单片机的矿井瓦斯浓度及温度测量
单片机的矿井瓦斯浓度及温度测量[20200128191708]
摘要：当今社会煤炭的需求急剧增加，而各种矿难事故的发生，使得煤炭安全生产面临严峻的挑战。文章就是针对导致矿难频发的瓦斯进行监控而设计的。
在文章里，我针对瓦斯的特点，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。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。同时还检测矿井温度，如果超过设定温度值，立即报警提示。
该设计以STC89C52单片机为核心，以MQ-4传感器为感应元件实现对瓦斯的检测、以DS18B20温度传感器为温度检测部件，进行报警和检测，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。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:瓦斯,STC89C52,MQ-4传感器,DS18B20温度传感器
目 录
1、绪论 6
1.1煤矿气体检测系统概6
1.2本课题的研究意义6
1.3本课题的主要工作内容7
2、系统方案设计与论证7
2.1系统总体方案7
2.2设计原理8
2.2.1气体传感器的选择8
2.2.2单片机型号的选择9
2.2.3温度传感器 11
3、系统的硬件设计11
3.1 系统原理框图11
3.2 系统硬件设计 12
3.2.1系统电源12
3.2.2气体检测处理电路13
3.2.3报警电路15
3.2.4显示电路15
3.2.5温度检测电路18
4、系统的软件设施24
4.1 功能测试 26
5、总结27
6、谢辞27
7、参考文献27
8、附录28
8.1详细电路设计图28
8.2程序30
1 绪论
瓦斯是古代植物在堆积成煤的初期，纤维素和有机质经厌氧菌的作用分解而成。在高温、高压的环境中，在成煤的同时，由于物理和化学作用，继续生成瓦斯。 瓦斯是无色、无味、无臭的气体，但有时可以闻到类似苹果的香味，这是由于芳香族的碳氢气体同瓦斯同时涌出的缘故。瓦斯对空气的相对密度是0.554，在标准状态下瓦斯的密度为0.716kg，瓦斯的渗透能力是空气的1.6倍，难溶于水，不助燃也不能维持呼吸，达到一定浓度时，能使人因缺氧而窒息，并能发生燃烧或爆炸。瓦斯在煤体或围岩中是以游离状态和吸着状态存在的。
煤矿中含有大量的甲烷等易燃易爆气体，发生事故后会造成巨大的经济损失，危及矿工的生命。随着煤矿开采技术手段的不断改进和开采规模的扩大及开采深度的不断延伸，安全隐患越来越多。瓦斯事故特别是重、特大瓦斯事故在煤矿事故中所占的比例也越来越高。如果不把瓦斯事故控制住，就不能实现煤矿安全生产状况的稳定，也就无法保障煤炭工业的持续健康发展。所以，对煤矿井下瓦斯气体进行快速准确的监测显得尤其重要，对易燃易爆混合气体监测系统的研究和开发也成为人们一直关注的问题。
由于煤矿瓦斯主要有甲烷构成，因此检测甲烷气体的浓度就可以计算出瓦斯的浓度。
1.1 煤矿气体监测系统概述
单片机的矿井瓦斯浓度和温度监测系统是能够监测矿井环境中瓦斯气体的浓度和温度，具有报警功能。本课题中完整的煤矿气体监测系统山以下五个部分组成:
(l)气体检测部分:能感知环境中瓦斯气体及其浓度的一种敏感元件，它能将与气体种类和浓度有关的信息转换成电信号；
(2)温度检测部分：利用数字温度传感器DS18B20进行温度的检测。
(3)显示单元:可以显示温度数据和瓦斯浓度；
(4)声光报警单元:当监测气体浓度或超出设定报警值时，发出声光报警；
(5)调整报警上限:用按键调整温度报警上限和瓦斯浓度报警上限参数值；
1.2 本课题的研究意义
瓦斯是在成煤过程中形成并大量贮存于煤层之中的气体，是煤矿井下危害最大的气体。瓦斯是一种无色、无味的气体，密度为0.7167kg/m3，对人体的危害是超限时能引起人窒息死亡。其有易燃、易爆等特点，因此煤矿对瓦斯的治理应非常重视。瓦斯的灾害主要表现为四个方面。
第一、瓦斯浓度过高，对工人身体健康的影响表现为缺氧，呼吸困难，窒息。
第二、瓦斯煤尘爆炸，瓦斯爆炸所产生的巨大冲击波和高温火焰，往往导致群死群伤，而且扬起的煤尘又会参与爆炸，摧毁巷道，毁坏设备，甚至毁灭整个矿井，给国家和人民生命财产造成巨大损失。
第三、煤中瓦斯突出。突出直接影响着工人的人身安全。
第四、大量的瓦斯从通风井排入大气，污染大气环境。
我国煤矿的瓦斯灾害是比较严重的，瓦斯灾害始终是煤矿安全生产的大敌，日前已成为制约煤矿安全生产的主要矛盾。因此，研制先进适用的煤矿气体监测系统对煤矿工业安全生产，减少事故发生和生命财产损失有重要意义，市场应用前景十分广阔。
