瓦斯氣體濃度控制系統(tǒng)

1、東電力*令計(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(hào)： 2013307010326學(xué)院：自動(dòng)化工程學(xué)院班級(jí)：自動(dòng)133題目：瓦斯氣體濃度控制系統(tǒng)目錄1 .選題背景12 .方案論證13 .過程論述23.1 傳感器的選擇23.2 A/D轉(zhuǎn)換電路33.3 控制電路33.4 數(shù)碼管顯示電路43.5 D/A轉(zhuǎn)換器和執(zhí)行機(jī)構(gòu) 43.6 總電路圖53.7 系統(tǒng)程序框圖54 .結(jié)果分析65 .總結(jié)76 .心得體會(huì)7參考文獻(xiàn)71 .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(duì)現(xiàn)場(chǎng)采礦的工作人員的生命安全造成潛在的 威脅，特別是針對(duì)瓦斯氣體的

2、檢測(cè)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?jī)?chǔ)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(duì)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(huì) 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瑢儆谝兹家?爆氣體。瓦斯?jié)舛仍?%以下是安全的，大于4%就會(huì)引發(fā)爆炸很危險(xiǎn)?？刂仆?風(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(duì)人民生產(chǎn)生活造成的巨大危害， 因此

3、在這 里設(shè)計(jì)一款瓦斯氣體濃度濃度控制系統(tǒng)， 其控制算法對(duì)氣體濃度有預(yù)判性，通過 氣體傳感器技術(shù)，將檢測(cè)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(duì)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(hào)，這 種電信號(hào)是連續(xù)變化的模擬信號(hào)，需要經(jīng)過 A/D轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)化離散的數(shù)字信號(hào)，然后送給控制機(jī)構(gòu)?？刂齐娐芬詥纹瑱C(jī)為核心

4、，能夠?qū)Σ杉臄?shù)字信號(hào) 進(jìn)行處理和判斷，運(yùn)用一定的算法計(jì)算出待檢測(cè)氣體成分及濃度并送到數(shù)碼 管顯示出來。當(dāng)檢測(cè)氣體濃度超出設(shè)定值時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)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(duì)檢測(cè)的數(shù)據(jù)和 設(shè)定的閥值參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)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(cè)量 準(zhǔn)確、成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的瓦斯?jié)舛瓤刂破?。它有測(cè)量范圍寬、精度高的優(yōu)點(diǎn)， 且具有自動(dòng)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(cè)采集瓦斯的濃度。它在較寬的 濃度范圍內(nèi)對(duì)可燃?xì)怏w有良好的靈敏

5、度，對(duì)甲烷的靈敏度較高，其次其壽命長(zhǎng)、 成本低，單價(jià)只有一元，使用簡(jiǎn)單的電路即可驅(qū)動(dòng)。其主要技術(shù)指標(biāo)及結(jié)構(gòu)圖如 圖2、圖3所示。r,l . i r. .r.rl 二3刨二1i r-EFiri. rr，產(chǎn)茄年小；斷4產(chǎn)品提51半部體氣敏元件標(biāo)準(zhǔn)封裝膠木（黑膠木）檢泅氣體甲烷檢測(cè)濃度300-KXXWppa(甲烷J標(biāo)準(zhǔn)回路電壓k忘24V DC電路加熱電壓小xOV±O.iV ACorDC條件負(fù)援電陽區(qū)可調(diào)標(biāo)唯加熱電用%300±3Q f室溫)測(cè)試Hl熱功耗Pi900ml條件卜氣城感他去 面電租心2K Q -2flK Q (in SOOOpfa CH. >敏元件特靈域度SRs (

6、in air"Hm(5O(X)即甲烷宜由性深度斜率Q林皿度濕度20Y： 12Vt 65%±5%RH酢測(cè)試條標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試電躋% 5.0i'±a IV vB &av±(Liv&麗薇熬時(shí)/第1=43.2 A/D轉(zhuǎn)換電路由于MQ-4傳感器的輸出信號(hào)為模擬電壓信號(hào)，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(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，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(hào)，只選通

7、8路模擬輸入信號(hào)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型單片機(jī)，AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編 程 可 擦 除 只 讀 存 儲(chǔ) 器 ( FPEROM 一 Flash Programmable and Erasable Read Only Memory 的彳氐電壓，高性 能CMOS8：微處理器，彳&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(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除 100次。該器 件采用ATMEH密度非易失存儲(chǔ)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C

8、PU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中， AT89C5俾片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。3.4 數(shù)碼管顯示電路LE躁碼顯示器是一種由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MAX721守口三個(gè)數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)3位動(dòng)態(tài)顯示電路，數(shù)碼管采用共陽極接 法。由于采用動(dòng)態(tài)顯示，因此除了要給顯示器提供顯示段碼之外，還要對(duì)顯示器進(jìn)行位的控制，即通常所說的“段控”和“位控”。因此對(duì)于采用動(dòng)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

9、號(hào)?！拔豢亍睂?shí)際上就是對(duì)LED顯示器的公共端進(jìn)行控制，位控信號(hào)的 數(shù)目與顯示器的位數(shù)相同。3.5 D/A轉(zhuǎn)換器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)DAC0832 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(jiǎn)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DACJ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(jiǎn)化電路，將DAC0832s置為直通式工作方式，單片機(jī)的數(shù)字量輸出信 號(hào)通過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為模擬量輸出信號(hào)，并通過這個(gè)信號(hào)控制排風(fēng)扇的電機(jī)轉(zhuǎn) 動(dòng)，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 MlPl

10、.,TC:* ri ''*11 " j *wll9-1 h-blL«J VtVIP4UVW3 *»> ” * 3"i L UM "h<ATli C VUH 044i»,ah- i=,3.7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(shì); 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(duì)各個(gè)變量參數(shù)設(shè)定初始值或者設(shè)定值

11、，主程序進(jìn)入了執(zhí)行階段；然后對(duì)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(hào)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(huì)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，同時(shí)，瓦斯?jié)舛瓤梢栽?段8位的LED數(shù)碼管上動(dòng)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)實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤礦井下瓦斯?jié)舛鹊臏?zhǔn) 確、快速、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(dòng)作實(shí)現(xiàn)礦井內(nèi)瓦斯氣體濃度維持在安全值o該設(shè)備可靠性高、檢測(cè)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(cè)部門的管理水平和工作效率。6 .心得體會(huì)回顧起此次設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，至今我仍感慨頗多。的確

12、，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(shí)，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識(shí)。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(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)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(huì)服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)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(huì)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(duì)以 前所學(xué)過的知識(shí)理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，對(duì)單片機(jī)的許多知識(shí)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(shí)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(cè)系統(tǒng)的研究J.儀表技術(shù)與傳感器.2012(11)2