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1、I 单片机的瓦斯报警系统的设计 摘要 本文设计的用单片微机控制的瓦斯浓度监控报警系统，是采用热催化原理 (俗称黑白元件)探头制成的甲烷浓度测量仪，适用于煤矿井下各作业场所中测 量空气中的瓦斯浓度。仪器能够根据瓦斯浓度报警限(1.00%)进行声、光报警， 并启动排风设备，同时具有通信功能。 系统由 AT89C51 单片机、敏感元件、看门狗监控电路、小信号放大电路、 A/D 转换电路、通信电路、显示电路、报警电路等组成。其中 CPU 是监控仪的 核心，完成数据采集、处理、输出、显示等功能;敏感元件是准确检测瓦斯气 体含量的主要元件之一，其输出是与瓦斯浓度相对应的电压信号;小信号放大 电路则是用来放
2、大敏感元件输出的电压信号;A/D 转换电路把放大了的电压信 号由模拟信号变为数字信号送入单片机;显示电路则显示实时瓦斯浓度;报警电 路对超限瓦斯浓度进行报警。 该系统的特点是测量范围宽，精度高;结构简单，成本低;可靠性和稳定性 好，是一种电路设计新颖、参数测量准确、操作方便的矿用瓦斯浓度监控报警 系统。 关键词关键词: AT89C51，A/D 转换电路，敏感元件 II Abstract The concentration of methane monitor controlled by chip microprocessors15 able to sound the alarm bell ba
3、sed on the limit of methane concentration，and start device to drain the gas at the same time. The instrument include CPU，sensitive element，Canmengou monitoring circuit，little signal amplify circuit，A/D transform circuit，communication circuit，display circuit，monitoring circuit，CPU is the core in the
4、instrument，complete data gather，Process，export，display and so on. Sensitive element is one of the important to measure the concentration of methane，and its export is a little voltage signal，little signal amplify circuit is to transform the analogue signal to digital signal，display circuit is to disp
5、lay the concentration of methane，monitoring circuit is to monitor the overstep limit of methane concentration The feature is new design，accurately measure parameter，convenient to operate and so on. Keywords: AT89C51，sensitive element，A/D transformation Circuit. III 目录 摘要I ABSTRACTII 目录 .III 第 1 章 绪论
6、 .1 1.1 瓦斯的介绍 1 1.2 煤矿安全系统概况 3 1.3 测量仪器的基本性能 4 1.3.1 测量仪器的概念 4 1.3.2 测量仪器的基本性能 5 第 2 章 研究内容方法和原则 .8 2.1 研究内容方法 8 2.1.1 设备和功能 8 2.1.2 计时 9 2.1.3 主要实现方法 9 2.2 设计原则 9 2.2.1 总体设计的原则 10 2.3 课题研究的总体思路 11 第 3 章 监控系统工作原理 .12 3.1 瓦斯浓度检测系统原理分析 12 3.1.1 分类 12 3.2 热催化元件的结构及工作原理 13 3.2.1 热催化元件的结构 13 3.2.2 敏感元件工作
