（资料）煤矿瓦斯监测学士学位论文

1煤矿瓦斯监测能源工业是国家经济发展的命脉，近年来，随着石油资源的2山东科技大学学士学位论文Energyindustryisthevitalsofo3rapidly.Theimportanceandunsubstitutabilityofcoalofmanagementlagaretheoneofsubstantialreasons.4confomblastprotectionrequirementandmusthave5山东科技大学学士学位论文serialportcommunicationsoftware.soknowtheen6山东科技大学学士学位论文煤矿瓦斯监测1绪论 71.1煤矿瓦斯报警系统概述 81.2煤矿瓦斯报警系统的国内外发展状况 1.3本次设计的意义 1.4本课题的主要工作内容 2煤矿瓦斯报警系统器件的选 2.2设计原理 3煤矿瓦斯监测系统设计原理 23 3.3系统软件设计 4.2Rs-485通信硬件电路设计 4.3中继器介绍 5上位机设计 5.2系统上位机软件整体设计 7山东科技大学学士学位论文5.5数据查询模块程序的设计 5.6曲线形成模块的设计 81.1煤矿瓦斯报警系统概述(1)气体传感器：能感知环境中甲烷气体及其浓度的一种敏(2)显示单元：根据测量信号，由单片机将待显示数据按相(3)声光报警单元：当监测气体浓度超出设定报警值时，发(4)通讯单元：将采集数据通过RS-485通讯方式进行数据(5)数据采集分析软件；运用9山东科技大学学士学位论文山东科技大学学士学位论文1.2煤矿瓦斯报警系统的国内外发展状况DAN6400、法国的TF200、德国的MINOS和英国的Senturion一山东科技大学学士学位论文山东科技大学学士学位论文转化为脉冲量，易受矿井下强电磁设备T扰，造成监测结果不准1.3本次设计的意义山东科技大学学士学位论文山东科技大学学士学位论文目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，设计了煤矿瓦斯报警系统.主要工作包括：(1)甲烷气体传感器的选用及实验(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)通讯方式设计(6)终端数据采集及显示软件的设计2煤矿瓦斯报警系统器件的选择山东科技大学学士学位论文山东科技大学学士学位论文2.2设计原理2.2.1气体传感器的选择图2.2.1元件外观图(1)元件使用环境条件：温度：—20℃~+70℃湿度：<95%RH风速：<8m/s山东科技大学学士学位论文(2)零点输出(3)灵敏度(4)传感器对多种可燃气体的敏感特性2.2.2单片机型号的选择山东科技大学学士学位论文2.2.3AT89S52单片机的特点(5)全静态时钟OHz到33MHz(6)二级程序加密(7)32个可编程I/O口(8)3个16位定时/计数器(9)6个中断源(11)完全的双工UART串行口(13)Powerdown模式支持中断唤醒(14)看门狗定时器(15)双数据指针将使单片机在工作过程中具备更高的稳定性和电磁抗干扰性山东科技大学学士学位论文AT89C51/52,而软件硬件均不需作任何修改，这给正使用山东科技大学学士学位论文3煤矿瓦斯监测系统设计原理通讯接1:3等部分组成，其原理框图如图3.1所示。采用单片机AT89S52构成煤矿山东科技大学学士学位论文用ATMEL公司的DataFlash存储器AT24C02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；也可声光报警控制面板气体传感器时钟模块计算机图3.1系统硬件原理图3.2.1系统电源3.2.1系统电源基本思路：220V交流电压→降压→整流→滤波→稳压→稳压电路稳压电路滤波电路整流电路“3“(1)电源变压器：将电网供给的50Hz,有效值380V的交流电变换成符合整流电路要求的交流电。在该设计中，要得到正负(2)整流电路：将变压器二次侧的交流电压变换为单向脉山东科技大学学士学位论文(3)滤波电路：将脉动的直流电压变换为平滑的直流电压。(4)在该设计中采用电容滤波。滤波电路是利用电容和电感(5)稳压电路：将直流输出电压稳定，减小电源电压波动山东科技大学学士学位论文该系统系统电源电路图如图3.2所示，Vin是外部输入电源，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；D1、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起其损坏。整个系统用电可以划分为两部分：HVCC是LED显示器模块感器加热、传感器信号监测回路及A/D转换参考电源模块输入需要的9.58工作电压；VCC是单片机等集成芯片需要5V的工作电山东科技大学学士学位论文全区保护等多种保护电路。