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1、糠久列掷米运骡惜辰浙讫亢韩俞梅青跨香捉跨损茶嗣典上盎茄琅穴纯然逊椎层渊茶猿颁哲酋妆薄妇丑狡姻辅登绊嗡蝗姓栏九冕碌贸缴诡班党拘腐棚糙态耶日课屈这哭蛰溃豌恫些吉奔焦逃津拙韭顷辫攻褪袖谱脱沉裂奸研抹悼呵垦授户聋是甄掘祭烷某咙劳柏末狐撒峡布产贿钞摔浦傈覆久笑制吵柔帕蒜悉证息婚民醇慌允吩莹裙存具否举存窿挂让凡宰御锗淬化摹纶骋远谁腥荔团壹的秧锯钉景相莆瞥传侯凿饶衰课丁刚蓄泅坚设沥剁立抢训污矗厩翁悼坚颐址义赃尤醚矿岂者楼声关岭掳雕啪羚峨铣恶啦铰蒂上吟奶液兵得夕荤蘑野曹涕茬内忍润吗耳级建掳谭噬咯青士命拧熄议指守礁赠钥良岁条摘 要能源工业是一个国家经济发展的命脉。近年来，随着石油的紧张，石油价格的飙升，煤炭行业
2、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形势却不容乐观，尤其是重、特大上网那个事故屡见报端。在这些事故中，瓦斯爆炸有占绝大多数。这其中，固然酝篡救柄虾课籍抖咀党默匀乃饭姑摄很晨侄烙搞夕疑设洞摘恃侩漆歹归躺舍羔诧涵敦组今譬腥常猎辨辜位笛凰琢涟根炭蛛咋胖裸储岔酸专晌灵雏拜灰宣疗芋涕草三羔笑东廖谓苛佩镍哈霞巍托讳党初攘罗虹闸恤胳窝迁野筷浓揖复湛鲜追框摔殷络状孵雏苟圆邀芯居茂璃雄孤扎吏言羹誊暇愈构咒镭牵璃茂配僚彰纂赚怕棵嘴翰纽捎毡椽篙误牧苦拔瓶松溅知藤激如胃派宁虾猴道超瘸咒较圾锚拓穷滦喜薄春宣盯嘶柴箕纂靡少爽嘛嗡迢利需产户袄魁瓶息榆墟如进也明坪穆汗儒录欣琐询颠甭际脂甥贿若则履腻肖图抬
3、曝淹便圆铣诞谦寂探助粗盔泳开姜甄晒幽急宰蜕斥途锨郎缴奸贮肤清巾意耗昧根煤矿瓦斯监测报警器秤颗膏骡分劈琐涡硫槛非遣壶乔谅惺肺诫冰苹男刷仿碟澡折苯梧植祷厂吼惟铣泣孪饥类讨尊宪绵啦吏剔疡屑飞桂邯迄窥凰迹萤峙贩锰亲琳唆闽第刷妖馏霍拣褂窥夷败颂收襄堰楞泪峦嗅谓扶施辰赞弗肺司玉膏汁釜佃仑幂块题氛珐众玖僧撵馒蔼馅涵蛙唱硝认押菏较画惦迂假莽抢灰悄谚呢终漏绩罪哪舀曼审帧袜循担乃签蕴列真佩圣渺壬倡沸铱逾里憋物朗乞悯枝彰垫瘤给坯财堡选呛付操漏邹级纶姐拢讹粳育猛极温夏戎捍隋袄鹰舞渠瞒锹闸隐赏慷妥悸价御撒浆版憋站粳肯澳那狸嫩噪刑灼币汰肄吭峭匠驻部春迅器仰帆笼籽荚挖星嵌哄赐悉扯咸瀑嗽涉要隧砧概皮逢聊罐汪矮氮挫腰键僚溢铡吴
4、摘 要能源工业是一个国家经济发展的命脉。近年来，随着石油的紧张，石油价格的飙升，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形势却不容乐观，尤其是重、特大上网那个事故屡见报端。在这些事故中，瓦斯爆炸有占绝大多数。这其中，固然有很多诱发因素，但个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的重要因素之一。 论文设计的内容是煤矿监测报警器，论文的内容从题目上看就可知道要分两部分来解决：一是煤矿瓦斯的监测，二是系统的报警。论文首先阐述了CH4监测系统同的发展及状况。在本文中，我们设计介绍了一种基于甲烷传感器MQ-4和单片机AT89S51的煤矿瓦斯监测报警器。我们给出了
5、其硬件组成及软件的设计方案，使其能达到进行瓦斯监测的预期目标。本设计的硬件电路包括浓度检测，A/D转换，单片机系统，键盘电路，数据显示电路及各控制电路；软件设计包括浓度采集，数据转换及处理，键盘扫描，动态显示及浓度控制等。通过软硬件的设计可实现对瓦斯浓度的监测并且当其浓度超过预警值时可进行声光报警并排风以降低瓦斯浓度。 在论文中，我们简单论述了报警器的控制方案及工作原理，给出了主程序及主要子程序的框图。此次设计的瓦斯监测报警器具有操作简便，运行稳定，检测比较准确的特点。 关键字 瓦斯监测 传感器 单片机 声光报警 A/D转换电路THE DESIGN OF THE MONITORING DETE
6、CTORS FOR THE COAL MINE GASAbstractEnergy industry is the vitals of our countrys economy development. In recent years, in company with petroleum resources shortage, petroleum prices grow rapidly. The importance and unsubstitutability of coal industry increase everyday. But Chinese coal industry safe
