平煤七矿瓦斯监测系统设计

毕业设计（论文） 说明书 毕业设计（论文）题目 平煤七矿瓦斯监测系统设计 年级专业 学生姓名 指导教师 平顶山工业职业技术学院 年 月 日 平顶山工业职业技术学院成人教育学院

毕业设计（论文）任务书

姓名 专业

任 务 下 达 日 期 年 月 日 设计（论文）开始日期 年 月 日 设计（论文）完成日期 年 月 日

设计（论文）题目： A． 编制设计

B． 设计专题（毕业论文） 指 导 教 师

系(部)主 任 年 月

日

平顶山工业职业技术学院毕业设计(论文)评语

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学生姓名: 专业: 年级: 毕业设计(论文)题目: 评阅人: 指导教师: (签字) 年 月 日 成 绩: 系(院)主任: (签字) 年 月 日 毕业设计(论文)及答辩评语:

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系 专业,学生 于 年 月 日 进行了毕业设计(论文)答辩。

设计（论文）题目： 专题(论文)题目: 指导老师:

答辩委员会根据学生提交的毕业设计(论文)材料,根据学生答辩情况,经答辩委员会讨论评定,给予学生 毕业设计(论文)成绩为 。

答辩委员会 人，出席 人 答辩委员会主任（签字）： 答辩委员会副主任（签字）： 答辩委员会委员： ， ， ， ， ， ， ， ，

平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书 摘 要

本文首先阐述了煤矿安全监测系统的现状和发展趋势，针对当前煤矿瓦斯监测系统

中传感器输出信号与分站显示输出数值误差较大以及煤矿井下环境恶劣干扰强等情况，依据传感器信号调理电路原理和单片机接口技术等，设计了一种基于AT89C52单片机的煤矿瓦斯监测系统,详细阐述了其工作原理、硬件组成及软件设计方案。对各种信号调理电路原理作了详细的论述。比较后，瓦斯传感器最终采用频率型传输出信号形式。

系统分站硬件的核心处理器为ATMEL公司生产的AT89C52单片机。文中给出了AT89C52单片机的最小系统的设计。通过采用单片机进行数据处理，保证整个煤矿瓦斯监测系统具有良好的实时性。当信号输入为电流型时电路采用I/F变换电路，对电流型信号进行变换，兼容了电流型信号输入。

煤矿瓦斯监测系统软件设计的主要任务就是保证监测分站单片机与外部设备协同工作。采用模块化结构程序设计方法，设计了系统的各功能模块程序，具有编程简单、结构清晰、调试方便、设计效率高等优点。另外，模拟电路和数字电路采用独立的电源供电。

关键词：煤矿安全；瓦斯监测；单片机接口；传感器；信号变换。

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目 录

摘 要...................................................................................................1 第一章 煤矿安全监测系统概述........................................................ 4

1.1煤矿常见安全事故及防范. ............................................................ ......4

1.1.1 瓦斯爆炸的必备条件………..………………………........………………….4 1.1.2 煤尘爆炸的必备条件.......................................................................................5 1.1.3 防范措施...........................................................................................................5

1.2煤矿安全监测系统的发展、研究现状和发展趋势................................4

1.2.1 煤矿安全监测系统的发展...............................................................................4 1.2.2 煤矿安全监测系统目前存在的问题...............................................................4 1.2.3 煤矿安全监测系统的发展趋势.......................................................................8

1.3课题研究的意义........................................................................................8 1.4 本文研究的主要内容..............................................................................8

第二章 瓦斯传感器及输出接口电路设计方案...............................10

2.1矿用瓦斯传感器的概述 .......................................................................10 2.2矿用瓦斯传感器的设计方案..................................................................10

2.2.1矿用瓦斯传感器工作原理..............................................................................10 2.2.2结构框图 .........................................................................................................11

2.3输出接口电路的设计方案......................................................................11

2.3.1传感器输出信号类型分析..............................................................................11 2.3.2模拟输出信号特点比较..................................................................................13 2.3.3 模拟输出信号的转换.....................................................................................16

第三章 监测分站工作原理及接口电路设计方案.........................19

3.1监测分站的功能......................................................................................19 3.2监测分站工作原理及电路设计方案......................................................19

3.2.1监测分站工作原理框图..................................................................................20 3.2.2监测分站工作原理..........................................................................................20 3.2.3监测分站电路设计方案的确定......................................................................20

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平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书 3.3监测分站接口电路设计方案..................................................................21

3.3.1输入接口电路设计方案..................................................................................21 3.3.2输出接口电路设计方案..................................................................................22

第四章 瓦斯监测系统硬件电路设计.............................................24

4.1 微处理器和显示模块的选型................................................................24

4.1.1 单片机的选型.................................................................................................24 4.1.2 显示模块选型...................................................................................................24

4.2 瓦斯监测系统硬件电路的设计 ...........................................................25

4.2.1瓦斯气体浓度转换电路的设计......................................................................25 4.2.2 瓦斯传感器AT89C52最小系统设计..............................................................26 4.2.3 V/F转换电路...................................................................................................27 4.2.4 LED显示...........................................................................................................28 4.2.5监测分站 LCD显示..........................................................................................29 4.2.6 串行通信接口.................................................................................................29 4.2.7 分站模拟信号输入电路.................................................................................30 4.2.8分站断电控制输出电路..................................................................................31 4.2.9监测分站单片机复位电路..............................................................................28

第五章 瓦斯监测系统软件设计.......................................................30

5.1瓦斯传感器程序流程图 .......................................................................30

5.1.1 瓦斯传感器主程序流程图.............................................................................30 5.1.2 瓦斯传感器数据采集子程序流程图.............................................................31

5.2瓦斯监测分站程序流程图.....................................................................31

5.2.1 瓦斯监测分站主程序流程图.........................................................................31 5.2.2 瓦斯监测分站定时器中断子程序流程图.....................................................32

结论与展望.........................................................................................38 致谢.....................................................................................................39 参考文献.............................................................................................40

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平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书 第一章 煤矿安全监测系统概述

1.1煤矿常见安全事故及防范

从我国煤炭生产的现状及我国能源结构规划均可看出，煤炭仍是支持我国国民经济发展的主要能源，煤炭生产，作为我国能源工业的支柱，其地位将是长期的、稳定的，但是煤炭工业的安全生产状况却不容乐观，中小型煤矿的情况尤为严重，已经直接威胁到整个煤炭工业的稳定生产，给国家财产和人民生命造成了很大的损失。