7、原理 14 3.2.3 整机工作原理 14 第 4 章 硬件电路设计 .16 4.1 微控制器 CPU .16 IV 4.1.1 AT89C51 16 4.2 敏感元件 19 4.2.1 催化元件的特性 .19 4.2.2 敏感元件的组成及作用 21 4.3 小信号放大电路 22 4.4 A/D 转换电路 .22 4.4.1 ADC0809 的内部结构 .22 4.5 通信电路 27 4.5.1 串行通讯 27 4.5.2 信号的调制和解调 29 4.5.3 芯片的选择 29 4.5.4 串行通信的软件 30 4.6 可编程看门狗电压监控电路 33 4.7 显示电路 37 4.8 声光报警电路
8、 38 4.8.1 光报警电路 38 4.8.2 声报警电路 38 4.9 排风电路 39 4.10 电源电路.41 第 5 章 软件设计 .46 5.1 系统软件设计原则 46 5.2 软件实现功能 46 5.2.1 主程序流程图 46 5.2.2 定时器中断服务程序 48 5.2.3 串行口中断服务程序 48 第 6 章 仪器标定及主要技术指标 .51 6.1 仪器的标定 51 6.2 仪器的主要技术指标 51 6.3 仪器的校正方法 51 结论 .53 V 致谢 .54 参考文献 .55 附录 1 57 附录 2 63 附录 3 71 1 第 1 章 绪论 1.1 瓦斯的介绍 瓦斯，说起
9、它的另外一个名称沼气，可能大多数人就会明白许多。其实它 是来自英文和俄文的不规范发音。Gas 的原意就是气体，包括各种可燃和不可 燃气体。瓦斯的主要成分是甲烷，它的化学元素符号是 CH4，一种无毒、无味、 无颜色，可以燃烧的气体。生活中广泛用来烧水，做饭，也可以用作照明。 在煤矿里它从煤岩裂缝中喷出。 矿井瓦斯爆炸是一种热一链式反应（也叫链 锁反应）。当爆炸混合物吸收一定能量（通常是引火源给予的热能）后，反应 分子的链即行断裂，离解成两个或两个以上的游离基（也叫自由基）。这类游 离基具有很大的化学活性，成为反应连续进行的活化中心。在适合的条件下， 每一个游离基又可以进一步分解，再产生两个或两上
10、以上的游离基。这样循环 不已，游离基越来越多，化学反应速度也越来越快，最后就可以发展为燃烧或 爆炸式的氧化反应。所以，瓦斯爆炸就其本质来说，是一定浓度的甲烷和空气 中度作用下产生的激烈氧化反应。的氧气在一定温度作用下产生的激烈氧化反 应。 瓦斯爆炸产生的高温高压，促使爆源附近的气体以极大的速度向外冲击， 造成人员伤亡，破坏巷道和器材设施，扬起大量煤尘并使之参与爆炸，产生更 大的破坏力。另外，爆炸后生成大量的有害气体，造成人员中毒死亡。 从我国煤炭生产的现状及我国能源结构战略规划均可看出，在本世纪中叶 以前，煤炭仍是支持我国国民经济发展的主要能源，煤炭生产，作为我国能源 工业的支柱，其地位将是长
11、期的，稳定的，但是煤炭工业的安全生产状况却不 容乐观，中小型煤矿的情况尤为严重，已经直接威胁到整个煤炭工业的稳定生 产，给国家财产和人民生命造成了很大的损失，作为“万恶之首”的瓦斯爆炸 事故更是重大事故发生率之首。在去年，又接连发生了多起甲烷爆炸事故，事 故的结果触目惊心，因此通过强化甲烷管理，提高通风、甲烷监测监控水平， 已经成为中小型煤矿甲烷监测监控的最迫切的任务之一。 煤矿生产安全监控系统，是目前为止实际通风甲烷管理工作中最重要和最 有效的自动化手段，已经装备监控系统的煤矿的甲烷事故发生率大为下降，实 践证明，煤矿生产安全监控系统对保障煤矿安全生产，提高煤矿生产率，提高 2 煤矿自动化程
12、度以及促进煤矿管理现代化水平，都有着举足轻重的作用。 煤矿生产安全监控系统虽在国内已有生产和应用，但还没有一种真正适合 于中小型煤矿使用的产品，我国从八十年代初期开始引进煤矿生产安全监控系 统，历经了直接引进、消化吸收、仿制配套、自主开发的过程，但迄今为止的 产品大多都是面对大型矿井设计的，而且自身尚有一些有待解决的问题，如: 造价高，系统最基本的配置过于庞大，运行费用大。 传感器测量稳定性差，调校频繁，寿命短。 系统安装、维护复杂，操作不便，人机界面较。 系统设备可靠性差。 必须依赖专业的维护队伍，对人员技术,素质有较高的要求。 国外的监控系统技术理论上讲高于国内发展水平，但应用于国内煤矿尚
13、有 一定的局限性，如煤矿管理模式生产方式的不同，价格过高不适于国内煤矿现 有条件,除在传感器技术方面可供借鉴外,其它仅具一定的参考价值。 综上所述，开发研制适用于中小型煤矿生产安全监控系统的任务迫在眉睫， 而根据我国煤矿生产和管理模式，依照我国的有关技术标准，其技术的先进性、 产品的可靠性和实用性则是本项目的关键所在。 沼气(瓦斯的俗称)矿井在我国煤矿生产矿井中所占比重很大，随着矿井开 采强度和深度的增加，沼气涌出量也在不断增加，沼气积聚可能引起沼气事故， 及时掌握煤矿井下沼气动态是一件十分重要的工作。甲烷浓度检测仪器就是用 来监视矿井沼气动态的有效工具。鉴于沼气在矿井中存在的普遍性及其可能造