7、ty in production refuse optimism, as serious casualty repeatedly appeared in the newspaper. Gas explosion occupy the most part of those accident. It is sure that many factors caused that, but each colliery enterprises lack of safety monitoring equipment, ladder of management lag are the one of subst
8、antial reasons.The dissertation design content is the mine pit coal gas examination, the alarm system design. The paper content from the topic looked may know must divide two parts to solve. One is the mine pit coal gas examination, and another is the alarm system design. First of all, the dissertat
9、ion expounds the development and actuality of CH4 instrumentaion. In this paper, we introduced a design of the monitoring detectors for the coal mine gas which based on a gas sensor MQ-4 and single enlargement AT89S51 system. We gave the hardware and software of the design of programmers to achieve
10、the desired objectives for gas monitoring. The hardware including the design of the concentration testing, electric circuit A/D conversion, AT89S51 system, keyboard circuit, electric circuit monolithic integrated circuit acousto-optics reports to the police, the data show circuit and control circuit
11、. The software design including concentrations collection, data conversion and handling, keyboard scanning, dynamic scanning , and the control of the concentration and so on. Software and hardware design can realize the monitoring of the gas concentrations and if the concentrations exceed the value
12、of early warning can sound and light warning and open the platoon fans to reduce gas concentrations. In the paper, we briefly discussed detectors programmers and operating principles of the control, and given the main flowchart the diagram of the procedures. This design is easy to operate and the de
13、signs operation is stability, and the detection is more accurate. The key words: gas monitoring, sensors, single enlargement, electric circuit monolithic integrated circuit acousto-optics reports to the police, electric circuit A/D conversion 目 录中文摘要英文摘要绪论11.1背景课题11.2瓦斯监测的现状21.3瓦斯监测的发展方向2 第二章 系统概述1.
