平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书 摘 要
本文首先阐述了煤矿安全监测系统的现状和发展趋势，针对当前煤矿瓦斯监测系统
中传感器输出信号与分站显示输出数值误差较大以及煤矿井下环境恶劣干扰强等情况，依据传感器信号调理电路原理和单片机接口技术等，设计了一种基于AT89C52单片机的煤矿瓦斯监测系统,详细阐述了其工作原理、硬件组成及软件设计方案。对各种信号调理电路原理作了详细的论述。比较后，瓦斯传感器最终采用频率型传输出信号形式。
系统分站硬件的核心处理器为ATMEL公司生产的AT89C52单片机。文中给出了AT89C52单片机的最小系统的设计。通过采用单片机进行数据处理，保证整个煤矿瓦斯监测系统具有良好的实时性。当信号输入为电流型时电路采用I/F变换电路，对电流型信号进行变换，兼容了电流型信号输入。
煤矿瓦斯监测系统软件设计的主要任务就是保证监测分站单片机与外部设备协同工作。采用模块化结构程序设计方法，设计了系统的各功能模块程序，具有编程简单、结构清晰、调试方便、设计效率高等优点。另外，模拟电路和数字电路采用独立的电源供电。
关键词：煤矿安全；瓦斯监测；单片机接口；传感器；信号变换。
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目 录
摘 要...................................................................................................1 第一章 煤矿安全监测系统概述........................................................ 4
1.1煤矿常见安全事故及防范. ............................................................ ......4
1.1.1 瓦斯爆炸的必备条件………..………………………........………………….4 1.1.2 煤尘爆炸的必备条件.......................................................................................5 1.1.3 防范措施...........................................................................................................5
1.2煤矿安全监测系统的发展、研究现状和发展趋势................................4
1.2.1 煤矿安全监测系统的发展...............................................................................4 1.2.2 煤矿安全监测系统目前存在的问题...............................................................4 1.2.3 煤矿安全监测系统的发展趋势.......................................................................8
1.3课题研究的意义........................................................................................8 1.4 本文研究的主要内容..............................................................................8
第二章 瓦斯传感器及输出接口电路设计方案...............................10
2.1矿用瓦斯传感器的概述 .......................................................................10 2.2矿用瓦斯传感器的设计方案..................................................................10
2.2.1矿用瓦斯传感器工作原理..............................................................................10 2.2.2结构框图 .........................................................................................................11
2.3输出接口电路的设计方案......................................................................11
2.3.1传感器输出信号类型分析..............................................................................11 2.3.2模拟输出信号特点比较..................................................................................13 2.3.3 模拟输出信号的转换.....................................................................................16
第三章 监测分站工作原理及接口电路设计方案.........................19
3.1监测分站的功能......................................................................................19 3.2监测分站工作原理及电路设计方案......................................................19
3.2.1监测分站工作原理框图..................................................................................20 3.2.2监测分站工作原理..........................................................................................20 3.2.3监测分站电路设计方案的确定......................................................................20
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平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书 3.3监测分站接口电路设计方案..................................................................21
3.3.1输入接口电路设计方案..................................................................................21 3.3.2输出接口电路设计方案..................................................................................22
第四章 瓦斯监测系统硬件电路设计.............................................24
4.1 微处理器和显示模块的选型................................................................24
4.1.1 单片机的选型.................................................................................................24 4.1.2 显示模块选型...................................................................................................24
4.2 瓦斯监测系统硬件电路的设计 ...........................................................25