14、 成灾害的严重性，甲烷浓度检测仪器在煤矿是数量最多,使用最普遍的安全检 测仪器，而且也是煤炭系统研制种类最多的仪器，需要说明的是，由于我国煤 矿习惯把甲烷叫做瓦斯，因此检测甲烷浓度的仪器，有的叫瓦斯检定器，有的 又叫沼气检定器。在这里，甲烷，沼气和瓦斯是同义词。 1.2 煤矿安全系统概况 煤矿生产是地下作业，自然条件和生产条件都复杂，在采掘过程中出现的 瓦斯涌出、煤尘飞扬、自然发火等都有可能造成严重事故。为了防止事故发生， 保障矿工的健康和安全，促进生产发展，提高煤炭企业的经济效益，应对井下 的气象进行检测，对可能造成灾害事故的各种有害气体及矿尘进行及时而准确 的检测和严格控制，一旦发生灾变，
15、必须及时救护遇难人员和处理事故。所有 3 这些都需要有相应的检测仪器和救护装备。 最初，人们为了防止井下空气中混有一氧化碳造成中毒事故，曾使用过 金丝雀一类的小动物来进行检测。1 815 年英国人在煤矿井下开始使用安全火 焰灯检测瓦斯。1897 年瑞典制成第一台容积压力式瓦斯浓度测量仪。随着矿 井开采深度的增大，机械化和综合机械采煤的普遍推广，通风安全方面问题日 益突出。与此同时，随着仪表工业及电子技术的发展，矿井通风安全仪器也得 到了不断的发展。1927 年日本制造成光干涉原理甲烷检定器，以后又陆续出 现热导、热催化原理、气敏半导体等各种不同原理的甲烷检定器，其测量精度 不断提高，检测方式从
16、“间断” 、 “就地”检测发展到“连续” 、 “集中自动”遥 测。特别是随着电子计算机技术的应用，一套监测系统，除能检测高低浓度甲 烷外，还可测一氧化碳、氧、氢的浓度，气温，风速等等。同时还能对井下设 备的工作状态进行监控。如英国 DYNSLINK-MINOS 系统的监测容量为 986 个模 拟量，896 个开关量，传输距离为 13km。在地面中心站一般都配有用来进行数 据采集和处理的计算机、打印机、显示器、控制台和模拟盘等。譬如当井下某 测点的甲烷浓度超限时，能发出声、光报警信号，切断该测点附近的电源。作 为间断方式检测的携带式仪器，也随着测试技术的飞速发展及多功能集成电路 的出现，检测元件
17、的性能不断提高而实现了单机分级报警，数码显示，自动校 正，电源监视和故障指示等功能。而且操作简单，维修量小，体积小。例如美 国 MSA 公司生产的携带式甲烷检测仪重量只有 0.28kg，外形尺寸为 146*65*38llmm。 解放前我国煤炭工业技术十分落后，矿井通风安全仪器更是属于空白。 解放后，党和政府对安全工作极为重视，煤矿安全状况及劳动条件得到了很大 的改善，通风安全仪器从无到有地发展起来在仪器的研究、生产制造方面，多 年来投入了很大的力量，形成了以抚顺、重庆、西安、常州、上海等地为中心 的安全仪器生产基地，除生产大量的通风安全仪器和救护设备外，从 1980 年 起，先后从波兰、英国、
18、美国和西德等地引进了多种形式的煤矿安全监测系统 和生产监控系统，在引进消化的基础上，我国也研制了一批安全监测系统，如 常州煤研所的 KJI 型，北京长城科学仪器厂的 KJ4 型，重庆煤矿安全仪器厂的 TF-200 型和 AwJ-80 型，西安仪表厂的 MJC-100 型，抚顺煤矿安全仪器厂的 AUI 型，总参 6904 厂的 WDJ-l 型和镇江煤矿专用设备厂的 A-l 型等安全监控 系统来装备矿井。其中 KJ4 型的系统容量为 1536 个，传输距离为 13km。所有 这些成就，表明我国的安全监测仪器的研制和装备进入了新的水平。但是目前 安全监测传感器的种类和质量与国际水平的差距还较大，这是
19、需要解决的问题。 4 1.3 测量仪器的基本性能 1.3.1 测量仪器的概念 煤矿安全仪器是用来检查测量矿井安全状况的物质手段。什么是测量呢? 测量是人们对自然界的客观事物取得数量观念的一种认识过程。在这一过程中,借 助于专门的技术工具,通过实验方法,求出以所采用的测量单位表示的未知量的 数值大小。测量的目的是为了在限定的时间内尽可能正确地收集被测对象未知 信息，以便掌握被测对象的参数及控制生产过程。例如，在采煤机上安装采灯 机瓦斯断电控制仪。它不仅可以连续监测采煤机附近风流的甲烷浓度，而且在 甲烷浓度超限时还可发出声、光报警信号，并自动切断采煤机的工作电源以防 发生瓦斯事故，确保生产安全。
20、1.3.2 测量仪器的基本性能 评价测量仪器品质的指标是多方面的。仪器的基本性能，主要是衡量仪器 测量能力的一些指标,如精确度、稳定性、测量范围、动态范围等。但工作可 靠性、经济性也很重要，这些因素在很大程度上影响仪器的使用。 1.精确度 与这个性能有关的指标有: （1）精密度 精密度是指在测量中所测数值重复一致的程度。即对某一稳定的被测量在 相同的规定工作条件下，由同一测量者用同一仪器在相当短的时间内按同一方 法连续重复测量多次，其测量示值的不一致程度。不一致程度愈小，说明测量 愈精密。例如某温度仪表精密度为 0.5K，意即用该仪表测量温度时其不一致 程度不会大于 O.5K。但精密不一定准确