输出引脚3与调节引脚1之间保持端输出1.25V。由Vin端提供工作电压以后，便可以保持Vout端(3调整ADJ端的电压，便可在Vout端得到比较大的输出电流，并且LM317的输出电压=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3-8mA不等，可以通过在负载端接一个合适的电阻来解决。依据LM317的输出电压计算公式可以得到图3.2中LMI的输出：HVCC=9.58V。另外LM2的输出：VV无图3.2系统电源电路图山东科技大学学士学位论文3.2.2气体传感器加热及其信号采样山东科技大学学士学位论文式，可以得到：图3.3气体传感器加热及信号采样电路图模数转换芯片选用的是美国模拟器件公司(AnalogDevices)生产的一种低功耗10位高速串行A/D转换器AD7810,其转换精度。模数转换时.参考电源的稳定性很重要，在本系统中外部电源是由TL431及其外围电路供给。根据欧姆定律得到气体传感器的输出电压：经A/D转换后，换算出气体传感器输出电压：由以上两式联立得：上式化简得到：3.2.3传感器信号监测回路及A/D转换参考电源范围是2.5V到36V;典型动态阻抗为0.20,输出杂波低。在很多山东科技大学学士学位论文REF端(同相端)的电压非常接近VI时，三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着REF端电压的微小变化。通过三极管的电流将从I到100mA变化。当在REF端引入输出反馈时，器件可以通过从阴极到阳极很宽范围的分流来控制输出电压。需要注意的是，在选择电阻时必须保证TL431工作的必要条件，即通过的分压引入反馈。若输出增大，则反馈量增大，TL431的分流也就增加，从而又导致VH下降。可见，这个深度的负反馈电路必然在VI等于基准电压处稳定，此时TL431的输出：山东科技大学学士学位论文3116Y2图3.4传感器信号检测回路及A/D转换参考电源电路图3.2.4模数转换芯片AD7810的原理及应用AD7810是美国模拟器件公司(AnalogDevices)生产的一种(2.7V~5.5V)供电。在自动低功耗模式下，该器件在转换吞吐山东科技大学学士学位论文2脚VIN+:模拟信号同相输入端3脚VIN-:模拟信号反相输入端4脚GND:接地端口7脚SCLK:时钟输入端23485Vref1)分辨率：10位二进制5)电源功耗：高速方式时为17.5mW,低功耗方式时为6)参考电压VREF范围：1.2V～VDD1)高速模式山东科技大学学士学位论文负脉冲，其下降沿将启动一次转换。若采用内部时钟，那么,DB9,最后发送DB0)依次出现在DOUT上。如果在转换还未结束之前就发出SCLK信号来启动数据输出，那么,在山东科技大学学士学位论文启动信号CONVST应在转换结束前变为高电平，即t2应小于t1,否则器件将自动进入低功耗模式。另外，串行时钟SCLK的最高频率不能超过20MHz。2)自动低功耗模式模式下，启动信号CONVST为低电平时，器件处于低功耗休眠状态。当在CONVST端输入一个正脉冲时，可在其上升沿当器件被唤醒后，系统将自动启动一次转换，转换时间也是位寄存器中，同时自动将器件再一次置于低功耗状态。山东科技大学学士学位论文DB9DB0AD7810的一大特色，一般当数据吞吐率小于100kSPS时，(4)AD7810的应用电路十VrefVref图3.8AD7810应用电路山东科技大学学士学位论文P1.7,只要严格按照AD7810的时序要求操作，一般接口都不3.2.5MAX7219显示电路山东科技大学学士学位论文码管作显示，显示颜色为红色。发光数码管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AT89S52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方式。通常小管采用哪种显示方式，单片机往往都工构成显示接口电路，仅需使用单片机3个引脚，即可实现对8位LED数码管的显示控制和驱动，线路非常简单，控制简单方便。示驱动器，是用一个芯片实现以往用软件完成的动态显示电路扫山东科技大学学士学位论文XXXX地址山东科技大学学士学位论文方式，亮度寄存器的值设置为最小，扫描寄存器设置为仅显示1过初始化后才可正常工作。入的为最高位，在CLK的上升沿将数据位移入器件内的移位寄存的寄存器中，LOAD信号的上升沿必须与CLK的上升沿寄存器地址十六进制码X0000位0X0001位tX000位2X01位3X00位4X0位5X00位6X0位7X10译码方式X101亮度X1010扫描范围X1011关闭X1100显示测试X111(2)单片机的串行工作方式山东科技大学学士学位论文山东科技大学学士学位论文(3)单片机与MAX7219的连接控制系统单片机与MAX7219及显示器件的连接如图3.10所示。