煤矿井下是一个特殊的工作环境，有瓦斯（主要成份是甲烷）等易燃、易爆性气体，有硫化氢等腐蚀性气体，有淋水、环境潮湿、空间狭小、矿尘大等。瓦斯浓度监测是矿井安全监控的首要内容。作为“万恶之首”的瓦斯爆炸事故更是重大事故发生率之首。因此通过强化瓦斯管理，提高通风、瓦斯检测监控水平，已成为中小型煤矿瓦斯检测监控的最迫切的任务之一。为了适应煤炭工业向机械化和自动化方向发展,确保矿井的生产安全,防止瓦斯爆炸事故的发生,矿用瓦斯传感器的研究和设计从未停止过。现有的瓦斯传感器普遍存在着功耗较大、功能单一、精确度不高的缺点,而且采用模拟电路技术,造成系统的抗干扰能力和智能化程度都很低。因此,研制便于携带、多功能、高精度和抗干扰能力强的高可靠性瓦斯检测仪具有很大的应用价值。

当环境中瓦斯浓度大于或等于报警浓度时，发出声光报警信号；当环境中瓦斯浓度大于或等于断电浓度时，切断被控区域的全部非本质安全型电气设备的电源并闭锁，当瓦斯浓度低于复电浓度时解锁。因此，瓦斯传感器既是矿井安全监控最重要的设备，又是矿井安全监控必备的设备之一。

我国矿井下的工作环境比较恶劣，为此，对其使用的电气设备和电缆的绝缘提出较高的要求。尽管如此，运行中的电气设备及其供电电缆，由于工作环境恶劣，电火花现象时有发生。因此，装设安全监测系统对矿井安全生产尤为重要。 1.1.1 瓦斯爆炸的必备条件

只有当空气中的瓦斯浓度在5%～15%，氧气浓度不低于18%，并遇高温火源时，才有可能引起瓦斯爆炸。由于瓦斯气体的涌出量由很多的不确定因素决定，同时井下空气的氧气浓度又要保证井下工人的呼吸必须要在20%以上。因此，要想有效的防止瓦斯爆炸事故发生就要防止高温火源。在煤矿井下高温火源常由于电气短路、大功率设备开停等产生，因此只要将电气设备选用隔爆型或本质安全型同时当瓦斯超限时及时切断井下非本质安全型设备的电源即可有效防止瓦斯爆炸事故发生。

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平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书 1.1.2 煤尘爆炸的必备条件

煤矿井下环境中，煤尘爆炸必须同时具备以下3个条件：

1具有一定浓度的能够爆炸的煤尘云。煤尘有的具有爆炸性，有的不具有爆炸性。具有爆炸性的煤尘只有在空气中呈悬浮状态并具有一定浓度时才能发生爆炸。实验表明，煤尘爆炸下限为45ｇ/m3 ,上限为1500～2000ｇ/ m3爆炸力最强的煤尘浓度为300～400ｇ/ m3。

2高温热源，能够引燃煤尘爆炸的热源温度变化的范围是比较大的，它与煤尘中挥发分含量有关。我国煤尘爆炸的引燃温度变化大约在610～1050℃之间，烟煤一般为650～900℃。煤矿井下能点燃煤尘的高温火源主要为：爆破时出现的火焰、电气火花、电弧、静电放电、摩擦放电、摩擦高温、井下火灾和瓦斯爆炸等。

3空气中氧气浓度大与18%，空气中氧含量小于18%时，煤尘就不能爆炸。但必须注意的是空气中氧浓度虽减至18%以下，并不能完全防止瓦斯与煤尘在空气中的混合物爆炸。

1.1.3 防范措施

1加强通风是防止瓦斯聚积的最有效的措施，为了达到通风的目的，必须做到合理选择最佳的通风系统，采用分区式通风，尽量避免角联通风。

2矿井必须采用机械通风，全矿的主通风机台数，能力及备用通风机的启动要符合《规程》规定。

3瓦斯矿井中，回采工作面，回风基道要采用上行风，掘进工作面禁止扩散通风。 4加强瓦斯浓度的检查，严格执行《规程》关于井下瓦斯检查制度，及时发现和处理瓦斯超限、瓦斯积聚，防止瓦斯爆炸。

5及时处理局部积聚的瓦斯，生产中瓦斯最容易积聚的地点有：采面的上隅角和采控区边界，顶板昌落的空洞内，低风速巷道的顶板附近及停风的盲巷中及时处理这些地区局部积聚的瓦斯，是预防瓦斯爆炸的主要措施之一。

6防止瓦斯的引燃，严禁携带烟草和点火物品入井，井口通风机房20米以内不得有烟火，或用火炉取暖，井下严禁使用电灯泡取暖和使用电炉。

7有瓦斯和煤尘爆炸危险的煤层中，必须使用煤矿许用的雷管和炸药。 8井下的机械，电器设备及供电网路都必须符合《规程》规定。

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平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书 1.2 煤矿安全监测系统的发展、研究现状和发展趋势

1.2.1 煤矿安全监测系统的发展

我国监测监控技术应用较晚，80年代初，从波兰、法国、德国、英国和美国等（如DAN6400、TF200、MINOS和Senturion-200）引进了一批安全监控系统，装备了部分煤矿；在引进的同时，通过消化、吸收并结合我国煤矿的实际情况，先后研制出KJ2、KJ4、KJ8、KJ10、KJ13、KJ19、KJ38、KJ66、KJ75、KJ80、KJ92等监控系统，在我国煤矿已大量使用。实践表明，安全监控系统为煤矿安全生产和管理起到了十分重要的作用，各局矿已作为一项重大安全装备。由于当时相当一部分监控系统由于技术水平低、功能和扩展性能差、现场维修维护和技术服务跟不上等原因，或者已淘汰、或者停产。因此造成相当一部分矿井无法继续正常使用已装备的系统。特别是近年来由于老系统服务年限将至，已无继续维修维护的必要，系统面临更新改造的机遇。

随着电子技术、计算机软硬件技术的迅猛发展和企业自身发展的需要，国内各主要科研单位和生产厂家又相继推出了KJ90、KJ95、KJ101、KJF2000、KJ4/KJ2000和KJG2000等监控系统，以及MSNM、WEBGIS等煤矿安全综合化和数字化网络监测管理系统。同时，在“以风定产，先抽后采，监测监控”十二字方针和煤矿安全规程有关条款指导下，规定了我国各大、中、小煤矿的高瓦斯或瓦斯突出矿井必须装备矿井监测监控系统。因此，大大小小的系统生产厂家如雨后春笋般的不断出现，为用户提供了更多的选择机会、也促进了各厂家在市场竞争条件下不断提高产品质量和服务意识。