4.2.1瓦斯气体浓度转换电路的设计......................................................................25 4.2.2 瓦斯传感器AT89C52最小系统设计..............................................................26 4.2.3 V/F转换电路...................................................................................................27 4.2.4 LED显示...........................................................................................................28 4.2.5监测分站 LCD显示..........................................................................................29 4.2.6 串行通信接口.................................................................................................29 4.2.7 分站模拟信号输入电路.................................................................................30 4.2.8分站断电控制输出电路..................................................................................31 4.2.9监测分站单片机复位电路..............................................................................28
第五章 瓦斯监测系统软件设计.......................................................30
5.1瓦斯传感器程序流程图 .......................................................................30
5.1.1 瓦斯传感器主程序流程图.............................................................................30 5.1.2 瓦斯传感器数据采集子程序流程图.............................................................31
5.2瓦斯监测分站程序流程图.....................................................................31
5.2.1 瓦斯监测分站主程序流程图.........................................................................31 5.2.2 瓦斯监测分站定时器中断子程序流程图.....................................................32
结论与展望.........................................................................................38 致谢.....................................................................................................39 参考文献.............................................................................................40
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平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书 第一章 煤矿安全监测系统概述
1.1煤矿常见安全事故及防范
从我国煤炭生产的现状及我国能源结构规划均可看出，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。
煤矿井下是一个特殊的工作环境，有瓦斯（主要成份是甲烷）等易燃、易爆性气体，有硫化氢等腐蚀性气体，有淋水、环境潮湿、空间狭小、矿尘大等。瓦斯浓度监测是矿井安全监控的首要内容。作为“万恶之首”的瓦斯爆炸事故更是重大事故发生率之首。因此通过强化瓦斯管理，提高通风、瓦斯检测监控水平，已成为中小型煤矿瓦斯检测监控的最迫切的任务之一。为了适应煤炭工业向机械化和自动化方向发展,确保矿井的生产安全,防止瓦斯爆炸事故的发生,矿用瓦斯传感器的研究和设计从未停止过。现有的瓦斯传感器普遍存在着功耗较大、功能单一、精确度不高的缺点,而且采用模拟电路技术,造成系统的抗干扰能力和智能化程度都很低。因此,研制便于携带、多功能、高精度和抗干扰能力强的高可靠性瓦斯检测仪具有很大的应用价值。
当环境中瓦斯浓度大于或等于报警浓度时，发出声光报警信号；当环境中瓦斯浓度大于或等于断电浓度时，切断被控区域的全部非本质安全型电气设备的电源并闭锁，当瓦斯浓度低于复电浓度时解锁。因此，瓦斯传感器既是矿井安全监控最重要的设备，又是矿井安全监控必备的设备之一。
我国矿井下的工作环境比较恶劣，为此，对其使用的电气设备和电缆的绝缘提出较高的要求。尽管如此，运行中的电气设备及其供电电缆，由于工作环境恶劣，电火花现象时有发生。因此，装设安全监测系统对矿井安全生产尤为重要。 1.1.1 瓦斯爆炸的必备条件
只有当空气中的瓦斯浓度在5%～15%，氧气浓度不低于18%，并遇高温火源时，才有可能引起瓦斯爆炸。由于瓦斯气体的涌出量由很多的不确定因素决定，同时井下空气的氧气浓度又要保证井下工人的呼吸必须要在20%以上。因此，要想有效的防止瓦斯爆炸事故发生就要防止高温火源。在煤矿井下高温火源常由于电气短路、大功率设备开停等产生，因此只要将电气设备选用隔爆型或本质安全型同时当瓦斯超限时及时切断井下非本质安全型设备的电源即可有效防止瓦斯爆炸事故发生。
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平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书 1.1.2 煤尘爆炸的必备条件
煤矿井下环境中，煤尘爆炸必须同时具备以下3个条件：
1具有一定浓度的能够爆炸的煤尘云。煤尘有的具有爆炸性，有的不具有爆炸性。具有爆炸性的煤尘只有在空气中呈悬浮状态并具有一定浓度时才能发生爆炸。实验表明，煤尘爆炸下限为45ｇ/m3 ,上限为1500～2000ｇ/ m3爆炸力最强的煤尘浓度为300～400ｇ/ m3。
2高温热源，能够引燃煤尘爆炸的热源温度变化的范围是比较大的，它与煤尘中挥发分含量有关。我国煤尘爆炸的引燃温度变化大约在610～1050℃之间，烟煤一般为650～900℃。煤矿井下能点燃煤尘的高温火源主要为：爆破时出现的火焰、电气火花、电弧、静电放电、摩擦放电、摩擦高温、井下火灾和瓦斯爆炸等。
3空气中氧气浓度大与18%，空气中氧含量小于18%时，煤尘就不能爆炸。但必须注意的是空气中氧浓度虽减至18%以下，并不能完全防止瓦斯与煤尘在空气中的混合物爆炸。
1.1.3 防范措施
1加强通风是防止瓦斯聚积的最有效的措施，为了达到通风的目的，必须做到合理选择最佳的通风系统，采用分区式通风，尽量避免角联通风。
2矿井必须采用机械通风，全矿的主通风机台数，能力及备用通风机的启动要符合《规程》规定。
3瓦斯矿井中，回采工作面，回风基道要采用上行风，掘进工作面禁止扩散通风。 4加强瓦斯浓度的检查，严格执行《规程》关于井下瓦斯检查制度，及时发现和处理瓦斯超限、瓦斯积聚，防止瓦斯爆炸。
5及时处理局部积聚的瓦斯，生产中瓦斯最容易积聚的地点有：采面的上隅角和采控区边界，顶板昌落的空洞内，低风速巷道的顶板附近及停风的盲巷中及时处理这些地区局部积聚的瓦斯，是预防瓦斯爆炸的主要措施之一。
6防止瓦斯的引燃，严禁携带烟草和点火物品入井，井口通风机房20米以内不得有烟火，或用火炉取暖，井下严禁使用电灯泡取暖和使用电炉。
7有瓦斯和煤尘爆炸危险的煤层中，必须使用煤矿许用的雷管和炸药。 8井下的机械，电器设备及供电网路都必须符合《规程》规定。
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