单片机的煤矿瓦斯监控系统设计硬件子系统(附件)
在我国，煤炭的需求量一直是能源矿产资源中最多的，在能源矿产资源中煤炭所占的比例也是最大的，人民的生产生活离不开煤炭。但是矿难事故的频繁发生，使得煤炭的安全生产面临巨大的考验。这次设计的课题是煤矿瓦斯监控系统的硬件设计。文中首先阐述了甲烷监控系统的发展及状况，其次着重介绍了此次基于单片机AT89S52的煤矿瓦斯监控系统。本设计的硬件电路包括甲烷浓度检测，A/D转换电路，数据显示电路，单片机接口电路，串口通信等。通过硬件的设计可实现对煤矿瓦斯浓度的实时监控，并当其浓度等于或超过预警值时可以进行声光报警。能够有效防止和避免瓦斯浓度过大引发的事故发生，对避免人员伤亡、财产损失和保证安全有效的生产有着积极的作用。该装置具有性体积小、方便搬运、性价比高、适应性强等特点，并具有一定的隔爆能力，可大量应用于煤矿井下作业现场。关键词 瓦斯气体传感器，报警器，单片机，串口通信目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究背景 1
1.2 课题现状以及发展趋势 1
1.3 课题研究意义 2
1.4 课题的主要内容 3
第二章 瓦斯监控系统功能介绍及方案选择 3
2.1 概述 3
2.2 设计要求 3
2.2.1 技术指标要求 3
2.2.2 隔爆仪表设计要求 4
2.3 系统方案的选择 5
2.3.1 系统设计方案 5
2.3.2 气体传感器 5
2.3.3 显示模块 6
2.3.4 A/D转换芯片 7
2.3.5 RS-485通讯模块 8
2.3.6 继电器控制模块 10
第三章 系统硬件设计 12
3.1 设计概述 12
3.2 AT89S52单片机结构特点 12
3.3 AT89S52单片机接口电路 13
3.3.1 系统电源电路的设计 14
3.3.2 气体采样电路设计 15
3.3.3 复位电路的设计 16
3.3.4 系统时钟电路的设计 17
3.3.5 声光报警电
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> 3.1 设计概述 12
3.2 AT89S52单片机结构特点 12
3.3 AT89S52单片机接口电路 13
3.3.1 系统电源电路的设计 14
3.3.2 气体采样电路设计 15
3.3.3 复位电路的设计 16
3.3.4 系统时钟电路的设计 17
3.3.5 声光报警电路的设计 17
3.3.6 显示电路的设计 18
3.3.7 RS-485串口通讯硬件电路设计 19
3.3.8 继电器控制电路 20
第四章 系统调试 20
4.1 上电观察阶段 21
4.2 模块调试 21
4.3 软、硬件整体调试 21
结 论 25
致 谢 26
参 考 文 献 27
附录A：实物图 28
附录B：硬件电路图 29
第一章 绪论
1.1 课题研究背景
矿产资源是国家经济发展的命脉,是国家工业生产的动力。近些年来,随着石油资源的逐渐紧张、石油价格的持续波动，煤炭资源一直处于十分重要的地位。在我国，煤炭一直是矿产资源中需求量最大的，远高于对石油以及天然气的需求量。比如火电厂发电、冬天北方供暖等都需要大量的煤炭。因此，我国对煤炭的需求量一直居于世界前列。而且，在我国煤炭资源在矿产资源中占绝大多的比例，煤炭资源丰富，开采难度相对较小，比如，山西省就是煤矿大省，不少煤矿都是可以露天开采的。可是，在煤炭的生产过程中经常发生重大事故，造成的人员伤亡、财产损失不可估量。煤矿事故有着多种形式，比如坑顶垮塌、瓦斯爆炸、水灾等，而瓦斯爆炸是这些事故中引起危害最大、后果最严重的，并且也是发生几率最高的，这是我国矿业发展中亟待解决的重大问题。
煤矿瓦斯是一种有毒的无色无味的混合气体，绝大部分是甲烷（CH4），还有少量的一氧化碳(CO)、二氧化硫(SO2)等。瓦斯的产生时时刻刻威胁着生产的安全，它不仅仅会造成空气污染，而且当空气中的瓦斯含量在5%～16%这个范围时，遇明火会引发爆炸，其爆炸冲击力大，范围广，甚至整个煤矿都被爆炸所毁灭，随之大量的煤尘、瓦斯气体进入大气中，污染大气环境并会导致局部地区产生酸雨，影响农作物的生长破坏建筑[3]。
