瓦斯氣體濃度控制系統(tǒng)

1、.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)生姓名:邱博學(xué) 號：2013307010326學(xué) 院:自動化工程學(xué)院班 級:自動133題 目:瓦斯氣體濃度控制系統(tǒng)目錄1.選題背景42. 方案論證53. 過程論述63.1傳感器的選擇63.2  A/D轉(zhuǎn)換電路63.3 控制電路73.4 數(shù)碼管顯示電路73.5 D/A轉(zhuǎn)換器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)83.6 總電路圖83.7 系統(tǒng)程序框圖94. 結(jié)果分析105. 總結(jié)106. 心得體會10參考文獻(xiàn)11.1.選題背景當(dāng)前，隨著采礦技術(shù)的不斷發(fā)展，井下作業(yè)的安全越來越有保障，但是仍然有許多采礦企業(yè)的機(jī)械化程度低，對現(xiàn)場采礦的工作人員的生命安全造成潛在的威脅，特別是針對瓦斯氣

2、體的檢測和報(bào)警仍舊存在隱患，每年由于瓦斯泄露造成的特大事故依然很多。瓦斯是在成煤過程中形成并大量儲存與煤層之中的氣體，是煤礦井下危害最大的氣體。瓦斯是一種無色無味的氣體，主要成份是甲烷（CH4），密度為0.716kg/ m3，對人體的危害是超時(shí)限能引起人窒息死亡。在地下采礦時(shí)候，井內(nèi)常常會泄露一定量的CH4、CO和SO2等氣體，后一種含量少，切易溶于水。經(jīng)煤礦開采時(shí)的噴水處理后變成酸。但前兩種氣體含量多，且?guī)缀醪蝗萦谒?，屬于易燃易爆氣體。瓦斯?jié)舛仍?以下是安全的，大于4就會引發(fā)爆炸很危險(xiǎn)?？刂仆L(fēng)系統(tǒng)工作，保證環(huán)境安全穩(wěn)定。由于瓦斯氣體本身的危險(xiǎn)性和對人民生產(chǎn)生活造成的巨大危害，因此在這里設(shè)計(jì)

3、一款瓦斯氣體濃度濃度控制系統(tǒng)，其控制算法對氣體濃度有預(yù)判性，通過氣體傳感器技術(shù)，將檢測到的瓦斯氣體濃度和標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，當(dāng)高過一定濃度的時(shí)候控制排風(fēng)扇對礦井進(jìn)行通風(fēng)排氣，避免發(fā)生安全事故。因資源有限，故只能在proteus軟件中進(jìn)行仿真模擬。2. 方案論證被控對象傳感器A/D轉(zhuǎn)換單片機(jī)D/A轉(zhuǎn)換放大器執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)碼管顯示電路本設(shè)計(jì)的瓦斯氣體濃度控制器由六個(gè)部分組成：傳感器、數(shù)碼管、控制電路、A/D轉(zhuǎn)換器，D/A轉(zhuǎn)換器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。傳感器部分采用氣體傳感器，能感知環(huán)境中某種氣體，并將與氣體種類和濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號，這種電信號是連續(xù)變化的模擬信號，需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)化離散的數(shù)字信號，然后

4、送給控制機(jī)構(gòu)?？刂齐娐芬詥纹瑱C(jī)為核心，能夠?qū)Σ杉臄?shù)字信號進(jìn)行處理和判斷，運(yùn)用一定的算法計(jì)算出待檢測氣體成分及濃度并送到數(shù)碼管顯示出來。當(dāng)檢測氣體濃度超出設(shè)定值時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作，驅(qū)動排氣風(fēng)扇，將氣體進(jìn)行置換，以降低瓦斯的濃度至安全值。本系統(tǒng)可以對檢測的數(shù)據(jù)和設(shè)定的閥值參數(shù)進(jìn)行存儲并自備電源。系統(tǒng)框圖如圖1所示。 圖1該瓦斯?jié)舛瓤刂破魇且环N操作方便、電路設(shè)計(jì)新穎、控制能力強(qiáng)、參數(shù)測量準(zhǔn)確、成本低、結(jié)構(gòu)簡單的瓦斯?jié)舛瓤刂破?。它有測量范圍寬、精度高的優(yōu)點(diǎn)，且具有自動控制瓦斯?jié)舛葹槎ㄖ档墓δ堋?. 過程論述3.1傳感器的選擇甲烷傳感器采用MQ-4氣敏傳感器，用于探測采集瓦斯的濃度。它在較寬的濃度范圍內(nèi)

5、對可燃?xì)怏w有良好的靈敏度，對甲烷的靈敏度較高，其次其壽命長、成本低，單價(jià)只有一元，使用簡單的電路即可驅(qū)動。其主要技術(shù)指標(biāo)及結(jié)構(gòu)圖如圖2、圖3所示。 圖2圖33.2  A/D轉(zhuǎn)換電路由于MQ-4傳感器的輸出信號為模擬電壓信號，要想將采集到得數(shù)據(jù)送至單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理則需要將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，所以在這里我們還要選用ADC0808芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理。ADC0808是采樣分辨率為8位的、以逐次逼近原理進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的器件。其內(nèi)部有一個(gè)8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個(gè)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。3.3 控制電路控制電路的主體為AT89C51型單片