1.3 本课题的主要工作内容
本文针对煤矿气体监测系统的现状及发展趋势，阅读了大量文献及资料，研发了煤矿气体监测系统，主要工作包括:
(l)单片机的选用；
(2)瓦斯气体传感器的选用；
(3)温度传感器的选用；
(4)系统硬件电路的设计；
(5)系统软件的设计；
2 系统方案设计与论证
2.1系统总体方案
在本项目中，处理器采用STC89C52单片机，煤矿气体监测采用MQ-4气体传感器，采用TLC549 AD转换芯片处理气体传感器输出的模拟信号信号，采用数字温度传感器DS18B20进行温度检测，采用蜂鸣器模拟报警。
2.2 设计原理
本项目采用CH4气体传感器，研究CH4气体传感器应用系统，实现对瓦斯气体的识别、测量、是否达到报警阑值的判断。
2.2.1 气体传感器的选择
气体传感器又叫气敏传感器，主要用来监测气体的特定成分。
气体传感器通常以气敏特性来分类，主要可分为:
(1)半导式方式:
包括氧化系、气敏二极管系、气敏MOSFET系。若气体接触到加热的金属，氧化物电阻值就会增大或者减少，其灵敏度高，构造电路简单，但输出与气体浓度不成比例。
(2)固体电解质:
其利用铂等金属材料对氢吸附敏感使功函数改变原理制成，器特点是其他选择性好但不能重复使用。
(3)接触燃烧式:
其原理是化学溶剂与气体反应产生使电导率发生变化。其特点是属于气体浓度成比例，但灵敏度较低。
(4)其他类型:
包括光干涉式、热传导方式、红外线吸收式。
要进行—个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，而这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题:量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，还是自行研制，价格能否承受。在考虑上述问题之后就能大致确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。最后，我们决定采用MQ-4瓦斯气体传感器。
MQ-4气敏元件由微型AL2O3陶瓷管、SnO2 敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有
摘要：当今社会煤炭的需求急剧增加，而各种矿难事故的发生，使得煤炭安全生产面临严峻的挑战。文章就是针对导致矿难频发的瓦斯进行监控而设计的。
在文章里，我针对瓦斯的特点，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。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。同时还检测矿井温度，如果超过设定温度值，立即报警提示。
该设计以STC89C52单片机为核心，以MQ-4传感器为感应元件实现对瓦斯的检测、以DS18B20温度传感器为温度检测部件，进行报警和检测，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。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:瓦斯,STC89C52,MQ-4传感器,DS18B20温度传感器
目 录
1、绪论 6
1.1煤矿气体检测系统概6
1.2本课题的研究意义6
1.3本课题的主要工作内容7
2、系统方案设计与论证7
2.1系统总体方案7
2.2设计原理8
2.2.1气体传感器的选择8
2.2.2单片机型号的选择9
2.2.3温度传感器 11
3、系统的硬件设计11
3.1 系统原理框图11
3.2 系统硬件设计 12
3.2.1系统电源12
3.2.2气体检测处理电路13
3.2.3报警电路15
3.2.4显示电路15
3.2.5温度检测电路18
4、系统的软件设施24
4.1 功能测试 26
5、总结27
6、谢辞27
7、参考文献27
8、附录28
8.1详细电路设计图28
8.2程序30
1 绪论
瓦斯是古代植物在堆积成煤的初期，纤维素和有机质经厌氧菌的作用分解而成。在高温、高压的环境中，在成煤的同时，由于物理和化学作用，继续生成瓦斯。 瓦斯是无色、无味、无臭的气体，但有时可以闻到类似苹果的香味，这是由于芳香族的碳氢气体同瓦斯同时涌出的缘故。瓦斯对空气的相对密度是0.554，在标准状态下瓦斯的密度为0.716kg，瓦斯的渗透能力是空气的1.6倍，难溶于水，不助燃也不能维持呼吸，达到一定浓度时，能使人因缺氧而窒息，并能发生燃烧或爆炸。瓦斯在煤体或围岩中是以游离状态和吸着状态存在的。
