江西理工大学应用科学学院毕业设计
第1章 引 言
1.1课题研究背景及意义
煤矿安全生产这个老问题，如何在开采煤炭、持续供应稀缺能源的同时，保证宝贵的生命不受矿难的吞噬是我们不得不面临的共同课题？煤炭产业，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，作为“万恶之首”的甲烷爆炸事故更是居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，提高通风甲烷检测监控水平，已成为中小型煤矿甲烷检测监控的最迫切的任务之一。随着采矿技术的不断发展，井下作业的安全越来越有保障，但是仍然有许多采矿企业的机械化程度低，因此对现场采矿的工作人员的生命安全造成潜在的威胁，特别是针对瓦斯气体的检测和报警仍旧存在隐患，每年由于瓦斯泄露造成的特大事故依然很多。据《中国煤炭报》统计，全国共有大小煤矿60000多个，从业矿工
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800多万。根据煤矿三班作业的实际情况，目前至少需要300万个瓦斯报警器，可见其市场非常广阔。但由于某些技术上的不足，导致一些关键问题至今没有能够解决。由于瓦斯气体本身的危险性和对人民生产生活造成的巨大危害，因此瓦斯气体的检测和报警是一项非常必要的工作。
国外的监控系统技术水平理论上讲高于国内发展水平，但应用于国内煤矿尚有一定的局限性，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，其它仅具一定参考价值。80年代初，世界各产煤国检测装置的缺点是：1）测量范围小2）易受高浓度瓦斯和硫化物的中毒以及存在零点漂移和灵敏度漂移问题，存在检测不准确及井下校准困难等弊端（每7天校准一次）。由于检测装置向更迅速更快捷发展，方便携带等要求发展。传统的机械检测仪一般灵敏度和准确度也比较低或者检测方法难，同时单片机既有通用计算机的基本部件，又不同于计算机。体积小，能实时快速的对外部事件作出响应，迅速采集大量数据，做出逻辑判断与推理后实现被控对象的参数调整与控制，且能满足检测仪的设计要求，所以基于单片机的智能瓦斯检测系统设计的开发有很大意义。因此各国都采用智能煤矿瓦斯检测系统装置，运营单片机工作原理，它能提高煤矿瓦斯检测技术水平和检测的实时性，更能有效预防煤矿瓦斯事故的发生。电子技术的迅猛发展一方面带动了煤矿瓦斯检测系统技术的发展，一方面也对煤矿瓦斯检测产品提出了越来越高的要求。智能煤矿瓦斯检测主要是依据单片机为核心进行设计的，传感器设计的智能煤矿瓦斯检测系统速度快，体积小，重量轻，可连续检测再加上气体传感器向低功耗、多功能、集成化方向的发展，单片机具有受集成限制，片内储存量较小，可靠性好，扩展简单，控制功能强等特点，因此，基于单片机的智能煤矿瓦斯检测系统的研究和开发生产具有十分广泛的现实市场和潜在的市场需求。随着单片机的广泛应用，将大大促进各领域的技术更新，向自动化、小型化、智能化方向迈进。而且单片机内部具有8路A/D转换和大容量的ROM和RAM，不需要外部扩展电路，硬件电路结果简单，维护方便）设计出了基于单片机的瓦斯传感器。系统由 单片机，瓦斯气体检测电路，A/D转换、液晶显示电路，声光报警电路组成。以52单片机为核心构成一个具备数据采集，对象控制，结果显示等功能的完整系统。
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1.2课题的主要研究内容与要求
这次毕业设计的主要内容与要求是：设计一个瓦斯气体安全监控装置，在气休浓度一定的范围内进行安全检测，并能在矿内瓦斯浓度达到报警上限限时进行声光报警，通知矿内工作人员及时撤离减少人员伤亡和财产损失。假设这个单片机气体安全监控系统要实现以下的功能：气体测试，超过设定的门限值后自动报警装置。以单片机为主机，气敏传感器通过一根口线与单片机相连接，再加上浓度控制部分和人机对话部分来共同实现瓦斯安全监测与控制。通过显示器显示矿内瓦斯浓度值并能通过上位机下位机实现与PC机之间的信息通信，及时准确地显示井下瓦斯和氧气超限的实际情况，使安全局主要负责人对矿主、安检员、某些矿的负责人进行监管，督促他们认真贯彻煤矿安全规程，实现自动监管功能。
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第2章 系统功能介绍及方案选择
2.1 系统性能描述
一个易燃易爆气体监控系统能够及时的发现易燃易爆气体并报警，肯定能提高人民的生活水平和加快我们的现代化建设，减少不必要的人员跟财产损失，有利于整个社会稳定。基于这个思路，我们研究设计了瓦斯监测报警系统。能较为准确科学的检测并显示矿内瓦斯浓度，并且当气体的浓度超出某一设定范围后会产生报警，从而达到实时安全监控作用。
2.2 zigbee无线通讯协议介绍
Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。
在802.15.4标准中指定了两个物理频段和的直接扩频序列物理层频段:868/915MHz和
2.4GHz的直接序列扩频(DSSS)物理层频段。2.4GHz的物理层支持空气中250kb/s的速率，而868/915MHz的物理层支持空气中20kb/s和40kb/s的传输速率。由于数据包开销和处理延迟，实际的数据吞吐量会小于规定的比特率。作为支持低速率、低功耗、短距离无线通信的协议标准，802.15.4在无线电频率和数据率、数据传输模型、设备类型、网络工作方式、安全等方面都做出了说明。并且将协议模型划分为物理层和媒体接入控制层两个子层进行实现。
ZigBee协议是由ZigBee联盟制定的无线通信标准，该联盟成立于2001年8月。2002年下半年，英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司共同宣布加入ZigBee联盟，研发名为“ZigBee”的下一代无线通信标准，这一事件成为该技术发展过程中的里程碑。ZigBee联盟现有的理事公司包括BM Group，Ember公司，飞思卡尔半导体，Honeywell，三菱电机，摩托罗拉，飞利浦，三星电子，西门子，及德州仪器。ZigBee联盟的目的是为了在全球统一标准上实现简单可靠、价格低廉、功耗低、无线连接的监测和控制产品进行合作，并于2004年12月发布了第一个正式标准。 随着国内经济的高速发展，城市的规模在不断扩大，尤其是各种交通工具的增长更迅速，从而使城市交通需求与供给的矛盾日益突出，而单靠扩大道路交通基础设施来缓解矛盾的做法已难以为继。在这种情况下，智能公交系统(AdvancedPublicTransportationSystems，APTS)也就应运而生，并且成为国内研究的热点。在智能公交系统所涉及的各种技术中，无线通信技术尤为引人注目。而ZigBee作为一种新兴的短距离、低速率的无线通信技术，更是得到了越来越广泛的关注和应用。市场上也出现了大量与ZigBee相关的各种产品，
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