6、機(jī)，AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C51是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個(gè)芯片中，AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活

7、性高且價(jià)廉的方案。 3.4 數(shù)碼管顯示電路LED數(shù)碼顯示器是一種由LED發(fā)光二極管組合顯示字符的顯示器件。它使用了8個(gè)LED發(fā)光二極管，其中7個(gè)用于顯示字符，1個(gè)用于顯示小數(shù)點(diǎn)，故稱之為7段發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器。這里用MAX7219和三個(gè)數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)3位動態(tài)顯示電路，數(shù)碼管采用共陽極接法。由于采用動態(tài)顯示，因此除了要給顯示器提供顯示段碼之外，還要對顯示器進(jìn)行位的控制，即通常所說的“段控”和“位控”。因此對于采用動態(tài)顯示的電路來說，單片機(jī)都需要提供兩種輸出口，一種用于輸出顯示段碼，另一種用于輸出位控信號?！拔豢亍睂?shí)際上就是對LED顯示器的公共端進(jìn)行控制，位控信號的數(shù)目與顯示器的位數(shù)相同。

8、3.5 D/A轉(zhuǎn)換器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)DAC0832是8分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片。與微處理器完全兼容。這個(gè)DA芯片以其價(jià)格低廉、接口簡單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點(diǎn)，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。D/A轉(zhuǎn)換器由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成。為了簡化電路，將DAC0832配置為直通式工作方式，單片機(jī)的數(shù)字量輸出信號通過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為模擬量輸出信號，并通過這個(gè)信號控制排風(fēng)扇的電機(jī)轉(zhuǎn)動，這樣就構(gòu)成了整個(gè)電路的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。3.6 總電路圖總電路圖如圖4所示。 圖43.7 系統(tǒng)程序框圖主程序流程圖如下圖所示。開始 系統(tǒng)初始化設(shè)定給定值數(shù)據(jù)采集處理濃度判斷 正常 超值執(zhí)行

9、器動作數(shù)據(jù)回傳動態(tài)顯示 4. 結(jié)果分析本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用C語言進(jìn)行編程，充分發(fā)揮PIC單片機(jī)內(nèi)部資源優(yōu)勢；同時(shí)所編寫的程序可讀性和可移植性較好，提高系統(tǒng)開發(fā)和調(diào)試效率。 程序由主程序和多個(gè)可調(diào)用的子程序構(gòu)成。設(shè)備一旦開始工作，單片機(jī)及相關(guān)外圍元件開始初始化，然后對各個(gè)變量參數(shù)設(shè)定初始值或者設(shè)定值，主程序進(jìn)入了執(zhí)行階段;然后對所監(jiān)控的礦井環(huán)境中的瓦斯?jié)舛乳_始采集，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)化器處理和傳輸，再把信號傳送到單片機(jī)內(nèi)部的模擬比較器，與設(shè)定值進(jìn)行比較。若瓦斯?jié)舛雀哂谠O(shè)定值，系統(tǒng)則會驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作，同時(shí)，瓦斯?jié)舛瓤梢栽?段8位的LED數(shù)碼管上動態(tài)顯示。5. 總結(jié) 基于C51單片機(jī)的智能瓦斯?jié)舛瓤刂葡到y(tǒng)

10、實(shí)現(xiàn)了對煤礦井下瓦斯?jié)舛鹊臏?zhǔn)確、快速、實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制，不僅可以實(shí)時(shí)分析、處理數(shù)據(jù)，還可以通過控制排風(fēng)扇的動作實(shí)現(xiàn)礦井內(nèi)瓦斯氣體濃度維持在安全值。該設(shè)備可靠性高、檢測精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)，能夠顯著提高煤礦企業(yè)相關(guān)監(jiān)測部門的管理水平和工作效率。6. 心得體會回顧起此次設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，至今我仍感慨頗多。的確，從選題到定稿，從理論到實(shí)踐，在整整一個(gè)星期的日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多很多的的東西，同時(shí)不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識。通過這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實(shí)踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際動手能力和獨(dú)立思考的能力。在設(shè)計(jì)的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，這畢竟第一次做的，難免會遇到過各種各樣的問題，同時(shí)在設(shè)計(jì)的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，對單片機(jī)的許多知識還掌握得不好，這次設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過后，一定把以前所學(xué)過的知識重新溫故。參考文獻(xiàn)1.朱高中 基于單片機(jī)的礦井瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測系統(tǒng)的研究 J. 儀表技術(shù)與傳感器. 2012(11)2.蘭建軍，倫向敏，關(guān)碩. 單片機(jī)原理，應(yīng)用與Proteus仿真 M. 機(jī)