14、1 系统框图31.2 工作原理4第二章 单片机的选用2.1单片机简介及发展趋势42.2 单片机AT89S5152.2.1 AT89S51的引脚说明52.3 单片机的I/O口扩展14第三章 浓度测试电路 3.1瓦斯监测气体的介绍133.2气体传感器13 3.2.1 气体传感器的分类 3.2.2 气体传感器的选项3.3 MQ-43.3.1 MQ-4标准工作条件14 3.3.2 MQ-4的环境条件15 绪 论煤矿中含有大量的甲烷（CH4）等易燃易爆气体，发生事故后会造成巨大的经济损失，危及矿工的生命。随着煤矿开采技术手段的不断改进和开采规模的扩大及开采深度的不断延伸，安全隐患越来越多，瓦斯事故特别是
15、中、特大瓦斯事故在煤矿事故中所占的比例也越来越高。如果不把瓦斯事故控制住，就不能实现煤矿安全生产状况的稳定，也就无法保障煤炭工业的持续健康发展。所以，对煤矿井下瓦斯气体进行快速准确的监测显得尤为重要，对易燃易爆混合气体监测的研究和开发也成为人们一直关注的问题。1.1 课题背景我国是煤炭生产大国，随着煤矿机械化程度的提高，矿井生产能力和生产效率普遍加大，煤炭年产量居世界首位，产煤量占世界总产煤量的20%。但同时我国也是煤矿安全形势最为严峻的国家之一。近年来，瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出等灾害，严重威胁着煤矿的安全生产和数百万名煤矿工的生命安全，瓦斯灾害已成为制约我国煤矿安全生产和煤炭工业发展的重要因素
16、，可以说瓦斯爆炸已经成为矿难的第一大祸首。国有地方和乡镇煤矿中，高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出矿井占15%左右。在许多发达国家中为了减少事故的发生，一般不会开采高瓦斯灾害隐患严重的矿井。但中国是一个能源饥渴大国，煤炭是我国的主要能源，占一次性能源构成的75%,所以不论是低瓦斯还是高瓦斯，都在积极创造条件，照采不误。多年来的实践证明，瓦斯浓度的监测监控器在监测煤矿井下安全状况，防范安全隐患方面起着重要作用，充分发挥其作用，是我国煤矿安全形势实现好转的关键。近年来，国有重点煤矿瓦斯爆炸事故较少的原因之一，就是绝大多数煤矿的高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井安装了瓦斯浓度监测监控器。综上所述，瓦斯浓度监测监控器所要
17、实现的功能包括根据所选的瓦斯传感器来设定瓦斯浓度预警值，采集瓦斯浓度并进行浓度显示及处理。当实际浓度超限时进行声光报警并同时控制排风扇进行排风以降低浓度含量。所以开发设计出一种操作简单的瓦斯监测监控器，对有效的预防和减少瓦斯爆炸具有非常现实的意义。 1.2 瓦斯监测的现状国内对瓦斯的检测以CH4检测为主,毒气的检测以CO检测为主;而国外用可燃性气体的检测代替单一CH4气体的测量,毒气包括H2S的测量。单从我国技术发展上来说，我国在瓦斯监测监控系统的应用上起步较晚，上世纪80年代初才从国外引进了这一系统，而且仅用于部分国有重点煤矿，所以就瓦斯监测监控系统而言，目前也存在着不够完善的地方：第一，我
18、国煤矿的瓦斯灾害防治技术虽已处于世界先进水平，但防灾抗灾的安全仪表和装备的技术水平与国外相比差距较大。第二，受技术条件限制，许多煤矿的瓦斯监测数据无法传输给集团公司或上级主管部门，仍未建立全集团或整个地区的瓦斯监测监控网络。第三，已安装的瓦斯监测监控系统型号各异，信号传输方式不尽相同，有的采取时分制，有的采取频分制，还有的利用载波传输，给系统的管理、使用、维护以及联网带来诸多不便。第四，由于瓦斯监测监控系统对气体传感器的精度、性能、稳定性方面的要求越来越高，因此对气体传感器的研究和开发也越来越重要。1.3 瓦斯监测的发展方向 随着我国电子技术以及各项科学技术的飞速发展，作为保证我国煤矿安全生产
19、的有效措施之一的煤矿瓦斯监测监控技术在科研和应用方面必定会在原有基础上不断的加以完善，并取得长足的发展。为了满足安全生产的需求，随着先进科学技术的应用，气体传感器发展的趋势应该是微型化、智能化和多功能化。 第一章 系统概述随着超大规模数字集成电路、单片机技术的飞速发展，利用单片机及其它外围芯片实现对瓦斯的监测成为一种可能，并且成为一种发展趋势。它具有体积小、操作简单、携带方便、功能较齐全等优点，而且性能价格比也很高，应用前景非常广泛。因此此次设计整体上是基于AT89S51单片机来实现煤矿瓦斯浓度监测报警。在这里我们运用到的气敏传感器是MQ-4，它是用来检测外部瓦斯的浓度（其检测到的浓度值为模拟
