煤矿瓦斯监测学士学位.doc
《煤矿瓦斯监测学士学位.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《煤矿瓦斯监测学士学位.doc(58页珍藏版)》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流煤矿瓦斯监测学士学位.精品文档.煤矿瓦斯监测摘要能源工业是国家经济发展的命脉,近年来,随着石油资源的紧张、石油价格的飚升,煤炭行业的重要地位和不可替代性也日益显现。然而,中国煤炭行业的安全生产形势却不容乐观,尤其是重、特大伤亡事故屡见报端。在这些事故中,瓦斯爆炸又占绝大数。这其中,固然有很多诱发因素,但各煤矿生产企业安全监测设备不完备、管理手段落后是造成事故频发的重要原因之一。论文首先介绍了当代瓦斯报警系统的现状及其发展状况以及气体传感器的原理使用。在此基础上,详细论述了瓦斯气体报警系统的硬件电路设计与系统软件设计。本课题采用具有较高性价比的
2、单片机AT89S52构成煤矿气体监测系统的核心部分,根据气体传感器测量的信号,实现对CH4的成分识别和浓度测量;使用按键面板输入外部命令;采用ATMEL公司的Data Flash存储器AT24C02存储设定的参数及大量的测量数据;采用RS-485协议,实现数据远传;通过中继器的再生还原传输到地面就收PC机,由地面通讯软件接收处理。关键词:传感器:煤矿;数据采集;串口通讯;AbstractEnergy industry is the vitals of our countrys economy developmentIn recent years,in company with petroleu
3、m resources shortage、petroleum prices grow rapidlyThe importance and unsubstitutability of coal industry increase everydayBut Chinese coal industry safety in production refuse optimism,as serious casualty repeatedly appeared in the newspaperGas explosion occupy the most part of those accidentIt is s
4、ure that many factors caused that, but each colliery enterprises lack of safety monitoring equipment、ladder of management lag are the one of substantial reasons First of all,the dissertation expounds the development and actuality of CH4 instrumentationThen introduce the design requirement of the ins
5、trumentation,because collierys underground working environments high humidity、has flammable and detonable gasses and smut particularly with other locations working environment ,so the electric installation must conform blast protection requirement and must have grounding overflowing creepage protect
6、orAt third chapter, the dissertation elaborated the CH4 detection instruments hardware and softwareThe whole detection instruments hardcore is SCM AT89S52,according to the signal detected by the gas sensor to identify the ingredient of the air and the Use eight LED nixie tube to display the gas cons
7、istency of CH4Use keyboard panel to input the external command;Adopt Data Flash AT24C02 produced by ATMEL to store the parameters and substantive dataUse eight LED nixie tube to display the gas consistencyUnder the PC controlled modeadopt RS一485 protocol to realize the data being sent to the serial
