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 1.2 煤矿安全监测系统的发展、研究现状和发展趋势
1.2.1 煤矿安全监测系统的发展
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（如DAN6400、TF200、MINOS和Senturion-200）引进了一批安全监控系统，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，先后研制出KJ2、KJ4、KJ8、KJ10、KJ13、KJ19、KJ38、KJ66、KJ75、KJ80、KJ92等监控系统，在我国煤矿已大量使用。实践表明，安全监控系统为煤矿安全生产和管理起到了十分重要的作用，各局矿已作为一项重大安全装备。由于当时相当一部分监控系统由于技术水平低、功能和扩展性能差、现场维修维护和技术服务跟不上等原因，或者已淘汰、或者停产。因此造成相当一部分矿井无法继续正常使用已装备的系统。特别是近年来由于老系统服务年限将至，已无继续维修维护的必要，系统面临更新改造的机遇。
随着电子技术、计算机软硬件技术的迅猛发展和企业自身发展的需要，国内各主要科研单位和生产厂家又相继推出了KJ90、KJ95、KJ101、KJF2000、KJ4/KJ2000和KJG2000等监控系统，以及MSNM、WEBGIS等煤矿安全综合化和数字化网络监测管理系统。同时，在“以风定产，先抽后采，监测监控”十二字方针和煤矿安全规程有关条款指导下，规定了我国各大、中、小煤矿的高瓦斯或瓦斯突出矿井必须装备矿井监测监控系统。因此，大大小小的系统生产厂家如雨后春笋般的不断出现，为用户提供了更多的选择机会、也促进了各厂家在市场竞争条件下不断提高产品质量和服务意识。
总的看来，监测监控技术的发展可以概括为三个阶段和两次飞跃。三个阶段是机电式、半导体式和微机式。第一次飞跃是由机电式到半导体式，主要体现在无触点化、小型化、低功耗方面；第二次飞跃是由半导体式到微机式，主要表现在数字化和智能化方面。显而易见，第二次飞跃尤为重要，它为监测监控技术的发展开辟了前所未有的广阔前景。
1.2.2 煤矿安全监测系统目前存在的问题
1 通信协议不规范
由于现有厂家的监控系统几乎都采用各自专用通信协议，所以，很难找到两个相互兼容的系统。目前，信息传输系统的兼容性已成为装备监控系统的各集团公司、矿井进一步补套和扩充系统功能的制约因素，主要是用户在装备了某厂家的系统后，在众多型号、价格不同、功能各具特色的监控系统的软件、硬件（如分站）的补套以及服务等方面，就别无选择地依赖于这个厂家。有些矿井为了安全生产的需要，在系统存在严重问题和得不到技术服务的条件下，不得不废弃原有系统而另选择其他的系统。因此，通信
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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 协议不规范的后果是造成设备重复购置、系统补套受制于人和不能随意进行软硬件升级改造。
2 井下信息传输设备物理接口协议不规范
井下信息传输设备物理接口协议不规范也是制约用户进一步补套和扩充系统功能的关键因素。如KJF2000和KJ4/KJ2000系统，尽管两种系统均采用FSK技术，以及信息传输波特率均为1200bps或2400bps，但其传输信息的调制频率不同和传输信息的收发电压幅值不同也造成这两种系统的分站不能兼容。
3 传感器等质量不过关
与监测监控系统配接的瓦斯传感器已成为矿井瓦斯综合治理和灾害预测的关键技术装备，并越来越受到使用单位和研究人员的普遍重视。 据统计，国产安全检测用瓦斯传感器几乎全部采用载体催化元件，然而，长期以来我国载体催化元件一直存在使用寿命短、工作稳定性差和调校期频繁的缺点，严重制约着矿井瓦斯的正常检测，与国外同类传感器比较差距较大。主要问题是：
a.抗高浓冲击性能差。在巷道瓦斯涌出量大的情况下元件激活。反复作用的结果造成零点漂移并使其催化性能下降，抗高浓冲击性能差是造成元件使用寿命低、稳定性差的主要原因。
b.对过分追求低功耗的元件，在矿井高湿度环境条件下,CH4在元件表面燃烧生成的水蒸气易于凝结在元件表面，降低元件使用寿命。
c.抗中毒性能差；
d.载体催化元件制作工艺水低，元件一致性差。 4 现场管理和维护水平有待于加强
尽管国家和各省、地、市煤炭管理部门强制性要求各大、中、小煤矿的高瓦斯或瓦斯突出矿井必须装备矿井监测监控系统，并加大了对矿井安全生产的管理力度，但一些地方国有煤矿，特别是乡镇小煤矿，多数由于缺乏专业技术人员而不能正常使用和维护已装备的系统，甚至对系统配接的传感器根本不进行调校。
5 市场秩序亟待规范
大大小小的系统生产厂家的不断出现，无疑存在着市场竞争条件下初级阶段的恶性竞争，其结果是不仅损坏了厂家的利益，而且由于导致生产企业的系统研发后劲不足、技术支持能力降低，最终将影响产品用户的正常使用。此外，由于煤矿监测监控系统涉及计算机的软硬件技术和网络化管理技术、系统传输设备的软硬件技术、各种传感器技术、系统的完善和升级改造技术、技术支持和服务能力等综合性技术。因此，在选择某