我国不仅瓦斯矿井数量众多，几乎所有的矿井都是瓦斯矿井，而且瓦斯爆炸危害很大。如果井下生产时，瓦斯浓度过大，后果不堪设想。因此，对瓦斯的监控是保证煤矿安全生产的重中之重。防止瓦斯灾害，保障煤矿安全生产是广大煤炭科技工作者和职工的首要任务。
1.2 课题现状以及发展趋势
自2000年以来，国家对煤矿企业安全生产的要求持续提高，企业对自身的发展越来越重视，加强了安全生产监督管理，为了防止发生生产安全事故，国家要求所有瓦斯矿井必须安装安全监控系统。煤矿监控系统在瓦斯灾害的防治中起到越来越重要 的作用。
世界各国都有有煤矿瓦斯监测系统,如英国、法国、德国等。但是这些国家的系统只能实现井下的实时监测,并不能上传数据,无法实现智能化的监控。
我国在煤矿中应用瓦斯浓度检测系统起步较晚，在上世纪改革开放后，从德国、英国、美国等一些技术发达的欧美国家引进了一批先进的安全监控系统。在引进之后，我国科学家通过研究这些监控系统，并根据我国煤矿开采中的实际情况，先后研制出KM1, KM3, KM5, KM7, KM15, KM16, KM34, KM69, KM77,KM82, KM94, KM95, KM102等煤矿有害气体监测系统。但其中大部分监控系统传输数据是以模拟的方式传输的,将甲烷浓度值转化为脉冲量传输，容易受到矿井下设备的电磁干扰,使得监测数据不准确,经常出现误报警等现象。
目前，由于过去研发生产的监控系统科技含量低、适用性不足、设备维护的不到位等原因，已经被淘汰或是停产了，所以使得大量的矿井无法正常使用现有的监控系统[3]。
随着现在计算机技术等一系列先进技术的发展和企业对自身发展的重视，国内各科研单位设计出一系列新的监控系统，这些系统都是由单机监控系统往专业/综合系统发展。但不论是单机监控还是专业/综合监控系统都还存在不足的地方。例如，单机系统检测容量小，不能实现设备的互联控制，电缆用量大系统性价比低。而专业/综合系统针对某一监控对象开发软硬件互不兼容；通讯协议是厂家自我定义的，信息无法交汇；软件为某一特定系统定制开发，无法重新利用；各系统数据互不兼容，利用率不高等。
1.3 课题研究意义
因为我国检测技术起步较晚，再加上煤矿井下生产环境的恶劣性和地质因素的变化性，施工人员的安全意识比较差，以及对施工安全的要求越来越高，我国当前对甲烷浓度的检测设备还存在很多的问题。例如，对突发事件的反应处理速度不够快；检测设备的使用寿命短；工作的稳定性易受矿井不良坏境的影响，造成检测结果不准确、误报警现象；设备维护难度大成本高等。
随着单片机技术和计算机技术以及传感器技术的成熟和推广，为煤矿瓦斯监控提供了更加可靠的
第一章 绪论 1
1.1 课题研究背景 1
1.2 课题现状以及发展趋势 1
1.3 课题研究意义 2
1.4 课题的主要内容 3
第二章 瓦斯监控系统功能介绍及方案选择 3
2.1 概述 3
2.2 设计要求 3
2.2.1 技术指标要求 3
2.2.2 隔爆仪表设计要求 4
2.3 系统方案的选择 5
2.3.1 系统设计方案 5
2.3.2 气体传感器 5
2.3.3 显示模块 6
2.3.4 A/D转换芯片 7
2.3.5 RS-485通讯模块 8
2.3.6 继电器控制模块 10
第三章 系统硬件设计 12
3.1 设计概述 12
3.2 AT89S52单片机结构特点 12
3.3 AT89S52单片机接口电路 13
3.3.1 系统电源电路的设计 14
3.3.2 气体采样电路设计 15
3.3.3 复位电路的设计 16
3.3.4 系统时钟电路的设计 17
3.3.5 声光报警电
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> 3.1 设计概述 12
3.2 AT89S52单片机结构特点 12
3.3 AT89S52单片机接口电路 13
3.3.1 系统电源电路的设计 14
3.3.2 气体采样电路设计 15
3.3.3 复位电路的设计 16
3.3.4 系统时钟电路的设计 17
3.3.5 声光报警电路的设计 17
3.3.6 显示电路的设计 18
3.3.7 RS-485串口通讯硬件电路设计 19
3.3.8 继电器控制电路 20
第四章 系统调试 20
4.1 上电观察阶段 21
4.2 模块调试 21
