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井下瓦斯浓度智能传感器的设计
摘要
井下瓦斯浓度智能传感器针对瓦斯的特点，设计出同时监测高低浓度的瓦斯系统，全天候不间断的对井下瓦斯浓度进行监测。同时采用声光报警系统，一旦瓦斯超标，系统立即提醒正在井下作业的工人紧急撤离，避免人员伤亡，并且还运用红外遥控系统来进行远程监控。设计这种智能传感器采用闭环控制来确保采样的平稳。
该传感器以AT87C552单片机为核心，由甲烷浓度采样器、把220V的交流电转换成5V的直流电源、红外遥控系统、存储器的扩展、LCD显示器和报警装置等组成，实现对瓦斯的检测、报警和控制，安全可靠，经久耐用，适合各类煤矿瓦斯的监控，可以大大降低煤矿事故的发生，降低企业成本，提高煤炭开采率，为我国煤炭事业做出贡献。
关键词：瓦斯;AT87C552;PID控制器
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目录
摘要（中文）.............................................................. I 1 井下瓦斯浓度智能传感器设计的概述........................................ 1
1.1背景............................................................... 1 1.2系统简介........................................................... 2 2 系统功能设计............................................................ 3
2.1性能描述........................................................... 3 2.2系统框架结构...................................... 错误！未定义书签。 3 硬件电路设计........................................................... 12
3.1甲烷传感器........................................................ 12
3.1.1 KG9701型智能低浓度沼气传感器 ............................. 12 3.1.2 高浓度瓦斯传感器(国产) 型号:ZR14-GJW4/100................... 13 3.2 ADC0809引脚图与接口电路......................................... 14
3.2.1 A/D转换器芯片ADC0809设计 ................................. 14 3.2.2. ADC0809的内部结构 ......................................... 16 3.2.3．信号引脚................................................... 17 3.2.4 MCS-51单片机与ADC0809的接口 ............................... 18 3.2.5 A/D转换应用举例 ........................................... 22 3.3 AT89C51设计..................................................... 22
3.3.1 AT89C51概述 ................................................ 22 3.3.2 主要特性.................................................... 23 3.3.3 管脚说明.................................................... 24 3.3.4 振荡器特性................................................. 25 3.3.5 芯片擦除.................................................... 25 3.4 8155设计......................................................... 29
3.4.1 8155各引脚功能 ............................................. 29 3.4.2 8155的地址编码及工作方式 .................................. 30 3.4.3 8155的定时/计数器 ......................................... 30 3.5 DAC0832设计.................................................... 31 3.6 LED显示器....................................................... 35
3.6.1 LED显示器的结构 ............................................ 35 3.6.2 LED显示器的工作原理 ........................................ 37
4 PID控制 .............................................................. 38
4.1 PID控制器设计.................................................... 38 4.2 PID控制实现...................................................... 43 5 软件流程图............................................................. 46 总结..................................................................... 48 参考文献................................................................. 49 致谢..................................................................... 50
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第一章 井下瓦斯智能传感器设计的概述 1.1井下瓦斯智能传感器设计的背景
随着我国国民经济的不断发展，对煤炭需求量也越来越大，这就使得煤矿的安全生产面临着一个十分严峻的问题。煤矿矿难事故屡屡发生，造成的原因有很多，其中不少是因为瓦斯爆炸引起的。为了防止瓦斯爆炸事故的发生，除了加强井下作业人员的管理，改善井下的作业环境外，还必须建立一个性能可靠的瓦斯监控系统。
煤矿瓦斯是指矿井中主要由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体的总称。有时也单独指甲烷。瓦斯在空气的体积分数达到一定的程度（5%～12%）时，在一定条件下可与空气中的氧气发生剧烈的化学反应而形成瓦斯爆炸，对煤矿安全构成严重威胁。 矿井瓦斯监测监控技术是伴随着煤炭工业发展而逐步发展起来的。1815年，英国发明的世界上第一种瓦斯监测仪器——瓦斯检定灯。利用火焰的高度来检测瓦斯浓度；20世纪30年代，日本发明了光干涉瓦斯检定器，一直沿用至今；20世纪40年代，美国研制了检测瓦斯浓度的敏感元件—铂丝催化元件；1954年，英国采矿安全所研制了最早的载体催化元件。电子技术的进展推动了瓦斯检测控制装置的进一步发展，如20世纪70年代后期法国研制的CTT63/40U矿井监控系统、英国的MINOS系统、美国的SCA—DA系统等。
我国矿井瓦斯监控技术经历了从简单到复杂、从低水平到高水平的发展过程。从新中国成立初期到20世纪70年代，煤矿下井人员主要使用光学瓦斯检定仪、风表等携带式仪器检测井下环境参数。20世纪60年代初期，我国开始研制载体催化元件，随着敏感元件制造水平的提高和电子技术的发展，特别是大规模集成电路、微型计算机的广泛应用，使监控技术进入了新的发展时期。20世纪70年代瓦斯断电仪问世，装备在采掘工作面、回风港道等井下固定地点，实现了对瓦斯的自动连续检测及超限自动切断被控制设备的电源。随后，陆续研制了便携式瓦斯监控检测报警仪、瓦斯报警矿灯。1983年至1985年，从欧美国家先后引进了数十套监控系统及配套的传感器和便携式仪器装备煤矿矿井，并相应地引进了部分监控系统、传感器和敏感元件制造技，由此推动了我国矿井安全监测监控技术的发展。1983年以后，国内有多种型号矿井监控系统通过了技术鉴定，逐步实现了对煤矿矿井安全、生产多种参数的连续监测、监控、数据存储和数据处理。近几年，随着计算机的发明和应用，特别是网络和信息化建设的不断发展，给瓦斯治理提供了机遇条件，煤矿瓦斯监控网络系统应运而生。这些装备和系统的推广与应用，丰富了我国煤矿安全监控 产品的市场，改善了煤矿安全技术装备的面貌，缩小了我国与国外先进技术水平的差距。
传统的煤矿瓦斯监控系统大体可以分为两大部分：井下部分和井上部分。井下部分