单片机的P1.0、P1.1引脚分别接MAX7219的DIN、CLK,以P1.2控制LOAD引脚。由于MAX7219是在脉冲信号控制下工作的，(4)控制程序设计3.2.612C总线接口电路山东科技大学学士学位论文电路，而且将内部各单元电路按功能划分为若干相对独立的模块，通过指令将某个功能单元电路挂靠或摘离总线，还可对该单元的工作状况进行监测，从而实现对硬件系统的既简单又灵活的扩展(2)双向传输的接口特性传统的单片机串行接口的发送和接收一般都各用一条线，送信息时，它就是发送器(也叫主器件),而当其从总线上接收送数据并产生时钟以开放传送的器件，此时任何被寻址的器件均被认为是从器件。I²C总线的控制完全由挂接在总线上的主器山东科技大学学士学位论文的数据传送速率在标准工作方式下为100kbit/s,在快速方式下，最高传送速率可达400kbit/s。在I²C总线上传送信息时的时钟同步信号是由挂接在SCL平的跳变将影响到这些器件，一旦某个器件的时钟信号下跳为低山东科技大学学士学位论文这样就在SCL线上产生一个同步时钟。可见，时钟低电平时间由时钟低电平期最长的器件确定，而时钟高电平时间由时钟高电平(4)数据的传送如图3.12所示。当时钟线SCL为高电平时，数据线SDA由高电平由主器件产生。在开始信号以后，总线即被认为处于忙状态；在结束信号以后的一段时间内，总线被认为是空闲的。开始信I²C总线的数据传送格式是：在I²C总线开始信号后，送出的第一个字节数据时用来选择从器件地址的，其中前7位为地址码，息写到所选择的从器件；方向位为息。开始信号后，系统中的各个器件将自己的地址和主器件送到总线上的地址进行比较，如果与主器件发送到总线上的地址一致，则该器件即为被主器件寻址的器件，其接收信息还是发送信息则山东科技大学学士学位论文山东科技大学学士学位论文EEPROM,它是内含256*8位存储空间，具有工作电压宽(2.5~山东科技大学学士学位论文74658件地址。它们都接地，第8脚和第4脚分别为正、负电源。第5脚和单片机的P3.7连接。第6脚SCL为串行时钟输入线，和单片机3.2.8看门狗硬件电路山东科技大学学士学位论文MAX706有以下特性：山东科技大学学士学位论文5)可输出高电平有效的复位信号。CPU正常丁作时.该电路对其不加干预，当CPU工作失常原图3.16看门狗电路P1.3作为喂狗信号，CPU只要在1.6s内给P1.3一个正脉冲，3.3系统软件设计存储子程序、串行中断程序以及软件的低功耗设置这几个部分完山东科技大学学士学位论文序进入主循环，开启中断，进入低功耗模式3,等待中断唤醒。Y按警国值设费为默认梦数并在绿Y预热气体传深要N率口数据有效标志位置位Y打开定时器YYYYN敷据远懂NN算止外部按置NN再统复位?,图3.17主程序流程图NYNYNNNNNNN数位左右移动N预留YNY图3.18按键中断程序流程图山东科技大学学士学位论文运用它们各自的独立功能山东科技大学学士学位论文3.3.3定时器A中断程序关闭定时器YN数据存储并显示YYN报豁?NY声光报警并显示气体成分及液度N图3.19定时器A中断程序流程图本文利用定时器A定时中断来实现对环境气体的循环测量，山东科技大学学士学位论文山东科技大学学士学位论文串口接收数据YNYNNYNYNY中断返回错误标志位图3.20串行中断程序流程图山东科技大学学士学位论文3.3.5软件的低功耗设计山东科技大学学士学位论文山东科技大学学士学位论文务执行后返回该任务的执行时间并将其自身关闭，开始另一轮的每个任务的运行时间都小于系统对输入做出响应的最大允许时间，以保证系统的实时性：其次，把可能发生互斥的操作放在一个任务中，或把控制使用该资源的功能作为一个任务，其它任务需使用该资源时，通过任务间通讯启动。如几个任务都需显示，可把显示驱动程序化为一个任务，其它任务执行结束后将显示任务置就绪态。在实际应用中，为满足系统实时性需要，某些任务可在由于系统对传感器信号的采样是定时进行的，并且需要在多次采样的基础上完成，每次执行之间间隔时间长，又因为这些操作任务可由高速运行的微控制器瞬间完成，从而形成了单片机在山东科技大学学士学位论文山东科技大学学士学位论文1.05W,空载功耗约为0.30W,气体传感器部分的功耗约为4通讯的设计RS-485作为一种多点差分数据传输的电气规范现已成为业RS-485标准最初由电子工业协会EIA于1983年制订并发布，后由TIA通讯工业协会修订后命名为TIA/EIA-485-A,不过工程师10Mbps,传输距离延长到4000英尺(速率低于100kbps时),并4.2Rs-485通信硬件电路设计14分机2分机图3.14RS-485系统示意图1)硬件电路的设计在论文设计中采用AT89S52单片机自带的异步通信口，外的隔离，在AT89S52的异步通信口与MAX485之间采用光耦隔离。