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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 种系统时必须特别强调厂家的企业规模、研发能力、系统的技术水平和技术支持能力等。
1.2.3 煤矿安全监测系统的发展趋势
1系统不仅能实现监测监控，而且在软件技术上应研究开发能根据被监测环境地点的参数进行有效的危险性判别、分析和提出专家决策方案。同时系统应用软件应向网络化发展，按统一的格式向外提供监测数据。
2针对通信协议不规范和传输设备物理层协议不规范尽，应尽快寻找一种解决系统兼容性的途径或制定相应的专业技术标准，这对促进矿井监控技术发展和系统的推广应用均具有十分重要的意义;
3研制高可靠性瓦斯传感器；
4矿井瓦斯爆炸多半是由电气火灾引起的，因此应研制智能化的高压开关柜、高压真空馈电开关、低压真空馈电开关等，依此向系统提供多参数的信息，如电流、电压、单相/三相漏电电流、开关运行状态、开关机械/电气闭锁状态等；
5制定科学、合理的政策法规，研究提高煤矿安全管理水平的管理技术，使我国的煤矿安全生产管理从以人治为主，发展到以法治理。
1.3课题研究的意义
我国煤矿安全监测系统大多数采用KJ2000N监测系统，其关联的瓦斯传感器多为KGJ200A,由于该传感器内部电路为分离器件构成因此该监测系统出现测量误差较大和干扰严重现象的问题。目前普遍采用单片机作为主控器件进行监测控制，但单片机运算速度慢，系统经常无法实时反应，出现误动作或不动作等现象。
基于单片机接口技术的研究，能够实现对瓦斯等进行实时检测，及时切断非本质安全型设备电源，实现选择性的保护。有利于确保矿井工人的人身安全和矿井的安全生产，实现了矿产资源的安全开采。
1.4 本文研究的主要内容
根据国内煤矿安全监测系统的发展现状，本文将从以下几个方面对煤矿安全监测系统进行研究：
(1) 煤矿瓦斯监测系统的传感器输出信号类型。
(2) 煤矿瓦斯传感器的设计。设计了一种基于单片机的瓦斯检测技术，该传感器不仅能实时完成瓦斯的检测功能，而且具有降监测的数据通过LED显示出来、并能同上位机进行通信及语音报警功能。
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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) 煤矿瓦斯监测系统分站的设计。根据光电隔离技术，将瓦斯传感器输出的频率型信号转换成数字信号，送给分站单片机电路进行处理，从而提高了系统的抗干扰能力提高了系统可靠性。
本论文的研究对象是煤矿瓦斯监测系统系统，研究重点主要放在传感器输出信号和分站接收处理信号。设计了一种用采用AT89C52单片机的煤矿瓦斯监测系统。将单片机接口技术应用于煤矿安全监测系统之中。
本文设计了瓦斯传感器、监测分站的电路。主要有AT89C52电路、LED显示电路、模拟信号输入电路、开关量输入电路等。
本文对瓦斯传感器和分站的软件进行了设计，给出系统的程序流程图。分析煤矿井下恶劣环境下的各种干扰源，提出有针对性的抗干扰措施，以提高保护系统的工作可靠性。
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第二章 瓦斯传感器及输出接口电路设计方案
要设计一个系统，首先我们应该了解该系统将要实现的功能，然后根据现有的技术制定出合理的总体设计方案。一个系统能否设计成功和设计出来的性能的好坏，在很大程度上取决于系统设计之初拟定的总体方案的优劣，所以必须特别重视设计方案的选择。
2.1矿用瓦斯传感器的概述
矿用瓦斯传感器是采用载体催化元件开发的矿用固定式瓦斯检测仪表，可以检测0～10%瓦斯气体浓度[1]~[10]。传感器具有抗高浓度瓦斯冲击，敏感元件使用寿命长，响应时间短等技术特点传感器为矿用本质安全兼隔爆型，结构简单，调校方便，可以就地用数码管显示瓦斯浓度数值，当超过规定浓度值时，传感器发出声光报警信号。传感器具有频率型信号输出，可以与国内各种煤矿安全监控系统、风电瓦斯闭锁装置、瓦斯断电仪等煤矿安全监控设备配套使用。
瓦斯传感器能用于煤矿井下或其他有瓦斯气体的场所，监测环境瓦斯浓度，并连续自动地将瓦斯浓度值转换成标准电信号传送给关联设备。传感器可与国内各类型监测系统及断电仪、风电瓦斯闭锁装置等配套，适宜在煤矿采掘工作面、机电硐室，回风巷道等地点固定使用。传感器结构设计充分考虑了恶劣的环境条件,在结构强度和防水性能方面都采取了有效的措施，同时还特别加大了接口连接器的尺寸，保证传感器能稳定可靠地工作，具有瓦斯浓度显示，输出信号，具有声光报警功能和断线指示功能。
2.2矿用瓦斯传感器的设计方案
2.2.1矿用瓦斯传感器工作原理
瓦斯传感器从矿用监测分站电源箱获得+21V本安直流电压源后，经过传感器内部的电源变换电路向传感器电路供电。通过催化元件(俗称黑、白元件)组成电桥进行瓦斯和电信号的转换。工作时首先将黑、白元件加热到450oC左右，在新鲜空气中，经过调零，电桥处于平衡状态。当瓦斯气体在催化元件表面无焰燃烧时，黑元件温度增高，阻值增大；白元件因无催化作用，故温度、阻值不变，这样电桥就失去平衡，从而输出一个电位差(在一定范围内，其大小与瓦斯浓度成正比)，此电位差经放大后输送给A/D转换电路，经CPU数据处理后经输出电路输出，同时显示其浓度大小，当达到报警浓度时发出声光报警。
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