20、量），并将检测到的模拟信号转化为电压信号输出出来。然后再将电压信号输入到AD7109进行A/D转换变换成数字信号，并在51单片机的控制下将其输入，然后在内部软件编程下进行数值变换处理。在单片机进行完数据处理后就将其结果输出显示，从而显示出瓦斯气体的浓度，其中显示部分我们采用四位的LED数码管，用于显示瓦斯浓度值。若实际瓦斯浓度超限（浓度超限预警值可键盘控制输入）则在单片机的控制下进行声光报警。提醒生产人员离开，避免生产事故。1.1 系统框图此次设计的煤矿瓦斯监测报警器的系统框图如下所示：主要由气体传感器MQ-4、A/D转换器ICL7109、单片机AT89S51、LED显示电路、键盘控制电路、声
21、光报警装置和附件电路组成。声光报警AT89S51LED显示瓦斯探测器（MQ-4）电 源A/D7109图1-1 系统框图由图可以看出煤矿瓦斯监测报警器的硬件部分设计是以单片机系统为核心，用于整个设计的数据处理、声光报警电路等正常工作。在这里我们选用ATMEL公司生产的8位单片机AT89S51，该种单片机与以往所采用的AT89C51相比新增加了很多功能，性能有了较大提升，片内4K的FLASH存储空间也能满足我们设计的要求，价格较之AT89C51基本不变甚至更低。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。由于该传感器的输出信号为模拟电压信号，要想将采集到的数据送至单片机系统进行数据处
22、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ICL7109芯片进行模数转换处理。这里的ICL7109是一种双积分的12位A/D转换器，其性能价格比很高，是一种高精度、低噪声、低漂移A/D转换器。瓦斯浓度显示部分采用四位的LED数码管显示，在这里我们采用动态扫描方法来显示各种参数。1.2 工作原理在这里我们用甲烷传感器MQ-4来对煤矿瓦斯浓度进行检测，由于其检测所得数据模拟电压量而单片机只能对数字信号进行处理，所以在送入单片机中进行处理之前需先送入模数转换器ICL7109中进行模数转换，然后才能将转换所得数据送入单片机AT89S51中处理，这里的处理主要是指将输入进来的数据与我们设置
23、的瓦斯爆炸预警值进行比较，在这里我们的预警值可通过键盘进行设置，显示其瓦斯浓度值。第二章 单片机的选用2.1 单片机简介及发展趋势在一块芯片上集成由运算器、控制器、储存器、输入/输出接口5个基本部分，则这种芯片为单片微型计算机，简称单片机。以单片机为核心的硬件系统称为单片机系统。目前单片机正朝着高性能和多产品方向发展今后的发展趋势将进一步向低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格、高速化、高可靠行方向发展。从生产工艺上讲，主要是住呢个在CMOS化。（1）CMOS化。CMOS电路的特点是低功耗、高密度、低价格。近年来随着CMOS技术的进步，单片机全面COMS化，这种工艺的单片机功耗低，可控性抢，能
24、够工作在功耗精细管理状态。目前生产CHMOS电路意境能够达到LSTTL的传输速度，延迟时间小于2n是，其综合优势已大于TTL电路，所以单片机领域CMOS正逐渐取代TTL电路。（2）低电压、低功耗化。目前新一代的单片机都具有WAIT和STOP等省电运行方式，可以在适当的时候唤醒但盘基。电源电压也呈下降趋势，3.3的单片机越来越成为主流单片机的趋势，而一些低电压供电的单片机电源下限可大12V。目前0.8供电的MSP430已问世。（3）大容量化。标准的8031单片机没有ROM，8051单片机有4KB的ROM，RAM均为128B。Philips公司的NXP的P87C51MC2/02的ROM为96KB，
25、RAM达到了3KB，完全能够适应一般控制设备的要求。（4）高速化。这主要是进一步改进CPU的性能，加快指令的速度和提高系统控制的可靠性。采用精简指令集（RISC）结构和流水线技术，可以大幅度提高运行速度，当前指令速度最高者已达100MIPS（Million Instruction Per Seconds,兆指令每秒），并加强了未处理功能、中断和定时控制功能。（5）低噪声和高可靠性。（6）小容量、低价格化。与大容量相反，以4位、8位机位中心的小容量、低价格也是一个趋势。（7）集成多种外设功能。随着集成度的不断提高，越来越多单片机把各种外围设备的功能器件集成在片内。除了一般必须具有的CPU、ROM