4.3 软、硬件整体调试 21
结 论 25
致 谢 26
参 考 文 献 27
附录A：实物图 28
附录B：硬件电路图 29
第一章 绪论
1.1 课题研究背景
矿产资源是国家经济发展的命脉,是国家工业生产的动力。近些年来,随着石油资源的逐渐紧张、石油价格的持续波动，煤炭资源一直处于十分重要的地位。在我国，煤炭一直是矿产资源中需求量最大的，远高于对石油以及天然气的需求量。比如火电厂发电、冬天北方供暖等都需要大量的煤炭。因此，我国对煤炭的需求量一直居于世界前列。而且，在我国煤炭资源在矿产资源中占绝大多的比例，煤炭资源丰富，开采难度相对较小，比如，山西省就是煤矿大省，不少煤矿都是可以露天开采的。可是，在煤炭的生产过程中经常发生重大事故，造成的人员伤亡、财产损失不可估量。煤矿事故有着多种形式，比如坑顶垮塌、瓦斯爆炸、水灾等，而瓦斯爆炸是这些事故中引起危害最大、后果最严重的，并且也是发生几率最高的，这是我国矿业发展中亟待解决的重大问题。
煤矿瓦斯是一种有毒的无色无味的混合气体，绝大部分是甲烷（CH4），还有少量的一氧化碳(CO)、二氧化硫(SO2)等。瓦斯的产生时时刻刻威胁着生产的安全，它不仅仅会造成空气污染，而且当空气中的瓦斯含量在5%～16%这个范围时，遇明火会引发爆炸，其爆炸冲击力大，范围广，甚至整个煤矿都被爆炸所毁灭，随之大量的煤尘、瓦斯气体进入大气中，污染大气环境并会导致局部地区产生酸雨，影响农作物的生长破坏建筑[3]。
我国不仅瓦斯矿井数量众多，几乎所有的矿井都是瓦斯矿井，而且瓦斯爆炸危害很大。如果井下生产时，瓦斯浓度过大，后果不堪设想。因此，对瓦斯的监控是保证煤矿安全生产的重中之重。防止瓦斯灾害，保障煤矿安全生产是广大煤炭科技工作者和职工的首要任务。
1.2 课题现状以及发展趋势
自2000年以来，国家对煤矿企业安全生产的要求持续提高，企业对自身的发展越来越重视，加强了安全生产监督管理，为了防止发生生产安全事故，国家要求所有瓦斯矿井必须安装安全监控系统。煤矿监控系统在瓦斯灾害的防治中起到越来越重要 的作用。
世界各国都有有煤矿瓦斯监测系统,如英国、法国、德国等。但是这些国家的系统只能实现井下的实时监测,并不能上传数据,无法实现智能化的监控。
我国在煤矿中应用瓦斯浓度检测系统起步较晚，在上世纪改革开放后，从德国、英国、美国等一些技术发达的欧美国家引进了一批先进的安全监控系统。在引进之后，我国科学家通过研究这些监控系统，并根据我国煤矿开采中的实际情况，先后研制出KM1, KM3, KM5, KM7, KM15, KM16, KM34, KM69, KM77,KM82, KM94, KM95, KM102等煤矿有害气体监测系统。但其中大部分监控系统传输数据是以模拟的方式传输的,将甲烷浓度值转化为脉冲量传输，容易受到矿井下设备的电磁干扰,使得监测数据不准确,经常出现误报警等现象。
目前，由于过去研发生产的监控系统科技含量低、适用性不足、设备维护的不到位等原因，已经被淘汰或是停产了，所以使得大量的矿井无法正常使用现有的监控系统[3]。
随着现在计算机技术等一系列先进技术的发展和企业对自身发展的重视，国内各科研单位设计出一系列新的监控系统，这些系统都是由单机监控系统往专业/综合系统发展。但不论是单机监控还是专业/综合监控系统都还存在不足的地方。例如，单机系统检测容量小，不能实现设备的互联控制，电缆用量大系统性价比低。而专业/综合系统针对某一监控对象开发软硬件互不兼容；通讯协议是厂家自我定义的，信息无法交汇；软件为某一特定系统定制开发，无法重新利用；各系统数据互不兼容，利用率不高等。
1.3 课题研究意义
因为我国检测技术起步较晚，再加上煤矿井下生产环境的恶劣性和地质因素的变化性，施工人员的安全意识比较差，以及对施工安全的要求越来越高，我国当前对甲烷浓度的检测设备还存在很多的问题。例如，对突发事件的反应处理速度不够快；检测设备的使用寿命短；工作的稳定性易受矿井不良坏境的影响，造成检测结果不准确、误报警现象；设备维护难度大成本高等。
随着单片机技术和计算机技术以及传感器技术的成熟和推广，为煤矿瓦斯监控提供了更加可靠的
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