21、。 （2）准确度 准确度是指仪器的示值有规律地偏离真值大小的程度。 （3）精确度 5 精度（精确度的简称）是测量的精密与准确程度的综合反映。精密度高是 精度高的必要条件，但并非充分条件。要使仪器的精度高，还必须使其准确度 高才行。 2.稳定性 稳定性是指仪器的性能在工作条件保持恒定的情况下，在规定的时间内保 持不变的能力。它用精密度的数值和观测时间长短一起来表示。例如，某仪表 24 小时内示值变化幅度达 1.3mV，则该仪表的稳定度为 1.3mV/d。 3.影响系数 仪器由于室温、大气压、振动等外部状态变化及电源电压、频率等工作条 件变化对示值的影响统称为环境影响，用影响系数表示。这是因为仪器
22、在校准 时都规定有一个标准工作条件，但在实际使用该仪器时又很难达到这个要求。 影响系数是用示值变化值与影响量变化值之比来表示。例如某压力表的温度影 响系数为 2Pa/即温度每变化 1，就会引起压力表示值变化 2Pa。 4.仪器输入输出特性 说明仪器输入输出对应关系的主要性能有: （1） 灵敏度 灵敏度是指仪器在稳态下输出变化对输入变化的比值，用 S 表示，即 S=dy/dx。它是仪器在稳态下输入输出关系的静特性曲线上各点的斜率。在线 性特性的仪器中灵敏度 S 是常数。在非线性特性的仪器中灵敏 S 在整个量程内 不是常数。 对特定的测量装置来说，其灵敏度的定义方法往往是不同的。例如，在接 收机中
23、，灵敏度定义为产生具有指定信噪比的输出信号所需的最小输入信号; 而在频率计中，它与频率计的输出示值之间没有直接的关系。 （2）分辩率 如果输入量从某个任意非零值慢慢地变化，我们将会发现，在输入变化值 没有超过某一数值之前，仪器示值是不会变化的，这个使示值变化的最小输入 变化值叫做仪器的分辩率，也应该对示值的变化从量上规定一个数值。一般模 拟式仪表的分辩率规定为最小刻度分格值的一半，数字式仪表的分辩率是最后 一位数的数值。 （3）线性度 线性度用来说明输出量与输入量的实际关系曲线偏离直线的程度。无论是 模拟式的仪表，还是数字式的仪表，都希望它们的特性是线性关系。这样模拟 式仪表的刻度就可以做成均
24、匀的刻度，而数字式仪表就可以不必采用线性化环 6 节。 （4）滞环 滞环是指仪器正向特性和反向特性不一致的程度。这种现象是由于仪器元 件吸收能量所引起的。例如机械仪表中有内摩擦，电磁仪表中有磁滞损耗。 5.量程 量程 B 是指测量上限值与下限值之差，即仪表刻度盘上的上限值 Xmax 减 去下限值 Xmin，其表达式为 B=Xmax-Xmix。通常仪表的 Xmin=0，这时 B=Xmax。但在整个测量范围内仪表提供被测量信息的可靠程度并不相同，一般 在仪表的上、下限值附近的测量误差较大，故不宜在该区使用。这样，更确切 的量程概念应定为:在工作量程内的相对误差应该不超过某个设定值。 6.可靠性 可
25、靠性是指仪器对规定的条件在规定时间内完成所要求功能的能力。仪器 的可靠性可用平均无故障工作时间 MTBF 来表征。它是仪器连续运行时发生一 次故障的时间间隔的平均值。假设某仪器在 90000 小时的运行中发生了 12 次 故障，则该仪器的 MTBF 为 7500 小时。 7.经济性 任何工业产品都要讲究经济性。对生产者来讲，以重金制造高质量的产品 是比较容易的。但是,如果生产出的仪器价格太高，使用者无力购买，出就谈 不上发挥作用。对使用者来讲总是希望有最少的钱买到一台具有指定性能的仪 器。所以,工程检侧仪器的经济性也是其重要的指标之一。 在实际工作中，对给定的测量任务只需达到规定的精度就行了，
26、决不是 精度愈高愈好，盲目地提高测量精度的做法，往往会带来相反的效果，浪费人 力和财力,降低测量的可靠性。在工程检测中,应该根据测量的目的，全面考虑 测量的可靠性、精度、经济性经及操作的简便性，而在科研工作中往往把测量 精度放在首位。 7 第 2 章 研究内容方法和原则 2.1 研究内容方法 仪器的设计，本着简明、科学、实用的原则，力求从整体出发，从实际使 用出发，突出系统的可靠性、免维护、免培训特点和系统结构的简明和完整性， 把对操作人员的专业技术要求降到最低，发挥系统整体设计的优势，使系统整 体性能达到最佳，功能强大而操作简单，测量精确而维护方便。 在系统设计中，应充分应用近年来发展起来的