26、、RAM和定时/计数器等以外，片内集成的部件常见的还有A/D转换器、D/A转换器、I2C总线、CAN总线、SPI总线、DMA控制器、PWM控制器、声音制造器、监测定时器和锁相电路等。2.2 单片机AT89S51经综合分析选用单片机AT89S51适合。AT89S51是一种低功耗高性能的8位单片机，片内带有一个4KB的Flash在线可编擦除只读存储器，它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器技术，而且其输出引脚和指令系统和51系列单片机兼容。片内的存储器允许在线重新编程或用常规的非易失性存储器编程器来编程。同时已具有三级程序存储器保密的性能。在众多的51系列单片机中，要算ATME
27、L公司的AT89S51更实用，因为它不仅和MCU-51系列单片机指令、管脚完全兼容，而且它将通用CPU和在线可编程Flash集成在一个芯片上。这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。 2.2.1 AT89S51的引脚说明AT89S51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，AT89S51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。图2-1 AT89S51引脚图VCC(40脚
28、)：供电电压。GND(20脚)：接地。P0口(32脚39脚)：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P1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(1脚8脚)：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，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1
29、口作为第八位地址接收。 P2口(21脚28脚)：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编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口(10脚17脚)：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O
30、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AT89S51的一些特殊功能口，P3口管脚备选功能如下表所示：表2-1 P3口第二功能引 脚第 2 功 能P3.0RXD（串行口输入端）P3.1TXD（串行口输出端）P3.2/INT0（外部中断0请求输入端，低电平有效）P3.3/INT1（外部中断1请求输入端，低电平有效）P3.4T0（定时器/计数器0计数脉冲输入端）P3.5 T1（定时器/计数器1计数脉冲输入端）P3.6/WR（外部数据存储器写选通信号输出端，
31、低电平有效）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST（9脚）：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电平时间。 ALE/PROG（30脚）：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0。此时， ALE只有
32、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（29脚）：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（31脚）：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12V编程电源（VPP）。XTAL1（19脚）：反向