总的看来，监测监控技术的发展可以概括为三个阶段和两次飞跃。三个阶段是机电式、半导体式和微机式。第一次飞跃是由机电式到半导体式，主要体现在无触点化、小型化、低功耗方面；第二次飞跃是由半导体式到微机式，主要表现在数字化和智能化方面。显而易见，第二次飞跃尤为重要，它为监测监控技术的发展开辟了前所未有的广阔前景。

1.2.2 煤矿安全监测系统目前存在的问题

1 通信协议不规范

由于现有厂家的监控系统几乎都采用各自专用通信协议，所以，很难找到两个相互兼容的系统。目前，信息传输系统的兼容性已成为装备监控系统的各集团公司、矿井进一步补套和扩充系统功能的制约因素，主要是用户在装备了某厂家的系统后，在众多型号、价格不同、功能各具特色的监控系统的软件、硬件（如分站）的补套以及服务等方面，就别无选择地依赖于这个厂家。有些矿井为了安全生产的需要，在系统存在严重问题和得不到技术服务的条件下，不得不废弃原有系统而另选择其他的系统。因此，通信

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平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书 协议不规范的后果是造成设备重复购置、系统补套受制于人和不能随意进行软硬件升级改造。

2 井下信息传输设备物理接口协议不规范

井下信息传输设备物理接口协议不规范也是制约用户进一步补套和扩充系统功能的关键因素。如KJF2000和KJ4/KJ2000系统，尽管两种系统均采用FSK技术，以及信息传输波特率均为1200bps或2400bps，但其传输信息的调制频率不同和传输信息的收发电压幅值不同也造成这两种系统的分站不能兼容。

3 传感器等质量不过关

与监测监控系统配接的瓦斯传感器已成为矿井瓦斯综合治理和灾害预测的关键技术装备，并越来越受到使用单位和研究人员的普遍重视。 据统计，国产安全检测用瓦斯传感器几乎全部采用载体催化元件，然而，长期以来我国载体催化元件一直存在使用寿命短、工作稳定性差和调校期频繁的缺点，严重制约着矿井瓦斯的正常检测，与国外同类传感器比较差距较大。主要问题是：

a.抗高浓冲击性能差。在巷道瓦斯涌出量大的情况下元件激活。反复作用的结果造成零点漂移并使其催化性能下降，抗高浓冲击性能差是造成元件使用寿命低、稳定性差的主要原因。

b.对过分追求低功耗的元件，在矿井高湿度环境条件下,CH4在元件表面燃烧生成的水蒸气易于凝结在元件表面，降低元件使用寿命。

c.抗中毒性能差；

d.载体催化元件制作工艺水低，元件一致性差。 4 现场管理和维护水平有待于加强

尽管国家和各省、地、市煤炭管理部门强制性要求各大、中、小煤矿的高瓦斯或瓦斯突出矿井必须装备矿井监测监控系统，并加大了对矿井安全生产的管理力度，但一些地方国有煤矿，特别是乡镇小煤矿，多数由于缺乏专业技术人员而不能正常使用和维护已装备的系统，甚至对系统配接的传感器根本不进行调校。

5 市场秩序亟待规范

大大小小的系统生产厂家的不断出现，无疑存在着市场竞争条件下初级阶段的恶性竞争，其结果是不仅损坏了厂家的利益，而且由于导致生产企业的系统研发后劲不足、技术支持能力降低，最终将影响产品用户的正常使用。此外，由于煤矿监测监控系统涉及计算机的软硬件技术和网络化管理技术、系统传输设备的软硬件技术、各种传感器技术、系统的完善和升级改造技术、技术支持和服务能力等综合性技术。因此，在选择某

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平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书 种系统时必须特别强调厂家的企业规模、研发能力、系统的技术水平和技术支持能力等。

1.2.3 煤矿安全监测系统的发展趋势

1系统不仅能实现监测监控，而且在软件技术上应研究开发能根据被监测环境地点的参数进行有效的危险性判别、分析和提出专家决策方案。同时系统应用软件应向网络化发展，按统一的格式向外提供监测数据。

2针对通信协议不规范和传输设备物理层协议不规范尽，应尽快寻找一种解决系统兼容性的途径或制定相应的专业技术标准，这对促进矿井监控技术发展和系统的推广应用均具有十分重要的意义;

3研制高可靠性瓦斯传感器；

4矿井瓦斯爆炸多半是由电气火灾引起的，因此应研制智能化的高压开关柜、高压真空馈电开关、低压真空馈电开关等，依此向系统提供多参数的信息，如电流、电压、单相/三相漏电电流、开关运行状态、开关机械/电气闭锁状态等；

5制定科学、合理的政策法规，研究提高煤矿安全管理水平的管理技术，使我国的煤矿安全生产管理从以人治为主，发展到以法治理。

1.3课题研究的意义

我国煤矿安全监测系统大多数采用KJ2000N监测系统，其关联的瓦斯传感器多为KGJ200A,由于该传感器内部电路为分离器件构成因此该监测系统出现测量误差较大和干扰严重现象的问题。目前普遍采用单片机作为主控器件进行监测控制，但单片机运算速度慢，系统经常无法实时反应，出现误动作或不动作等现象。

基于单片机接口技术的研究，能够实现对瓦斯等进行实时检测，及时切断非本质安全型设备电源，实现选择性的保护。有利于确保矿井工人的人身安全和矿井的安全生产，实现了矿产资源的安全开采。

1.4 本文研究的主要内容

根据国内煤矿安全监测系统的发展现状，本文将从以下几个方面对煤矿安全监测系统进行研究：

(1) 煤矿瓦斯监测系统的传感器输出信号类型。

(2) 煤矿瓦斯传感器的设计。设计了一种基于单片机的瓦斯检测技术，该传感器不仅能实时完成瓦斯的检测功能，而且具有降监测的数据通过LED显示出来、并能同上位机进行通信及语音报警功能。

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平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书 (3) 煤矿瓦斯监测系统分站的设计。根据光电隔离技术，将瓦斯传感器输出的频率型信号转换成数字信号，送给分站单片机电路进行处理，从而提高了系统的抗干扰能力提高了系统可靠性。

本论文的研究对象是煤矿瓦斯监测系统系统，研究重点主要放在传感器输出信号和分站接收处理信号。设计了一种用采用AT89C52单片机的煤矿瓦斯监测系统。将单片机接口技术应用于煤矿安全监测系统之中。