27、各种新技术、新器件、新方 法，在保证各项性能指标能够满足系统各方面要求的前提下，力求简化结构， 降低成本，提高可靠性和稳定性。 2.1.1 设备和功能 作为一种完整的煤矿生产安全监控系统，它至少应具备以下设备和功能。 1. .传感器 监测要素的采集，转换 转换后电信号的处理，加工 2.传输系统 信号的远距离传送 信号的调制和解调 3.计算机系统 8 信号的采集 数据的处理 2.1.2 计时 1.需要注意的问题 （1）产品的技术指标、生产工艺等要符合国家有关规定及煤炭部,地方管 理部门的规定。 （2）运行的可靠性和稳定性一定要好,安装、维护要方便,操作简单。 （3）各项功能要实用，既要满足国家和
28、地方的有关规定也要考虑用户的要 求。 （4）设计、制造尽可能使用通用的有替代产品的元件,器件和设备。 （5）能使用软件实现的功能,一般不使用硬件来实现,以减小体积,将成本 降至最低。 （6）设计要从整体出发，分步、分层实施,突出系统的整体性能，力求系 统整体性能最优化。 2.1.3 主要实现方法 1.方法 （1）发送采用调制解调方式通讯。 （2）数据处理功能尽可能完善，容易扩充。 （3）软件使用汇编语言 VB 语言。 2.2 设计原则 在总体结构的设计上，首先重点突出系统整体性能，价格最优的原则，本 着先进、简明、实用的设计指导思想，从传感器的信号采集、处理传输，到系 统软件的设计，在整体最优
29、原则的指导下，发挥各自的设计灵活性。其次，系 9 统整体设计上，着重考虑系统运行的可靠性和稳定性，监测的快速和准确，安 装、维护的方便和经济性，操作使用的简便，少维护，免培训等。 2.2.1 总体设计的原则 1.先进性 尽可能使用先进、成熟的技术，有明确理论支持的技术，对不确切，但非 用不可的技术要通过必要的试验和论证。 2.实用性 密切结合现场实际工作的要求，尽量减少对操作使用人员的专业技术水平 的依赖。 3.准确性 通过优化电路设计和应用误差理论分析,尽可能减小测量误差，提高测量 精度。 4.可靠性 从设计阶段着手保证产品的可靠性，将可靠性贯穿于设计、工艺、加工等 各个环节。 5.标准化
30、严格执行国家和煤炭部以及行业标准。 6.经济性 在保证仪器功能的前提下，尽可能降低成本,以软代硬,化繁为简。 7.通用性 在完成自身系统配套的基础上，尽可能使产品具有良好的通用性，使之能 与其它产品配套，易于扩充新的用途。 8.可操作性 设计要从整体出发，分步、分层实施，方案要实际设计，制造中尽量采用 通用的、有替代产品的元器件及附件。 9.广泛性 广泛调查研究，认真分析其优缺点，充分借鉴其它仪器的优点扬长避短博 采众长。 10 2.3 课题研究的总体思路 加强监控系统的实用性，将监控系统的设计制造同现场实际需要密切结合 起来，整体结构大为简化，安装使用简便，希望使监控系统真正成为矿井通风 管
31、理的得力助手。 花大力气提高产品的可靠性，从软件到硬件，从元器件到整机，都尽最大 努力提高整体系统的可靠性。 提高产品的技术应用水平和整体质量档次，在结构设计、材料适用、工艺 安排等方面都努力使产品在技术上，质量上更上一个新的台阶。 11 第 3 章 监控系统工作原理 3.1 瓦斯浓度检测系统原理分析 3.1.1 分类 瓦斯浓度检测仪器按其工作原理不同，有下列几种: 1.光干涉式 光干涉式是利用光波对空气和甲烷折射率不同所产生的光程差，引起干涉 条纹移动来实现对不同甲烷浓度的测定。其优点是准确度高，坚固耐用，校正 容易，高低浓度均可测量，还可测量二氧化碳浓度;其缺点是浓度指示不直观， 受气压温
32、度影响严重，特别是空气中氧气不足或氮、氧的比例不正常时，要产 生误差;光学零件加工复杂，成本较高和实现自动检测较困难。 2.热催化式 热催化式是利用甲烷在催化元件上的氧化生热引起其电阻的变化来测定甲 烷浓度。其优点是元件和仪器的生产成本低，输出信号大，对于 1%气样，电 桥输出可达 15mV 以上，处理和显示都比较方便，所以仪器的结构简单，受背 景气体和温度变化的影响小，容易实现自动检测。其缺点是探测元件的寿命较 短，不能测高浓度甲烷，硫化氢及硅蒸气会引起元件中毒而失效。目前国内外 检测甲烷的仪器广泛采用这一原理。 3.热导式 热导式是利用甲烷与空气热导率之差来实现甲烷浓度的测定。其优点是热
33、导元件和仪器设计制作比较简单，成本低、量程大,可连续检测,有利于实现自 动遥测,被测气体不发生物理化学变化,读数稳定，元件寿命长。其缺点是测量 低浓度甲烷时输出信号小,受气温及背景气体的影响较大。 4.红外线式 红外线式是利用甲烷分子能吸收特定波长的红外线来测定甲烷浓度。其优 点是采用这一原理的仪器精度高，选择性好，不受其它气体影响，测量范围宽， 可连续检测;其缺点是由于有光电转换精密结构，使制造和保养产生困难，而 且体积大，成本高，耗电多，因此推广使用受到一定限制。 12 5.气敏半导体式 气敏半导体的种类较多，如氧化锡、氧化锌等烧结型金属氧化物。 这一原理是利用气敏半导体被加热到 200时