8、port communication softwareso the worker Can know the environments status all the timeKey words:sensor;coal mine;data collection;serial communication煤矿瓦斯监测目 录1绪 论51.1煤矿瓦斯报警系统概述61.2煤矿瓦斯报警系统的国内外发展状况81.3本次设计的意义91.4本设计的主要工作内容102 煤矿瓦斯报警系统器件的选择102.1 系统设计功能102.2 设计原理112.2.1 气体传感器的选择112.2.2 单片机型号的选择132.2.3
9、AT89S52单片机的特点133 煤矿瓦斯监测系统设计原理153.1 系统原理框图153.2 系统硬件设计163.2.1 系统电源163.2.2 气体传感器加热及其信号采样203.2.3 传感器信号监测回路及A/D转换参考电源223.2.4 模数转换芯片AD7810的原理及应用243.2.5 MAX7219显示电路283.2.6 I2C总线接口电路333.2.8 看门狗硬件电路383.3系统软件设计393.3.1 主程序403.3.2 按键中断程序423.3.3 定时器A中断程序443.3.4 串行中断程序463.3.5 软件的低功耗设计474通讯的设计504.1 RS-485串口通讯介绍50
10、4.2 Rs-485通信硬件电路设计514.3 中继器介绍555 上位机设计565.1 虚拟仪器及LabVIEW简介565.2 系统上位机软件整体设计575.2.1软件系统的总体功能设计要求575.2.2软件构成模块585.2.3用户界面的设计585.3数据库相关知识介绍595.4数据存储模块程序的设计605.5数据查询模块程序的设计635.6曲线形成模块的设计656总结与展望67参考文献68致 谢721绪 论煤炭作为现代工业发展的基础,大量用于发电冶金等重工业领域,关系到国家工业大局安全,所以保证煤炭生产正常有序具有战略性意义。而在众多煤炭安全生产事故中,瓦斯事故占有比例越来越高,直接成为威
11、胁煤矿安全生产的第一杀手。随着开采技术的不断提高,开采深度的不断加大,相应的煤矿瓦斯报警技术也需要不断提高,不断的创新。1.1煤矿瓦斯报警系统概述煤矿瓦斯报警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垒地面监控室PC的系统。本课题中完整的煤矿气体监测系统由以下五个部分组成:(1) 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) 通讯单元:将采
12、集数据通过RS-485通讯方式进行数据通信;(5) 数据采集分析软件;运用LabVIEW编写通讯软件,实现气体数据的采集、分析及保存。煤矿瓦斯报警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。气体传感器是煤矿瓦斯报警系统的重要组成部分,就其原理可以分为四大类:光学类气体传感器、电化学类气体传感器、高分子材料类气体传感器及电学类气体传感器。世界上发达国家用于煤矿井下易燃易爆气体监测的方式主要有光干涉式、载体催化燃烧式两种。光干涉式气体监测仪表是利用了光的干涉原理实现对已知待监测气体浓度的测量。比较典型的产品有矿用光干涉型CH4气体监测仪,它是利用不同种类、不同浓度的气体对
13、光的折射率不同这一性质,针对CH4气体设计适当的光路系统,把CH4气体浓度的变化转换成光的干涉条纹的位置变化。因此只要测量该位移量,就可以获得CH4在空气中的含量。该测量仪测量范围大,使用寿命长,但仪器设备大,价格高,测量不直观,而且无法与监控系统连接,因此在煤矿中的使用量逐年减少。在这二种气体监测仪表中,载体催化燃烧方式监测可燃气浓度的方法因其线性和稳定性较好,以爆炸下限百分体积浓度为单位的浓度标度方法能统一衡量各种可燃气浓度所呈现的爆炸危险度,且量程符合工业要求,故被较多的用于爆炸危险场所可燃性气体的测量。当Pt丝中通以工作电流使之达到临界反应温度(320350)时,可燃气在元件表面催化燃
14、烧使Pt丝电阻增加,在完全燃烧且热辐射可忽略时,电阻增量R1与可燃气浓度C成正比,即有RF=*a*C*Q/Cp=K1C,(K1=*a*C*Q/Cp) (1.1),a,Q,Cp分别为Pt电阻温度系数、催化剂性能常数、可燃气燃烧热、元件热容,故(K1是仅与元件及可燃气种类有关的常数。将RF转换成电信号,通过这一阻值变化,转换为电压变化,从而通过A/D转换可得到被测气体的浓度值。1.2煤矿瓦斯报警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、便携式和同定式。袖珍式仪器的采样方法为扩
15、散式,用于在危险环境中的工作人员随身携带: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升下同定地点气体监测。世界各国也均有煤矿瓦斯气体监测的系统,如波兰的DAN6400、法国的TF200、德国的MINOS和英国的Senturion一200等,其中全矿井综合监测控制系统有代表性的产品有美国MS公司生产的系统,德国BEBRO公司的PROMOS系统。但是这两种系统只足基于井下监测,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