本文设计了瓦斯传感器、监测分站的电路。主要有AT89C52电路、LED显示电路、模拟信号输入电路、开关量输入电路等。

本文对瓦斯传感器和分站的软件进行了设计，给出系统的程序流程图。分析煤矿井下恶劣环境下的各种干扰源，提出有针对性的抗干扰措施，以提高保护系统的工作可靠性。

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第二章 瓦斯传感器及输出接口电路设计方案

要设计一个系统，首先我们应该了解该系统将要实现的功能，然后根据现有的技术制定出合理的总体设计方案。一个系统能否设计成功和设计出来的性能的好坏，在很大程度上取决于系统设计之初拟定的总体方案的优劣，所以必须特别重视设计方案的选择。

2.1矿用瓦斯传感器的概述

矿用瓦斯传感器是采用载体催化元件开发的矿用固定式瓦斯检测仪表，可以检测0～10%瓦斯气体浓度[1]~[10]。传感器具有抗高浓度瓦斯冲击，敏感元件使用寿命长，响应时间短等技术特点传感器为矿用本质安全兼隔爆型，结构简单，调校方便，可以就地用数码管显示瓦斯浓度数值，当超过规定浓度值时，传感器发出声光报警信号。传感器具有频率型信号输出，可以与国内各种煤矿安全监控系统、风电瓦斯闭锁装置、瓦斯断电仪等煤矿安全监控设备配套使用。

瓦斯传感器能用于煤矿井下或其他有瓦斯气体的场所，监测环境瓦斯浓度，并连续自动地将瓦斯浓度值转换成标准电信号传送给关联设备。传感器可与国内各类型监测系统及断电仪、风电瓦斯闭锁装置等配套，适宜在煤矿采掘工作面、机电硐室，回风巷道等地点固定使用。传感器结构设计充分考虑了恶劣的环境条件,在结构强度和防水性能方面都采取了有效的措施，同时还特别加大了接口连接器的尺寸，保证传感器能稳定可靠地工作，具有瓦斯浓度显示，输出信号，具有声光报警功能和断线指示功能。

2.2矿用瓦斯传感器的设计方案

2.2.1矿用瓦斯传感器工作原理

瓦斯传感器从矿用监测分站电源箱获得+21V本安直流电压源后，经过传感器内部的电源变换电路向传感器电路供电。通过催化元件(俗称黑、白元件)组成电桥进行瓦斯和电信号的转换。工作时首先将黑、白元件加热到450oC左右，在新鲜空气中，经过调零，电桥处于平衡状态。当瓦斯气体在催化元件表面无焰燃烧时，黑元件温度增高，阻值增大；白元件因无催化作用，故温度、阻值不变，这样电桥就失去平衡，从而输出一个电位差(在一定范围内，其大小与瓦斯浓度成正比)，此电位差经放大后输送给A/D转换电路，经CPU数据处理后经输出电路输出，同时显示其浓度大小，当达到报警浓度时发出声光报警。

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2.2.2结构框图

电源变换供给电路信号输出电路测量电桥可编程信号放大A/D转换数据处理控制中心本机键盘电路瓦斯气体遥控接收数据显示与遥控信号处理LED显示

图2.1瓦斯传感器结构框图

2.3输出接口电路的设计方案

2.3.1传感器输出信号类型分析

在矿井监控系统中，被测物理量可分为开关量和模拟量两大类。开关量就是只取两种状态的物理量，如：采掘机、运输机、水泵、风机的开停等。开关量可以用电压的有无、电流的有无和极性等来表示，如图2.2开关量用电压有无表示 所示，我们称这种反映开关量状态的非编码信号为开关信号。开关量状态也可以用一组码字中的一位的取值（0 或l ）来表示，如图2.3所示，我们称这种反映开关量状态的编码信号为数字信号。一组编码的数字信号可以表示多个开关量。

图2.2开关量用电压有无表示

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图2.3数字信号表示开关量状态

模拟量如图2.4a可以也可以用数字编码所示，我们称这种反映模拟量大的编码来近似表示（存在量化误差），如图2.5 所示，我们称这种反映模拟量大小的编码信号为数字信号。

图2.4 模拟信号

图2.5 数字信号表示模拟量大小

数字信号和频率型模拟信号均用脉冲表示，但有以下根本区别：

( l ）数字信号的脉冲持续时间恒定不变（当传输速率一定时）；而频率型模拟信号的脉冲持续时间随着频率的增高而减小；

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平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书 ( 2 ）数字信号采用脉冲编码表示数值大小，由于编码长度有限，因此数字信号表示模拟量大小存在量化误差；而频率型模拟信号的脉冲频率可以连续变化，因此频率型模拟信号可以准确表示模拟量大小；

( 3 ）数字信号不同位置的脉冲表示不同的数值；而频率型模拟信号的任何位置的脉冲均表示同一数值。

虽然数字信号表示模拟量大小存在量化误差，但当数字信号的字长较长时，其量化误差完全能够满足要求，例如字长为8 位的数字信号的量化误差小于1/256 。由于数字信号较模拟信号和开关信号具有许多优点，因此数字信号获得了越来越广泛的应用。矿用传感器输出信号宜采用数字信号，并应满足煤炭行业标准《 煤矿用信息传输装置》 的有关要求。

2.3.2模拟输出信号特点比较

模拟信号主要有电压型、电流型和频率型。 1 电压型

电压型模拟信号的电压随被测物理量变化而变化，如图2.6所示。电压型模拟信号一般为0-5V 。由于传感器输出的电压型模拟信号Uo 需经电缆传输至分站，如图2.7所示，因此分站输入的电压型模拟信号Ui受信号电缆长度、芯线直径、材质、接触电阻和负载电流I 的影响。若电缆环路电阻和接触电阻用R 表示，则分站输人的电压型模拟信号Ui 可用下式表示：

Ui＝Uo-RI

图2.6电压型模拟信号

( a ）被测物理量；( b ）电压型模拟信号

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图2.7 分站输入的电压型模拟信号

在实际应用中，为减小电缆长度、芯线直径、材质、接触电阻和负载电流I 对分站输入的电压型模拟信号的影响，通常在传感器的输出端串接一个可变电阻，通过调节这个可变电阻，使可变电阻值与电缆环路电阻和接触电阻之和为一个常数Rx，当负载电流I一定的情况下，电压降RxI为常数，则可通过补偿解决。但由于电缆长度和接触电阻受工作面搬迁和环境潮湿等影响，因此需要经常调整可变电阻，大大增加了维护工作量。因此电压型模拟信号不宜采用。 2 电流型