34、，其表面能够吸附甲烷而改变其 电阻值来检测甲烷浓度。其优点是对微量甲烷比较敏感，结构简单、成本低。 但当浓度大于 1%CH4 时，其反应迟钝，选择性和线性均较差，所以很少用于煤 矿井下甲烷浓度的检测，而多用于可燃气体的检漏报警。 6.声速差式 在温度为 22、气压为 101325Pa 条件下，声波在甲烷中的传播速度为 432m/s，而在清洁空气中为 332m/s。比较这两种速度就可测定高浓度甲烷。 其优点是读数不受气压影响;其缺点是不适合测量低浓度甲烷，一般只用来检 测矿井抽放甲烷管道中的甲烷浓度，对背景气体、粉尘及气温变化很敏感。 7.离子化式 气体在放射性元素的辐射作用下发生电离，在气体介
35、质中的两个电极度之 间便有电流产生。测量空气介质和被测甲烷中的电流大小，便可测出甲烷浓度。 其优点是快速，可以连续自动检测，灵敏度高，测量准确，可测二氧化碳浓度。 其缺点是测量低浓度甲烷困难，空气湿度对仪器读数有影响，传感器结构复杂。 根据设计要求，本项目采用热催化式工作原理。 3.2 热催化元件的结构及工作原理 3.2.1 热催化元件的结构 载体催化燃烧式传感器一般被制成一个便于测量的探头，探头可以单独设 置，也可以作为一个独立单元装配在仪器内使用。探头内部的主要元件是黑元 件(催化元件)和白元件(补偿元件)，两个元件分别配置在电桥电路中，作为一 组桥臂，另一组桥臂是两个固定电阻，作为电桥的
36、比率臂。与黑白元件相对应， 为使电桥在无甲烷状态下处于平衡状态，桥路内装有调零电位器 W。此外，传 感器电源应是经过稳压的稳压源。 13 3.2.2 敏感元件工作原理 黑元件载体催化燃烧式元件，当甲烷气体在元件表面与氧气产生无焰燃烧 时，电桥失去平衡，输出一个电压信号。白元件是补偿元件，基本结构和技术 参数与黑元件相同，但表面不涂镀催化剂，所以，它不参加低温燃烧。但由于 它处于与黑元件相同的工作环境中，所以，对非甲烷浓度变化引起的催化元件 阻值变化起补偿作用，以提高仪器零点稳定性和抗干扰能力。 使用时一般将黑白元件串联，作为电桥的一臂，用普通电阻构成电桥的另 一臂，电桥的两端加上稳定的工作电压
37、 U。当含有甲烷的空气在高温和催化剂 的作用下，发生无焰燃烧，而在白元件上则不致使甲烷燃烧，从而使黑元件的 温度比白元件的温度高，黑元件中的铂丝既是加热元件，又是感应温度的热敏 元件，根据铂丝的正温度系数的特性，温度升高时电阻增大，黑元件上的电压 降即增大，电桥失去平衡，输出一个电压信号U，该电压值的大小反映了甲 烷浓度的高低，检测此电压便可测量出甲烷浓度。 3.2.3 整机工作原理 热催化原理又称催化燃烧原理。利用该原理的甲烷测定器是当前国内测量 低浓度瓦斯的检测仪器中采用最广泛的一种，而且还在不断的提高和发展。其 基本原理是根据甲烷在一定的温度条件下氧化燃烧，且在一定的浓度范围内， 不同浓
38、度的瓦斯在燃烧过程中要释放出热量不同的特性，来达到测定瓦斯浓度 的目的。 瓦斯浓度报警监测系统的工作原理如图 2-1 所示。 14 AT89 C51 看门狗监控电路 传感元件 小信号放大电路A/D 转换电路 显示电路 报警电路 排风电路 通信电路 图 2-1 瓦斯监控系统框图 CPU 通过 P1.5 口输出高电平经放大后控制继电器的吸合，从而控制催化 元件电源端，使催化元件开始工作，输出与甲烷浓度相对应的电压信号，此电 压经过放大电路放大后，分别送到 A/D 转换、报警电路，A/D 转换电路将模拟 信号转换为数字信号送入 CPU，CPU 对采样值进行数值计算，处理后，驱动显 示器显示出被测气体
39、中的甲烷浓度值，若被测气体中甲烷浓度超过报警电路预 定的数值时，报警电路即发出声、光报警信号。当计算机控制系统需要查询甲 烷浓度时，只要发出相应信息，报警仪即可将测量结果经串行口及通信电路传 送出去，最长传输距离可达到 20km。 15 第 4 章 硬件电路设计 为适应安全生产的需要，同时满足体积小、耗电少、精度高的要求，硬件 电路设计中尽可能选用功耗小，性能稳定的集成电路芯片。 4.1 微控制器 CPU 4.1.1 AT89C51 单片机是监控报警仪的核心，完成数据采集、处理、输出、显示等功能， 选择通用性强、功耗小、性能稳定良好的 8 位 CMOS 微处理器芯片 AT89C51， ， 该器
40、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，ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器，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。 1.主要特点 与 MCS-51 兼容 4K 字节可编程闪烁存储器 寿命：1000 写/擦循环 数据保留时间：10 年 全静态工作：0Hz-24Hz 三级程序存储器锁定 128*8 位内部 RAM 32 可编程 I/O 线 两个 16 位定时器/计数器 5 个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路