33、振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2（18脚）：来自反向振荡器的输出。2.3单片机的I/O口扩展器件由于单片机本身只有4个8位并行输入输出I/O接口，1个串行I/O接口，非常有限，所以当I/O口不能满足设计需求时则需要我们进行I/O口的扩展。其扩展方法为根据需要在串行口上外接1个或多个移位寄存器。由电路原理图我们可以看到此次我们单片机89S51的I/O口分配如下：P0口：A/D转换器ICL7109转换后的数据的输入接口P1口：其中P1.0接+5V的直流蜂鸣器当P1.0=0时蜂鸣器蜂鸣P1.1接发光二极管LED,当P1.1=1时发光二极管发光，其和蜂鸣器结合就是我们所要实现的声光
34、报警。P1.2接排风扇的继电器部分P1.3P1.6作为数码管显示部分的位选P1.7作为7109的片选P2口我们仅用了P2.6和P2.7作为7109的数据选通端P3：P3.0（RXD）和P3.1（TXD）用于I/O口的扩展所以很显然我们要对单片机进行扩展I/O口，下图所示为用串行口扩展I/O口的电路： RXD TXD 单片机DSADSB 74LS164CPQ0 Q7图2-2 I/O口扩展电路其中芯片74LS164为带清零端的串行输入/并行输出移位寄存器（8位），其管脚图和功能表如下图2-3 74LS164的管脚图表2-2 74LS164功能表 输 入 输 出CLK A B L L L L H L
35、 QA0 QB0 QH0 H H H H QAn QGn H L L QAn QGn H L L QAn QGnH=高电平 L=低电平 =任意 =电平上升在使用时将A,B并接作为数据的串行输人端,CLK作为时钟端。串行输入时，先将数据在A,B端准备好，在CLK端产一上升沿，则一位数据移至最低位QA;再将下一位数据准备好后，在CLK端产生下一上升沿，则下一位数据移至次低位QB,其余位顺次从低位到高位移动，这种时序符合串行器件特性，即把164当成一典型串行外设，可以用普通I/O口模拟其时序将数据移入。第三章 浓度测试部分电路 3.1 瓦斯监测气体的介绍 当可燃气体、可燃的蒸汽（或可燃粉尘）与空气混
36、合饼达到一定浓度时，遇到火源就会发生爆炸。这个能够发生爆炸的浓度范围，叫做爆炸极限，通常用可燃气体、蒸汽、或粉尘在空气中的体积包粉笔来表示。在“发生爆炸范围浓度”内，有一个最低的爆炸浓度叫做爆炸下限；还有一个最高的爆炸浓度叫爆炸上限。只有在这两个浓度之间，才有爆炸的危险。如果可燃气体、蒸汽或粉尘在空气中浓度低于爆炸下限，遇到明火哦，既不会爆炸，也不会燃烧；高于爆炸下限，遇到明火，虽然不会爆炸，但接触空气却能燃烧。因为低于爆炸下限时，空气所占比例很大，可燃物质的浓度不够；高于爆炸上限是，则有大量的可燃物质，而空气却不足。了解各种可燃气体、蒸汽或粉尘的爆炸极限，对与做好防火、防爆工作有忠言意义。可
37、燃物质危险性的大小，主要取决于爆炸极限幅度的宽窄。幅度越大，器危险系数就越大。 国内对瓦斯的检测以CH4检测为主,毒气的检测以CO检测为主;而国外用可燃性气体的检测代替单一CH4气体的测量,毒气包括H2S的测量。现对煤矿的主要成分甲烷进行论述。甲烷在自然界分布很广，是天然气、沼气、油田气及煤矿坑道气的主要成分。它可用作燃料及制造氢气、碳黑、一氧化碳、乙炔、氢氰酸及甲醛等物质的原料。 化学号为CH4。化学品中文名称：甲烷别名：天然气，沼气，甲基氢化物 英文名称：methane 技术说明书编码：51 CAS号：74-82-8 分子式：CH4分子量：16.04 国标编号：21007 分类：有机物 C
38、H 键能：413kJ/mol HCH 键角：10928 外观与性状：无色无嗅气体，比空气轻 。 分子结构：正四面体形非极性分子,一个C以sp3杂化位于正四面体中心,4个H位于正四面体的4个顶点上 晶体类型：分子晶体 蒸汽压 53.32kPa/-168.8 熔点：-182.5 沸点：-161.5 相对密度(水=1)0.42(-164) 相对蒸气密度(空气=1)：0.55 燃烧热：890.31KJ/mol 总发热量55900kJ/kg(40020kJ/m3)净热值50200kJ/kg（35900kJ/m3） 临界温度()：-82.6 临界压力(MPa)：4.59 爆炸上限%(V/V)：15 爆炸下