电流型模拟信号的电流随被测物理量变化而变化，如图2.8 所示。电流型模拟信号一般为1～5 mA （优选）和4～20mA （仅用于地面）。规定输出信号下限不为O ，是为了监测传感器的工作状态。因为当规定传感器输出信号下限不为0时，传感器在正常工作时，其输出信号不会为0 ；若出现传感器输出信号为0 的情况，则说明传感器工作不正常，发生了断线、停电、传感器故障等问题。

图2.8 电流型模拟信号

( a ）被测物理量；( b ）电流型模拟信号

传感器输出的电流型模拟信号也需经电缆传输至分站，如图2.9所示。但由于电流型模拟信号主要受电缆绝缘电阻所造成的漏电流从的影响，并且矿用电缆的绝缘电阻R 较大所造成的漏电流越大，因此分站输人的电流型模拟信号Ii受信号电缆长度、芯线

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平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书 直径、材质、接触电阻、负载电阻的影响.

图2.9分站输入的电流型模拟信号

3 频率型

频率型模拟信号的频率随被测物理量变化而变化，如图2.10 所示。频率型模拟信号一般为200～1000HZ （优选），在整个频率范围内其正脉冲和负脉冲宽度均不得小于0.3ms 。频率型模拟信号的输出分有源和无源两种：

( 1 ）有源输出高电平电压应不小于＋3V （输出电流为2mA 时），有源输出低电平电压应不大于＋0.5v （输出电流为2mA 时）;

( 2 ）无源输出截止状态的漏电阻应不小于100kΩ时 ，无源输出导通状态的电压降应不大于＋0.5v （灌入电流为2mA 时）。规定输出信号下限不为0 ，也是为了监测传感器的工作状态。

图 2.10 频率型模拟信号

( a ）被测物理量； ( b ）频率型模拟信号

由于频率型模拟信号是用单位时间内脉冲个数表示被测物理量大小的，因此在判决门限允许的范围内，脉冲幅度的变化对频率型模拟信号的正确接收影响不大。因此，无论是电流脉冲还是电压脉冲受信号电缆长度、芯线直径、材质、接触电阻、负载电阻和电缆绝缘电阻的影响都很小，并且具有一定的抗电磁噪声能力。这是因为频率型模拟信号是用单位时间内脉冲个数表示被测物理量大小的，当频率型模拟信号在传输过程中受到干扰而发生增加脉冲或减少脉冲时，所带来的相对误差为单位时间内增减的脉冲数与

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平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书 所传输的脉冲数的比值。并且频率型模拟信号的接收是一个积分过程，在一个周期内由于受到干扰而发生的增加脉冲和减少脉冲数可以抵消，最后的影响仅为增加脉冲数与减少脉冲数的差值。频率型模拟信号还便于使用性能价格比高的光电藕合器进行本质安全防爆隔离。光电藕合器是非线性器件不能用于电流型和电压型模拟信号的本质安全防爆隔离。因此，模拟信号宜优选频率型。 2.3.3 模拟输出信号的转换

模拟信号除电压型、电流型和频率型信号外，还有脉冲幅度、脉冲宽度、脉冲相位等。这些信号在矿井监控系统中很难见到。在矿井监控系统中最常用的模拟信号是频率型和电流型，近距离和设备内部除频率型和电流型外，还有电压型。因此，电压、电流和频率型信号的相互转换十分重要。常用的转换主要有：电流/电压（I/V ）及电压/电流（V/I）等。 1 I/V 转换

I/V 转换的方法很多，图2.11 所示的电路就是其中的一种。图中，VO为输出电压，

Ii为输入电流，RF为运算放大器反馈电阻。VO??RF?Ii

图2.11 I/V 转换电路

2 频率／电压（F / V ）及电压／频率（V / F ）转换 1） F / V 转换

一种F / V 转换电路如图2.12所示，其工作原理是：利用输入脉冲F 的上升沿（或下降沿）触发单稳态触发器，单稳态触发器对应每一个输人脉冲的上升沿（或下降沿）都有一个恒定宽度的脉冲输出，并且输出脉冲频率与输人脉冲频率相等。该脉冲经RC 滤波器滤波后，电压V0 随输人脉冲频率的增大而增大，从而将频率信号转换电压信号。各点波形如图2.12b 所示。

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图2.12

2 V / F 转换

由运算放大器和555 时基电路组成的V / F 转换转换器，如图2.13所示。在图中，

Vi为输人电压，F 为输出信号的频率。运算放大器与R1、C1共同组成双向积分电路，555

时基电路与R3、C3 共同组成单稳态电路。积分器的输出信号VO 控制单稳态触发电路的触发端，单稳态电路的输出VF 被反馈至双向积分器的正向输人端。由于在设计上要求输出脉冲幅度大于满量程输人电压Vi。因此，双向积分器的输出电压VO作斜坡式上升

VO作斜坡式下降变化或下降变化而形成三角波。其工作过程是：当VF 为低电平时，（在

R1、C1一定的条件下，其变化速率正比于VO），直到达到单稳态触发器门限值Vcc / 3 ，

使单稳态触发器输出vF 变为高电平时为止。

图2.13 V / F 转换电路

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图2.14 V / F 转换电路波形关系

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平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书 第三章 监测分站工作原理及接口电路设计方案

监测分站它一方面要监测低浓瓦斯、高浓瓦斯、一氧化碳、风速、温度、压力等环境参数，以及风门、风筒等开关状态，并将这些参数通过交换机等送往地面中心站；同时又要将地面中心站发出各种命令通过执行设备去执行相关命令。因此监测分站的数据处理、数据交换对整个煤矿安全监测系统中有着非常重要的作用。