41、 16 2.管脚说明 VCC：供电电压。 GND：接地。 P0 口：P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。 当 P0 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。P0 能够用于外部程序数据 存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在 FIASH 编程时，P0 口作为原 码输入口，当 FIASH 进行校验时，P0 输出原码，此时 P0 外部必须被拉高。 P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 口缓冲器能 接收输出 4TTL 门电流。P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入， P1 口被外部下拉为低电平时，将输
42、出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH 编程和校验时，P1 口作为第八位地址接收。 P2 口：P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口缓冲器可接收， 输出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且 作为输入。并因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是 由于内部上拉的缘故。P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储 器进行存取时，P2 口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上 拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2 口输出其特殊功能寄 存器的内容。P2 口在 FLASH 编
43、程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3 口：P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL 门电流。当 P3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。 作为输入，由于外部下拉为低电平，P3 口将输出电流（ILL）这是由于上拉的 缘故。 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，管脚备选功能如下： P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断 0） P3.3 /INT1（外部中断 1） P3.4 T0（记时器 0 外部输入） P3.5 T1（记时器 1 外部输入） P3.6 /WR
44、（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高 17 电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址 的地位字节。在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端 以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用 作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存 储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置
45、0。此时，ALE 只有在执行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，该引脚被 略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每 个机器周期两次/PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 /PSEN 信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H- FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时，/EA 将内部锁定 为 RESET；当/EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在 FLASH 编程期间， 此引脚也用于施加 12
46、V 编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 3.振荡器的特点 XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置 为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件， XTAL2 应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外 部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 4.芯片的擦除 整个 PEROM 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保 持 ALE 管脚处于低电平 10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写
47、“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外， AT89C51 设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件 18 可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU 停止工作。但 RAM，定时器，计数器， 串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存 RAM 的内容并且冻结振荡器， 禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 4.2 敏感元件 4.2.1 催化元件的特性 在选择敏感元件时，主要从以下几个方面来衡量: 1.活性 元件活性是指元件对甲烷氧化燃烧的速率。元件活性高，通过电桥测量甲 烷时，可以得到较高的电压输出。 2.稳定性 元件的稳定性是指元件在新鲜空气与一
48、定浓度的甲烷中，在规定的连续工 作时间里的活性下降率。下降率其值越低越好，活性下降率越低，表明元件工 作性能越稳定。 3.工作点与工作区间 元件工作点是指元件的标准工作电压和电流值。实际使用为了便于组成电 桥和选定电桥电流，通常是指一对元件(即一只黑元件和一只白元件)的标准工 作电压或电流值。在工作点上，元件具有较大的输出，较好的稳定性和最小的 零点飘移。目前国内元件的工作点有:直流 l.2V、2.2V、2.8V、5V 及 320mA 等 几种。 当元件的工作电压或工作电流变动时，在同一甲烷浓度下输出活性大小是 不相同的。只有当工作电压或工作电流在某一范围内变动时，输出活性才接近 直线。这个电
49、压或电流的变动范围称为元件的 工作区间。区间越宽越好。目 前元件的工作区间只能达到标准电压 的士 10%。 4.输出特性 元件输出特性。是指在不同的甲烷浓度下，元件的活性与甲烷浓度的关系。 在 O-5%CH4 范围内，电桥输出信号与甲烷浓度呈线性关系。当甲烷浓度在 9.5%处 时，曲线出现拐点，以后随着甲烷浓度的增大，电桥输出信号不断下降，出现 了高浓度和低浓度输出信号相同现象。产生的原因是由于高浓度甲烷气体中缺 19 氧使燃烧不完全所造成的。所以，这种原理的甲烷检测仪只能测量低浓度甲烷。 5.元件的寿命 元件的寿命是指元件在使用过程中，其活性下降到某一规定值的时间。 6.元件的中毒现象 矿井空气中的硫化氢、二氧化硫等气体会使元件产生中毒现象，使活性降 低。其原因主要是由于这些毒性气体元件活性下降。此外，井下电气设备用的 硅油、硅绝缘材料等挥发物，也会使元件中毒。这主要是由于硅分子量大，一 旦吸附在元件表面，就会阻止甲烷进入而影响元件氧化速率，致使活性下降。 为防止元件中毒，可以加过滤器，例如用活性炭吸收管，1cm 厚活性炭的 吸收管，可使工作在有毒环境中的元件寿命延长数百倍。 经过一段时间工作的元件，遇到较高浓度，工作数分钟后，元件的活性将升高， 高浓度消失后，元件在几十小时内活性才会逐步下降到原值附近，以后又保