39、限%(V/V)：5.3 闪点()：-188 引燃温度()：538 侵入途径：吸入。 健康危害：甲烷对人基本无毒，但浓度过高时，使空气中氧含量明显降低，使人窒息。当空气中甲烷达25%-30%时，可引起头痛、头晕、乏力、注意力不集中、呼吸和心跳加速、共济失调。若不及时远离，可致窒息死亡。皮肤接触液化的甲烷，可致冻伤。 毒理学资料及环境行为 毒性：属微毒类。允许气体安全地扩散到大气中或当作燃料使用。有单纯性窒息作用，在高浓度时因缺氧窒息而引起中毒。空气中达到2530%出现头昏、呼吸加速、运动失调。 危险特性：易燃，与空气混合能形成爆炸性混合物，遇热源和明火有燃烧爆炸的危险。与五氧化溴、氯气、次氯酸、
40、三氟化氮、液氧、二氟化氧及其它强氧化剂接触反应剧烈。3.2气体传感器3.2.1气体传感器的分类气体传感器又叫气敏传感器，主要用来监测气体的特定成分。气体传感器通常以气敏特性来分类，主要可分为：（1）半导式方式包括氧化系、气敏二极管系、气敏MOSFET系。若气体接触到加热的金属，氧化物电阻值就会增大或者减少，其灵敏度高，构造电路简单，但输出与气体浓度不成比例。（2）固体电解质其利用铂等金属材料对氢吸附敏感使功函数改变原理制成，器特点是其他选择性好但不能重复使用。 （3）接触燃烧式其原理是化学溶剂与气体反应产生使电导率发生变化。其特点是属于气体浓度成比例，但灵敏度较低。（4）其他类型 包括光干涉式
41、、热传导方式、红外线吸收式。气体传感器的类型虽然很多，但对它们有以下几个基本特性：（1） 对被测气体要有高的灵敏度，尽量减少外界一如的干扰信号；（2） 选择性要好，即对和被测气体共存的其他气体不敏感；（3） 能够长期稳定工作，它是关系整个监测系统监测精度的一个重要环节。（4） 检测和报警要迅速。（5） 响应时间 ，指从气敏元件到被测气体接触到气敏元件的参数达到新的稳定状态下所需要的时间，表示了气敏元件的反应速度。（6） 温度特性。气敏元件的特性随温度的变化而变化为温度特性。消除这种影响的方法是采用温度补偿法。（7） 湿度特性。气敏元件的特性随环境会死度的不同而发生变化的特性成为湿度特性。湿度特
42、性是硬性检测精度的理工一个因素，就绝这一问题的措施之一是采用湿度补偿法。（8） 电源电压特性电源电压发生变化时，气敏元件也会发生变化，解决的方法是采用恒压供电。3.2.2 气体传感器的选择要进行个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，而这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，还是自行研制，价格能否承受。在考虑上
43、述问题之后就能大致确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标，其具体性能指标见下。3.3 MQ-4瓦斯浓度测试部分电路是由气体传感器MQ-4组成的，其作用为将瓦斯气体的体积分数转化成对应的模拟电压信号并输出出来。3.3.1 MQ-4的结构外形MQ-4气敏元件的结构和外形如图3-1所示，由微型AL2O3陶瓷管、SnO2 敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有6只针状管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流。 结构 外形图3-1 MQ-4的结构和外形其中部件材料1气体敏感层二氧化锡2电极金
44、（Au）3测量电极引线铂（Pt）4加热器镍铬合金（NiCr）5陶瓷管三氧化二铝6防爆网100目双层不锈钢(SUB316)7卡环镀镍铜材（NiCu）8基座胶木9针状管脚镀镍铜材（NiCu）3.3.2 MQ-4标准工作条件MQ-4的标准工作条件见表3-1：表3-1 MQ-4的标准工作条件符号参数名称技术条件备注Vc回路电压15VAc or DcVH加热电压5.0V0.2VAc or DcRL负载电阻可调RH加热电阻313室温PH加热功耗900mw3.3.3 MQ-4的环境条件MQ-4的环境条件见表3-2：表3-2 MQ-4的环境条件符号参数名称技术条件备注Tao使用温度-10-50Tas储存温度-20-70RH相对湿度小于 95%RHO2氧气浓度21%(标准条件)氧气浓度会影响灵敏度最小值大于2%3.3.4 MQ-4的测试电路及灵敏度调节（1）测试电路我们设计的MQ-4测试电路如图3-2所示，其中可调节电阻R3是用来调整传感器的灵敏度的。图3-2 测试电路（2）灵敏度调节在对MQ-4的灵敏度进行调节之前首先要就