煤矿中含有大量的甲烷等易燃易爆气体，发生事故后会造成巨大的经济损失，危及矿工的生命。随着煤矿开采技术手段的不断改进和开采规模的扩大及开采深度的不断延伸，安全隐患越来越多。瓦斯事故特别是重、特大瓦斯事故在煤矿事故中所占的比例也越来越高。如果不把瓦斯事故控制住，就不能实现煤矿安全生产状况的稳定，也就无法保障煤炭工业的持续健康发展。所以，对煤矿井下瓦斯气体进行快速准确的监测显得尤其重要，对易燃易爆混合气体监测系统的研究和开发也成为人们一直关注的问题。
由于煤矿瓦斯主要有甲烷构成，因此检测甲烷气体的浓度就可以计算出瓦斯的浓度。
1.1 煤矿气体监测系统概述
单片机的矿井瓦斯浓度和温度监测系统是能够监测矿井环境中瓦斯气体的浓度和温度，具有报警功能。本课题中完整的煤矿气体监测系统山以下五个部分组成:
(l)气体检测部分:能感知环境中瓦斯气体及其浓度的一种敏感元件，它能将与气体种类和浓度有关的信息转换成电信号；
(2)温度检测部分：利用数字温度传感器DS18B20进行温度的检测。
(3)显示单元:可以显示温度数据和瓦斯浓度；
(4)声光报警单元:当监测气体浓度或超出设定报警值时，发出声光报警；
(5)调整报警上限:用按键调整温度报警上限和瓦斯浓度报警上限参数值；
1.2 本课题的研究意义
瓦斯是在成煤过程中形成并大量贮存于煤层之中的气体，是煤矿井下危害最大的气体。瓦斯是一种无色、无味的气体，密度为0.7167kg/m3，对人体的危害是超限时能引起人窒息死亡。其有易燃、易爆等特点，因此煤矿对瓦斯的治理应非常重视。瓦斯的灾害主要表现为四个方面。
第一、瓦斯浓度过高，对工人身体健康的影响表现为缺氧，呼吸困难，窒息。
第二、瓦斯煤尘爆炸，瓦斯爆炸所产生的巨大冲击波和高温火焰，往往导致群死群伤，而且扬起的煤尘又会参与爆炸，摧毁巷道，毁坏设备，甚至毁灭整个矿井，给国家和人民生命财产造成巨大损失。
第三、煤中瓦斯突出。突出直接影响着工人的人身安全。
第四、大量的瓦斯从通风井排入大气，污染大气环境。
我国煤矿的瓦斯灾害是比较严重的，瓦斯灾害始终是煤矿安全生产的大敌，日前已成为制约煤矿安全生产的主要矛盾。因此，研制先进适用的煤矿气体监测系统对煤矿工业安全生产，减少事故发生和生命财产损失有重要意义，市场应用前景十分广阔。
1.3 本课题的主要工作内容
本文针对煤矿气体监测系统的现状及发展趋势，阅读了大量文献及资料，研发了煤矿气体监测系统，主要工作包括:
(l)单片机的选用；
(2)瓦斯气体传感器的选用；
(3)温度传感器的选用；
(4)系统硬件电路的设计；
(5)系统软件的设计；
2 系统方案设计与论证
2.1系统总体方案
在本项目中，处理器采用STC89C52单片机，煤矿气体监测采用MQ-4气体传感器，采用TLC549 AD转换芯片处理气体传感器输出的模拟信号信号，采用数字温度传感器DS18B20进行温度检测，采用蜂鸣器模拟报警。
2.2 设计原理
本项目采用CH4气体传感器，研究CH4气体传感器应用系统，实现对瓦斯气体的识别、测量、是否达到报警阑值的判断。
2.2.1 气体传感器的选择
气体传感器又叫气敏传感器，主要用来监测气体的特定成分。
气体传感器通常以气敏特性来分类，主要可分为:
(1)半导式方式:
包括氧化系、气敏二极管系、气敏MOSFET系。若气体接触到加热的金属，氧化物电阻值就会增大或者减少，其灵敏度高，构造电路简单，但输出与气体浓度不成比例。
(2)固体电解质:
其利用铂等金属材料对氢吸附敏感使功函数改变原理制成，器特点是其他选择性好但不能重复使用。
(3)接触燃烧式:
其原理是化学溶剂与气体反应产生使电导率发生变化。其特点是属于气体浓度成比例，但灵敏度较低。
(4)其他类型:
包括光干涉式、热传导方式、红外线吸收式。
要进行—个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，而这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题:量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，还是自行研制，价格能否承受。在考虑上述问题之后就能大致确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。最后，我们决定采用MQ-4瓦斯气体传感器。
MQ-4气敏元件由微型AL2O3陶瓷管、SnO2 敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有
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