3.1监测分站的功能

根据《国家煤矿安全生产规程》及煤矿生产实际情况要求，煤矿安全监测分站必须具备以下功能：

l可以监测低浓瓦斯、高浓瓦斯、一氧化碳、风速、温度、压力等环境参数，以及风门、风筒等开关参数，并能监测煤仓煤位、水位、电压、电流以及机电设备开/停等生产参数。

2每台分站受中心站控制，执行中心站的各种命令，并将分站的各种监测参数和工作状态传送给中心站。

3每台分站可以外接X个频率量输入式的传感器或16-X 个开关量传感器（X ：频率量输入式传感器个数，X ≤16 )分站箱部分有两路控制（断电）功能。

4适合矿井及地面工厂ⅡB 类环境需要，耐压、耐腐蚀、防潮、密封。 5具有掉电初始化信息不丢失的保护功能。 6分站本身具有死机自动复位功能。

7电源箱提供分站部分及外接传感器的工作电源。 8当交流电源停电时，备用蓄电池自动投入工作。 9当分站主权关掉其工作电源时，蓄电池能自动断开。

10当分站主权给出断电控制信号时，电源箱能实现一路（非本安）控制（断电）功能。

11用于地面工厂ⅡB 类环境时，可以监测烟雾、可燃气体等参数。

3.2监测分站工作原理及电路设计方案

根据上述要求监测分站主要由单片机负责控制传感器数据的输入及处理，同时单片机将处理后的数据通过通讯电路通讯电缆送往地面中心站。为了防止单片机在运行中发生故障（比如死机等），增加了死机复位和看门狗电路。分站拨号电路是为了给每一个分站都通过硬件电路来给分站进行定义，让每个分站在监测系统中都有一个的唯一的地址代码。

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平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书 3.2.1监测分站工作原理框图

图3.1 监测分站电路设计框图

3.2.2监测分站工作原理

瓦斯传感器输出的频率型信号通过信号传输电缆输送到监测分站的输入端，经过光电隔离及整形电路变换成单片机要求的数字量信号，由于同时输入分站的信号数量较多，监测分站单片机通过多路数据选择器，分时对多路信号进行处理，处理后的数据在进行显示的同时又将数据通过通讯电路送往中心站，以便地面监测人员了解井下瓦斯浓度。当传感器输出瓦斯浓度超过分站设定断电浓度值时，监测分站发出断电信号及时切断井下相应区域内的非本安设备电源。 3.2.3监测分站电路设计方案的确定 1单片机的选择

根据现代化矿井对安全及瓦斯监测系统的功能要求越来越高,本次设计的监测分站最多可以同时输入16路传感器信号，能同井上的上位机进行数据通信的设计要求，考虑发展和应用情况，经分析比较后确定单片机的机种、型号为AT89C52单片机。 2模拟量输入通道结构的确定

(1)由于监测分站可以同时输入16路模拟量或开关量信号，因此选用16路转换模拟开关(MUX)；

(2)监测分站输入模拟量信号的为电流型1～5mA或者是频率型200～1000Hz；对于电流型信号必须进行I/F转换后送给单片机。因此在输入通道加设I/F转换电路，若输入为频率型信号可以直接通过光电转换电路后送给分站单片机。 3开关量输入通道结构的确定

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平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书 (1)经调研一般情况下监测分站最多接2路输入开关量（风门开停或设备开停传感器）因此在16路输入通道中将第15、16路作为开关量输入通道； (2)输入开关量信号的形式主要有无源接点型或电流制式两种形式；

3.3监测分站接口电路设计方案

3.3.1输入接口电路设计方案

由于分站所配接的传感器种类有很多（瓦斯、风速、一氧化碳、风门开停、设备开庭等传感器），其输出信号也常有电流型和频率型等，为了能与不同的传感器兼容在设计监测分站的接口电路时制定了如下设计方案：

模拟量/开关量输入部分，测量的信号为200Hz～1000Hz 频率信号、1～5mA电流型（须先进行I/F转换）和触点型开关量信号。功能电路主要包括：信号隔离整形电路、输入信号选择电路、周期转换电路三部分。

该部分电路的工作原理是：通过信号隔离整形电路，将多余信号隔离，并且整形为标准的数字信号，经过信号选择电路，确定要测量的输入信号。同时，在测量频率量信号时，把输入频率的一个周期，转换为等宽的高电平信号，输入单片机，由单片机测量出该高电平的宽度，即该频率的一个周期时间，这样就可以计算出输入频率。

图3.2 监测分站频率型信号输入电路

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图3.3 监测分站三态开关型信号输入电路

3.3.2输出接口电路设计方案

输出控制电路的作用是将单片机输出的断电控制信号进行功率放大后，控制继电器的常开或常闭触点通过控制断电器实现切断非本质安全设备电源功能的。在输出通道中，大量使用开关量驱动、控制器件。常常是用CPU通过扩展I/O口的输出接口，经过光电耦合器隔离，然后再经功率开关接口电路去控制被控设备。

(1)功率驱动集成电路。

单片机的I/O口或扩展I/O口的驱动能力有限，标准的TTL电路的驱动能力约为16mA，不足以驱动诸如继电器、电磁开关等负载，因此需要一些较大功率开关接口电路。功率驱动集成电路种类很多、常用的芯片如下：BIC87系列是集电极开路高压输出且带选通端的8位驱动器，通过选通端G，可方便地对输出信号进行控制；SN754／554系列是输入为TTL、DTL电平的逻辑门，输出级为集电极开路的功率晶体管，能驱动几百毫安、几十伏的执行机构；MCl416、XR-2001～2004、2011～2014集成驱动电路是集电极开路输出，为驱动感性负载，内部设有保护端并联一个二极管。MCl416驱动能力为500mA~XR-2000系列驱动能力为600mA：XR-2010系列驱动能力为750mA。

上述集成驱动电路均为集电极开路高电压大电流输出，可直接驱动继电器、晶闸管、LED显示器等，还可以作为电平转换器用。

(2)大功率驱动电路。

为了获得大功率输出，可采用功率晶体管驱动，前级驱动可由TTL集电极开路门提供。在采用这种电路时，应注意功率晶体管的驱动电流必须足够大，否则不但限制负载电流，而且可能因增加管耗而损坏功率晶体管。为了解决功率晶体管需要大驱动电流的问题，最好方法是用达林顿晶体管。它的特点是具有高输入阻抗和极高的增益。具有

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平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书 4个达林顿开关的ULN2086驱动电路，可用一般I/O进行驱动，达林顿管输出电流可达1.5A。

晶闸管(SCR)可作为开关使用，一般输出负载电流和输入驱动电流之比大于1000，是较理想的大功率开关器件。

固态继电器通常是一个两个输入和两个输出端的四端组件，是无触点通断功率电子开关。当施加触发信号后其主电路呈现导通状态，无触发信号时呈现阻断状态。它至少由3个部分组成，即输入回路、输出回路和将输入、输出进行隔离的部分。随着半导体技术的发展，固态继电器性能不断提高，价格不断下降，可提供选择的类型越来越多。固态继电器也有军用品、工业和民用品之分；按输出功能有直流型、交流过零型和非过零型；按隔离方式有光隔离和变压器隔离两种；按封装形式分为塑封和金属封装。由于它具有工作可靠、寿命长、干扰小、抗干扰能力强、开关速度快、能与逻辑电路兼容和使用方便等特点，因此在单片机开关量输出通道中的应用越来越广泛。

