机为核心，能够对采集的数字

4、信 号进行处理和判断,运用一定的算法计算出待检测气体成分及浓度并送到数 码管显示出来。当检测气体浓度超出设定值时,执行机构动作,驱动排气风 扇，将气体进行置换，以降低瓦斯的浓度至安全值。本系统可以对检测的数 据和设定的阀值参数进行存储并自备电源。系统框图如图1所示。图1该瓦斯浓度控制器是一种操作方便、电路设计新颖、控制能力强、参数测量 准确、成本低、结构简单的瓦斯浓度控制器。它有测量围宽、精度高的优点,且 具有自动控制瓦斯浓度为定值的功能。3过程论述3.1传感器的选择甲烷传感器采用MQ-4气敏传感器，用于探测采集瓦斯的浓度。它在较宽 的浓度围对可燃气体有良好的灵敏度，对甲烷的灵敏度较高,其次其

5、寿命长、成 本低,单价只有一元,使用简单的电路即可驱动。其主要技术指标及结构图如图 2、图3所示。1!：;:r« r匕M（h4产島类型半导体宅皈元件标准封装胶木（黑胶木）检测气体甲烷检测浓度30<HOOOOpp©(甲烷)标准电路条件回踣电压Vc<24V DC加热电压Vh5. 0V±0- 2V ACorDC负娥电阻Ri可调标准 测试 条件 下气 敏元 件特 性加热电阻心30。±3。室温）加热功耗Ph900mW敏感体表面电阻IL2K O-20KO (in 5(KWppm CH< )灵救度sRs(in 8iT)/Rs(5OG0pF®

6、 甲烷)豪5浓度斜率aW 0. 6 ( Kjuatcw/Kjiato CHi)标准测试条温度.湿度2(TC±2* 6諏±5細标准测试电歸Vc： 5. OViO. IVYu： 5. OViO. IV1 也*田阀146/3.2 A/D转换电路由于MQ-4传感器的输出信号为模拟电压信号,要想将采集到得数据送至 单片机系统进行数据处理则需要将模拟信号转换成数字信号，所以在这里我们还 要选用ADC0808芯片进行模数转换处理。ADC0808是采样分辨率为8位的、 以逐次逼近原理进行A/D转换的器件。其部有一个8通道多路开关，它可以根 据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中

7、的一个进行A/D转换。3.3控制电路控制电路的主体为AT89C51型单片机，AT89C51是一种带4K字节闪烁可 编程可擦除只读存储器 (FPEROM Flash Programmable and Erasable Read Only Memory )的低电压,高性能 CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C51是一种带2K字节闪烁可编程可擦 除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该 器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯 片中，AT89C51单片机为很

8、多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方3.4数码管显示电路LED数码显示器是一种由LED发光二极管组合显示字符的显示器件。它使 用了 8个LED发光二极管,其中7个用于显示字符,1个用于显示小数点,故 称之为7段发光二极管数码显示器。这里用MAX7219和三个数码管实现3位动态显示电路，数码管采用共阳 极接法。由于采用动态显示，因此除了要给显示器提供显示段码之夕卜,还要对显 示器进行位的控制,即通常所说的"段控"和"位控"。因此对于采用动态显示 的电路来说，单片机都需要提供两种输出口 ,种用于输出显示段码,另一种用 于输出位控信号。"位控

9、"实际上就是对LED显示器的公共端进行控制，位控信 号的数目与显示器的位数相同。3.5 D/A转换器和执行机构DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个 DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中 得到广泛的应用。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A 转换电路及转换控制电路构成。为了简化电路,将DAC0832配置为直通式工作方式,单片机的数字量输出 信号通过D/A转换器转化为模拟量输出信号,并通过这个信号控制排风扇的电 机转动，这样就构成了整个电路的执行机构。ummB呈 .冠9 r, 小 FSAUJJj .

10、rceIM %e d if.uIHftU a-±X;、"MG FCAcr>Tc “心e 4/r>i-""zsgQ IS CW&»y一一亠亠亠亠L44FWS-*3.6总电路图总电路图如图4所示。%G 丄:.:?.M易船踏|±二亠士哇it亠一.空02RL17图43.7系统程序框图主程序流程图如下图所示。开始系统初始化设上给立值数据釆集处理超值执行器动作动态显示数押:回传4.结果分析本系统软件设计采用C语言进行编程,充分发挥PIC单片机部资源优势； 同时所编写的程序可读性和可移植性较好z提高系统开发和调试效率。程序由主程

11、序和多个可调用的子程序构成。设备一旦开始工作，单片机及 相关外围元件开始初始化，然后对各个变量参数设定初始值或者设定值，主程序进入了执行阶段然后对所监控的矿井环境中的瓦斯浓度开始采集” 经过A/D转化器处理和传输，再把信号传送到单片机部的模拟t匕较器,与设定 值进行t匕较。若瓦斯浓度高于设定值,系统则会驱动执行机构动作，同时，瓦斯 浓度可以在3段8位的LED数码管上动态显示。5总结基于C51单片机的智能瓦斯浓度控制系统实现了对煤矿井下瓦斯浓度的准 确、快速、实时监测和控制,不仅可以实时分析、处理数据,还可以通过控制排 风扇的动作实现矿井瓦斯气体浓度维持在安全值。该设备可靠性高、检测精度高、 稳

12、定性强,能够显著提高煤矿企业相关监测部门的管理水平和工作效率。6.心得体会回顾起此次设计实验,至今我仍感慨颇多。的确，从选题到定稿，从理论到 实践,在整整一个星期的日子里,可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多 的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所 没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要 的,只有理论知识是远远不够的,只有把所学的理论知识与实践相结合起来,从 理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思 考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的, 难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对 以前所学过的知识理解得不够深刻,拿握得不够牢固,对单片机的许多知识还拿 握彳專不好,这次设计实验过后,