16、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、KJ8、KJIO、KJl3、KJl9、KJ38、KJ66、KJ75、KJ80、KJ92、KJ95、KJl01等煤矿有害气体监测系统,在我国煤矿已有大量使用,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T扰,造成监测结果不准确,易出现误报警等现象。1.3本次设计的意义改革开放以来,我国煤矿安全生产科技得到了较大的发展。煤炭科学院所、高等院校以及部分煤炭企业分别成立了专门的煤矿安全技术工程研究所、实验室和研发基地。煤炭行业已形成大专、本科、硕士、博士一套较为完善的安全工程学历教育体系
17、,初步形成了一支具有一定规模和水平的煤矿安全生产科技队伍。开展了“九五”、“十五”科技攻关计划、“863”、“973”、国家自然科学基金等多项煤矿安全领域的重大科技攻关,促进了煤炭行业安全高新技术和基础性研究水平的提高,科技研发能力得到了较大提升。虽然我国煤矿安全生产科技工作已经取得了较大成绩,但水平仍然较低,尚不能为煤矿安全生产提供强有力的支撑和保障。目前我国煤矿安全技术与装备落后,难以适应危险源监控、预警、灾害防治和事故应急救援的需求。仍有许多装备存在适应性不强、可靠性差的问题。另外,面对新出现的灾害,缺乏必要的控制灾害的专用装备。煤矿安全的监测仪器仪表也存在着寿命短、精度低、稳定性差,不
18、能实现自动调校的问题,满足不了日益发展的煤矿安全生产的需求。近年来,煤矿发生事故的数量在不断增加,如何加强安全生产,提高预警和时候搜救工作效率,成为煤炭行业事业能否稳定持续发展的一个重要保证,在紧急高速发展、能源供应紧张的形势下,如何处理好保证安全和提高产量的关系,需要深入研究。1.4本课题的主要工作内容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
19、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本课题的研究日标,是设计一种能够有效监测煤矿瓦斯气体的监测系统,并可以将实时数据上传垒地面监控电脑,实施控制。为此,应根据煤矿工作环境及煤矿巷道中气体监测系统使用的特殊要求进行系统设计。2.1 系统设计功能在本设计中,煤矿气体监测系统的功能是能够监测CH4,同时本着方便应用的原则,还应具备声光报警、人机界面操作、数据存储以及与Pc机通讯等功能。基于这些要求,仪表应由敏感探头、A/D转换、单片机、数据存储器、显示器、按键面板及报警模块、通讯模块等组成。由于在标定和更新系统参数的时候,需要大量的实验数据,这就需要扩展仪表外设功能模块
20、,采用串口通讯实现数据的远传。2.2 设计原理本设计采用CH4气体传感器,研制无火焰燃烧式CH4气体传感器应用系统,实现对CH4的识别,浓度的测量、是否达到报警阈值的判断以及数据的远传。2.2.1 气体传感器的选择本次设计采用CH4气体传感器进行参数测量。其催化元件是采用一种全新高活性的纳米级过渡金属合金低温反应催化剂作为新的敏感元件,取代传统的瓦斯燃烧催化剂。这种新的合金催化剂不仅对瓦斯催化反应的活性极高,临界反席温度低,而且具有良好的催化选择性,有利于提高报警器的灵敏性和准确性。同时因反应可在较低温度进行,催化剂性能稳定,因而大大延长了催化剂的使用寿命。这种敏感元件的外观图见图2.2.1,
21、其具有抗气体干扰能力强、选择性好、反应速度快、灵敏度高、线性和稳定性好、功耗低、寿命长等特点。适用于煤矿井下作业环境测量空气中的甲烷气体浓度。图2.2.1 元件外观图(1) 元件使用环境条件: 温度:一20+70 湿度:95RH 风速:2mV (M:灵敏度)(4) 传感器对多种可燃气体的敏感特性 敏感元件输出电压与对各种气体浓度之间具有较好的线性关系。2.2.2 单片机型号的选择单片机型号的选择是根据控制系统的目标、功能、可靠性、性价比、精度和速度等来决定的。根据本课题的实际情况,单片机型号的选择主要从以下两点考虑:一是要有较强的抗干扰能力。由于甲烷气体监测传感器处于煤矿矿井巷道中,T作环境比
22、较恶劣,以及实际的运行工况比较复杂,这些都对单片机的干扰较大,所以应采用抗干扰性能较好的单片机机型;二是要有较高的性价比。由于5l系列在我国使用最广且该系列的资料和能够兼容的外围芯片也比较多,特别是ATMEL公司2003年推出的新一代89S系列单片机,其典型产品AT89S52单片机具有较高的性能价格比。本文采用ATMEL公司生产的AT89S52单片机作为报警系统的核心部件,它具有89C52的全部功能,是80C51的增强型并且指令完全兼容,AT89S52新增加的功能由特殊功能寄存器完成。2.2.3 AT89S52单片机的特点(1)兼容MCS一5l单片机(2)8K字节FLASH存贮器支持在系统编程
23、ISPl000次擦写周期(3)256字节片内RAM(4)工作电压4.0V到6.0V(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(lO)上电复位标志(11)完全的双工 UART串行口(12)低功耗支持Idle和Power-down模式(13)Power down模式支持中断唤醒(14)看门狗定时器(15)双数据指针此外,与AT89C52相比,AT89S52新增加了许多功能,这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。首先,AT89S52内部增加了片内看门狗定时器,这将有利于坚固用户应用系统,提高系统可靠性:
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 煤矿 瓦斯 监测 学士学位
限制150内