瓦斯气体浓度控制系统设计

1、计算机控制系统设计性实验报告学生：邱博学号：26学院：自动化工程学院班级：自动133题目:瓦斯气体浓度控制系统目录1. 选题背景 12. 方案论证 13. 过程论述 23.1传感器的选择 23.2 A/D转换电路 33.3控制电路 33.4数码管显示电路 43.5 D/A转换器和执行机构 43.6总电路图 53.7系统程序框图 54. 结果分析 65. 总结 76. 心得体会 7参考文献 71. 选题背景当前，随着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在隐患，每

2、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 里设计一款瓦斯气体浓度浓度

3、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，能够对采集的数字信号 进行处理和

4、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，其次其寿命长、成本

5、 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。疋:-Vi 1 * i u "n:- - « «J ts4rm i帳L】产貼类垦半H休吒崛兀件标准討谨胶木（究临木）ioc-l 0000( Tfe)标准回豳压v<峑姑V DCJ11热魁斥Y5. t)V± 化 2V .KorLLHi可岡标准 测试 案件 e气件特ftRi（电齟）址】热功样P敏!曲体贞廊电FHR*2KO-2CKG (in OOOpp* CHi )灵址度S(in aii J/Rs f&LKMJppaJ卩绘)3=5応 QkUwA细0标 准测 试条2

6、$贮±2t：标准捕试吧瞬VfI 5. OV±Ol IV SitA lO. JY曲J寵翹釧枇L1*.ri-ri bia/43.2 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

7、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CMOS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ATMEI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单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。3.4数码管显示电路LED数码显示器

8、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MAX7219W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外， 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， 一种用于输出显示段码，另一种用于输 出位控信号。“位控”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

9、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。3.6总电路图总电路图如图4所示111TmTTJ&a二=m一 一 丿Hi!>>仁?:|“JH< « g 4 fl d 4 口*fc3.7系统程序框图主

10、程序流程图如下图所示。系统初始化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，提高系统开发和调试效率。程序由主程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比较器， 与设定值 进行比较。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

11、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， 掌握得不够牢固，对单片机的许多知识还掌 握得不好，这次设计实验过后，一定把以前所学过的知识重新温故。参考文献1 .朱高中 基于单片机的矿井瓦斯浓度监测系统的研究仪表技