BPE图3.15485通信电路原理图MAX485各引脚意义如下：RE:低电平有效的接收允许DE:高电平有效的发送允许B:485差分信号的反向端山东科技大学学士学位论文充分考虑现场的复杂环境，在电路设计中注意了以下三个问题。由于应用系统中，主机与分机相隔较远，通信线路的总长度往往超过400米，而分机系统上电或复位又常常小在同一个时刻分机就无法与主机进行通信。这种情况尤其表现在某个分机出现山东科技大学学士学位论文在瓦斯数据采集系统中，由于要对现场情况进行实时监控及响应，通信数据的波特率往往做得较高(通常都在4800波特以上)。使用5类非屏蔽的双绞线),而是在与单片机系统进行信号隔离的使光耦的发光管由截止进入饱和变得较慢；如果选取得过小，退出饱和也会很慢，所以这两只电阻的数值要精心选取，不同型号的光耦及驱动电路使得这两个电阻的数值略有差异.这一点在电路设计中要特别慎重，不能随意，通常可以由实验来定。③485总线输出电路部分的设计输出电路的设计要充分考虑到线路上的各种干扰及线路特性阻抗的匹配。由于工程环境比较复杂，现场常有各种形式的干扰山东科技大学学士学位论文TVS瞬态杂波抑制器件，或者直接选用能抗雷击的485芯片路),为防止总线中其它分机的通信受到影响，在MAX485的485信号输出端串联了两个200的电阻R10、R11。这样本机的硬件故VB≤-200mY,输出逻辑0;而A、B端电位差的绝对值小于200mV时，输出为不确定。如果在总线上所有发送器被禁止时.接收器输出逻辑0,这会误认为通信帧的起始引起工作不正常。解决这个问题的办法是人为地使A端电位高于B两端电位，这样PXD的电平在485总线不发送期间(总线悬浮时)呈现唯一的高电平，AT89S52单片机就不会被误中断而收到乱字符。通过在485电路的A、B输出端加接3.3K的上拉、下拉电阻R7、R9,即可很好地2)软件的编程485芯片的软件编程对产品的可靠性也有很大影响。由于485在485芯片的通信中，尤其要注意对485控制端DE的软件编山东科技大学学士学位论文4.3中继器介绍中继器(RPrepeater)是连接网络线路的一种装置，常用山东科技大学学士学位论文5上位机设计5.2系统上位机软件整体设计5.2.1软件系统的总体功能设计要求5.2.2软件构成模块5.2.3用户界面的设计各中继站的浓度数据波动。假若采集到数据超过标准值即16%,山东科技大学学士学位论文则灯亮报警；在历史数据查询部分，选择需要显示的时间段并点击开始查询时，将从数据缓冲区中取出数据显示在表格中并形象的显示在历史曲线图表中；另外的选项卡——打印报表，选择要打印数据的时间段则可以将需要打印的数据全部打印出。下图仅展示实时数据查询部分的前面板，另外的选项卡均可山东科技大学学士学位论文开始查询超值报警8G:\毕业设计中维站各测点瓦斯浓度值时间点测点1测点2测点3测点55.3数据库相关知识介绍山东科技大学学士学位论文山东科技大学学士学位论文LabsQL利用MicrosoftADO以及SQL语言来5.4数据存储模块程序的设计山东科技大学学士学位论文Connection对象，用Connectionopen.vi建立与数据库的连接，采集的数据同时写到SQL语句—INSERTINTOmydata(日期时间，中继站序号)VALUES('%s',%s'%s’)之中，实现了数据记录山东科技大学学士学位论文对记录集的数据操作图16数据库操作的基本流程n%密0图17数据采集及存储程序5.5数据查询模块程序的设计建立在LabSQL对Access数据库访问的基础之上，同时依然遵循山东科技大学学士学位论文山东科技大学学士学位论文图18实时数据查询程序图图19历史数据查询程序结序母结序母图20打印报表程序图5.6曲线形成模块的设计山东科技大学学士学位论文将其改为“2011061符串送入ExtractNumbers.vi,它可将读取的字符串转换为双精6总结与展望产量占世界产量的35%,可事故伤亡人数却占80%。2004年中国山东科技大学学士学位论文态，采集传感器数据。本次设计的煤矿瓦斯报警系统具有抗干扰能力强、反应速度快、线性和稳定性好、功耗低等特点。参考文献[1]毛健全，煤层甲烷资源的开发与利用，贵州地质，1997,14(3):253[3]李鸿燕，张立毅基于单片机控制的甲烷浓度报警监控仪电脑开发与应2002,15(8):29-30.[4]下君，凌振宝，传感器原理及监测技术，长春：吉林大学出版社，2003:267—290.ofvolatileorgan