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第四章 瓦斯监测系统硬件电路设计

本章主要是根据前面两章拟定的总体设计方案，详细地介绍瓦斯传感器、监测分站硬件电路及接口电路的设计。首先选择合理的微处理器和显示模块，然后就每一部分的电路设计及工作原理作详细的分析。

4.1 微处理器和显示模块的选型

随着科学技术和现代制造技术的发展，使得集成电路的设计和制造都取得了很大的进步。目前，电子电路的设计越来越向微型化和集成化方向发展，而且电子产品的种类繁多。选择合适的器件是硬件系统设计的一个关键步骤，这样不仅能很好的实现设计要求，简化设计的难度，而且还能大大的节约成本，不至于浪费资源。单片机及显示模块在整个电路中有着至关重要的作用因而他们在选择时必须认真比较。

4.1.1 单片机的选型

目前国内占主流市场的单片机芯片主要是Inter公司、ATMEL公司和凌阳公司等的产品。通过对ATMEL公司单片机的参数进行分析，本设计选择AT89C52单片机作为控制处理器。AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机提供许多较复杂系统控制应用场合。

AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程(S系列的才支持在线编程)。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。 最后从电路板设计布局方面考虑选定AT89C52 QFP封装形式。 4.1.2 显示模块选型

考虑到瓦斯传感器只用显示瓦斯浓度而且其工作环境光线昏暗，故采用四位LED数码管显示其监测瓦斯浓度，监测分站显示部分采用12864液晶显示模块，自带负压发生电路，单+5V供电，带背光，可与各种微处理器直接接口，数据读写操作不受外部时

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平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书 钟控制，不带汉字库，占空比为1/64，外部共有20条引脚来进行外部接口。

LCD12864模块主要硬件构成如图4-1，IC3为行驱动器 IC1 、IC2为列驱动器 IC1、 IC2 、IC3含有以下主要功能器件：指令寄存器(IR)、数据寄存器(DR)、忙标志(BF)、显示控制触发器(DFF)、XY地址计数器、显示数据DDRAM、Z地址计数器。

DB0~DB7RET83D/I,R/W,ECS2CS1IC155464IC264IC3LCD PANEL128*64 DOTS图4-1 12864模块主要硬件构成

4.2 瓦斯监测系统硬件电路的设计

该系统硬件部分主要有瓦斯传感器及输出接口电路、监测分站及输入、输出接口电路四大部分。

其中瓦斯传感器、输出接口电路主要由：瓦斯气体浓度转换电路、AT89C52最小系统、V/F转换电路、LED显示组成。

监测分站和输入接口电路主要由：模拟信号输入电路、串行通信接口、LCD显示、时钟电路、分站断电控制输出电路、单片机复位电路。

4.2.1瓦斯气体浓度转换电路的设计

目前国内外瓦斯气体浓度检测最有效的方法是催化燃烧方法，即把催化剂氧化钯（黑色）涂在测量元件表面，再配以物理性能相同的参比元件（白色）组成测量电桥（即黑白元件）。两只元件用铂丝加热到摄氏450度，当空气中含有甲烷气体时，测量元件在催化剂的作用下，甲烷气体在元件表面发生催化反应，使温度上升，通过测量两只元件的阻值变化就能判断出瓦斯的含量。 1黑白元件的特点

MJC4T系列煤矿瓦斯检测用载体催化元件是目前最新研制的具有自主知识产权的

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平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书 产品. 催化剂取代传统的瓦斯燃烧催化剂,它不仅活性极高,临界反应温度低,而且具有良好的催化选择性.因此,本元件具有如下特点： 1）优异的稳定性。 2）优良的可重复性和精度。 3）极佳的线性输出特性。 4）极好的响应特性。 5）低功耗、长寿命。 2电路

图4-2瓦斯浓度转换电路

3瓦斯浓度转换电路工作原理

当环境气体中的瓦斯浓度为0时，黑元件与白元件的温度和电阻值相等，电位器W1输出的电压与基准电压UREF相等，经A/D转换后输出数字量也为0；当环境气体含有瓦斯气体时，黑元件由于发生了无焰燃烧其温度升高阻值变大而白元件温度不变，通过测量电桥转化为电压输出，此时该电压A/D转换后得到相应的数字量送给单片机处理。

4.2.2 瓦斯传感器AT89C52最小系统设计

瓦斯传感器中AT89C52的最小系统包括：时钟电路和复位电路。

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平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书 单片机应该是一个最小应用系统，但在这个最小应用系统中，仍有一些功能器件如晶体振荡器、复位电路等无法集成到芯片内部，因而需要在片外加接相应的电路。单片机虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。AT89C52单片机的时钟产生分为内部时钟方式和外部时钟方式。我们常采用内部时钟方式，在 XTAL1、XTAL2 引脚上外接石英晶体和微调电容组成并联谐振回路，利用芯片内部振荡电路产生自激振荡。AT89C52内部有锁相环晶体振荡器PLL,我们选用32768Hz的晶振，电容选用20pF 的电容。时钟电路如图 4-4 所示。

1）时钟电路

C120pFC220pFXTAL132.768kHZXTAL2

图4-3时钟电路

2）复位电路

3.3VR1 89C52RESET S1C1 图4-4复位电路原理图

如图4-4所示，复位电路由电阻R1,电容C1及复位按钮组成。其作用:(1)上电复位功能。当复位按钮未被按下情况下，给单片机加电，当VCC上升到规定值时，就会产生一个复位信号，需经几十个周期的延时，才会使单片机复位。(2)人工复位功能。无论是单片机在预定的正常顺序运行程序，还是出现单片机进入小可预知的某一个死循环(形成死机现象)，都得认为单片机在执行程序。单片机在执行程序期间，只要在人工复位端加入一个低电平信号，就会令其复位。当按钮按下时，在复位端就会产生一个低电平的复位信号。 4.2.3 V/F转换电路

由于单片机输出的为电压信号而传感器输出的要求为200HZ～1000HZ的频率型信号，故要将电压型转换为频率型为了简化电路提高输出信号的稳定性，故采用集成芯片

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平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书 来实现V/F转换。LM331是美国NS公司生产的性能价格比高、外围电路简单、可单电源供电、低功耗的精密电压/频率转换器集成电路。LM331动态范围宽达100dB，工作频率低到0.1Hz时尚有较好的线性度，数字分辨率达12位。LM331的输出驱动器采用集电极开路形式，因此可通过选择逻辑电流和外接电阻来灵活改变输出脉冲的逻辑电平，以适配TTL、DTL和CMOS等不同逻辑电路。LM331可工作在4.0V～40V之间，输出可高达40V，而且可以防止VCC短路。 1特点：

?保证线性：0.01％（最大） ?低功耗：15mW/5V

?广泛的全面频率：1Hz～100kHz ?脉冲输出兼容所有的逻辑形式 ?宽动态范围：100db 2 V/F转换电路

图4-5 瓦斯传感器V/F转换电路

4.2.4 LED显示

设计时考虑到瓦斯传感器工作在黑暗的井下环境，应采用发光强度高的显示器件故选择LED数码管，同时根据传感器显示精度的要求在设计时用四个LED数码管使其显示数值的有效数字达到四位。采用动态循环扫描方式显示不但硬件资源同时也节省单片机的输出接口。

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图4-6 瓦斯浓度显示电路

4.2.5监测分站 LCD显示

LCD与CPU的连接方式有两种，一种是直接访问方式，另一种是间接访问方式。直接访问方式就是单片机以访问I/O设备的方式操作LCD显示的工作。间接控制方式是单片机通过扩展的并行接口与LCD显示模块连接。本文采用间接访问方式。

单片机与LCD接口电路如图4-6所示。

图4-7 12864液晶与单片机接口

4.2.6 串行通信接口

监测分站采用串口和中心站进行通信，主要通过中心站进行参数设定和一些控制命令的发出。在 RS485串行通信总线上，协议规定用电压－15V～－3V来表示二进制的逻辑电平“1”，用电压＋3V～＋15V来表示二进制的逻辑电平“0”。该协议之所以不采用 0V~5V 的TTL逻辑，是为了提高串行通信的抗干扰能力。

该接口电路采用3线制(RXD、TXD、RLTY)软握手方式，即将PC机和单片机的“发

送数据线(TXD)”与“接收数据线(RXD)”交叉连接，其它信号线均悬空，握手信号采用软件方法产生，这样既可以实现预定的通讯功能，又可以简化电路设计，节约成本。

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4.2.7 分站模拟信号输入电路

由于设计的监测分站要兼容不同的输入信号形式（1～5mA电流型、200Hz～1000 Hz频率型），故在分站输入通道中加入I/F转换电路进行电流型输入信号到频率型信号的转换。当输入1～5mA电流型信号时,电流型信号从X5-2流入，（跳接线S61、S62跳B，并且将AC两针端接），经过S61的B针将电流送入I/F转换电路的7、8端进行电流型输入信号到频率型信号的转换，然后从I/F转换电路的9、10端输出频率信号。同时跳接线S1跳A(A针与中心点O相连)。此时输入电流经过当输入频率型I/F转换电路输出了相应的频率型信号。

图4-8 分站电流型信号输入电路

当输入的信号为频率型或者经过I/F转换得到频率型信号后将跳接线S1、S2均跳A,此时频率性信号输入到光电耦合器的输入端。经过光电耦合器的整形后输出。频率信号经过跳接线S1的中心点、A到光电耦合器E1-1、E1-2到跳接线S2的A针、中心点O构成回路。

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平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书 图4-9 分站频率型信号输入电路

4.2.8分站断电控制输出电路

当井下瓦斯浓度超过设定断电浓度时，分站单片机发出断电控制信号，该信号先经过功率放大后通过继电器输出断电信号给断电器，通过断电器控制大功率设备的供电开关从而切断井下非本安设备的电源，防止瓦斯爆炸发生。

分站设计时，考虑到监测区域的断电设备数量一般最多只有6台，故系统设计了8路断电控制输出电路足以满足断电控制要求。功率放大电路采用MC1413，该集成块为达林顿管阵列，有7路输出最大集电极电流可达500mA,用来驱动继电器线圈。考虑到线圈在电流关断瞬间将产生高压，故在线圈两端并接两个续流二极管来保护继电线圈。跳线用来解决断电设备被控开关的控制特性，有常开或常闭两类。当断电设备被控开关的控制特性为常开时跳线S33跳A时; 当断电设备被控开关的控制特性为常闭时跳线S33跳B。

图4-11监测分站断电控制输出电路

4.2.9监测分站单片机复位电路

跳接线S44选择单片机的复位电路方式：跳A时使用外部看门狗，否则外部看门狗

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平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书 无效。单片机需要使用编程模式时不能使用外部看门狗，所以必须把跳A的跳线器取下。当跳接线S44跳B时单片机一直处于复位状态，故单片机工作时不可跳B。

图4-12分站单片机复位电路

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平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书 第五章 瓦斯监测系统软件设计

瓦斯监测系统是实时测控系统，所以应用软件首先要具有实时性。即能够在瓦斯监测系统允许的时间内完成对系统的检测、计算、处理和控制。为此，设计应用程序都采用汇编语言。此外，尽可能采用一些设计技巧，以使程序尽量简单、紧凑，避免不应有的浪费。同时，对多个处理任务系统应实行中断嵌套或采用多重中断的办法，加快处理速度。

5.1瓦斯传感器程序流程图

5.1.1 瓦斯传感器主程序流程图

开始参数初始化检测信号读信号显示瓦斯浓度数据处理发送数据检测值>设定报警值Y声光报警N

图5.1 瓦斯传感器主程序流程图

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5.1.2 瓦斯传感器数据采集子程序流程图

开始采样值R0,浓度值R1启动A/D转换开中断等待中断中断请求读A/D转换结果存数据暂存单元R2是中断返回否

图5.2 瓦斯传感器数据采集子程序流程图

5.2瓦斯监测分站程序流程图

5.2.1 瓦斯监测分站主程序流程图

主程序的任务对系统进行初始化，根据检测到传感器的送来的数据进行处理单片机判断是否发出断电指令实现断电功能以及是否向中心站传送数据。

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平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书 开 始数据初始化是 收到中心站指令？否对开关量输入发送数据对模拟量输入否 采样值是否超过报警值是发出报警指令信号否 采样值是否超过断电值是发出断电信号

图5.3瓦斯监测分站主程序流程图

5.2.2 瓦斯监测分站定时器中断子程序流程图

该系统采样周期为10S，本设计采用软硬结合方式实现定时10S的功能设T0为定时方式1，定时的时间间隔为50ms,时钟频率为12MHz,多定时器T0中断进行计数。计够200次后，即可完成10S定时。

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