基于单片机的瓦斯报警系统

目录

一. 绪论...............................................1 二. 瓦斯报警器的发展及组成应用..........................3 （一）瓦斯的组成.......................................4 （二）瓦斯报警器的工作原理.............................5 （三）信号显示.........................................7 三.单片机的特点及应用...................................8 （一）.单片机的特点.....................................8 （二）单片机的应用原理..................................9 四. 瓦斯浓度的检测......................................10 五.整机工作过程.........................................13 六.总结.................................................14 参考文献................................................17 附录....................................................18 谢词....................................................23

1

一.绪论

随着采矿技术的不断发展，井下作业的安全越来越有保障，但是仍然有许多采矿企业的机械化程度低，对现场采矿的工作人员的生命安全造成潜在的威胁，特别是针对瓦斯气体的检测和报警仍旧存在隐患，每年由于瓦斯泄露造成的特大事故依然很多。为避免人为因素造成爆炸事故的发生，开发研制出电话自动监控瓦斯和氧气报警器。它能在瓦斯超限时或在矿井中缺少氧气并低于报警限时进行声光报警，并且自动拨通煤矿安全局主要负责人电话，告知井下瓦斯和氧气超限的实际情况，使安全局主要负责人对矿主、安检员、某些矿的负责人进行监管，督促他们认真贯彻煤矿安全规程，实现自动监管功能。该设备还具有强迫显示报警参数和动态显示节能功能，并能方便地观测瓦斯和氧气的含量。它是一种新型的煤矿安全监控设备。

由于安全灯的构造简单，性能稳定，使用寿命长，一百多年来一直被沿用下来，至今仍在许多国家使用。从1675年英国北威尔士欣煤矿发生的第一次瓦斯爆炸矿难起，世界各国开始更进一步关注对瓦斯检测报警的相关安全研究，一直以来，光干涉瓦斯检定器在我国和日本使用比较广泛，自20世纪30年代以来，已经连续使用了数十年，至今仍在某些矿井的瓦斯检测中使用。目前，在瓦斯检测仪总占主导地位的是催化瓦斯检测仪，据最早文献记载，1943年以前美国已制成VCC瓦斯测量仪，后日本在铂丝元件上加上涂有催化剂的载体小珠，制成最早的载体催化元件并利用这种原件制成了北辰型瓦斯指示器。1958年法国Cherchar研究所已研制成功利用AI2O3为载体，钯Pd、钍Th为催化剂的载体催化元件，获得了较好的催化性能。1961年英国矿山安全研究所采用新的工艺，改进了载体催化元件的性能。从此，催化瓦斯传感器进入了其发展过程中的全盛时期。1961年以后，英、美、法、日、德、前苏联等国家又对其进行改进研究，并从此作为瓦斯检测的主要工作方向。我国催化型瓦斯传感器的研究工作起步稍晚，大至可以分为三个阶段。第一阶段工作，国内第一台催化原理的瓦斯报警器是1958年出现，采用铂丝元件位传感器，。1961年由北京劳动保护研究所和抚顺煤矿安全仪器厂协作开展了研究工作。1964年研制出我国第一个达到实用水平的载体催化元件，接着制成了以这种原件喂传感器的AQR-1型瓦斯测量仪。

2

该系统由两台DRS—4型计算机控制，共有128个测头。由此可以看出，当前国际催化型传感器的主要发展方向，首先是在运用中分别向适应小型化个人携带仪器和大型计算机控制系统的方向发展。这就是说，要研制低功耗、高稳定性、长寿命、连续使用的元件。在这些要求中，努力提高元件的稳定性、延长使用寿命是中心课题。另一个发展方向是研究抗毒能力强的元件。由于采用筛选催化剂配方和改进工艺的方法提髙稳定性已经收获不大了。必须进一步在研究工作中探索元件催化剂及载体的变化规律，找出引起活性下降的根本原因，为此需要深入研究催化剂价态、颗粒大小、表面状态及载体的晶型变化和顆粒大小变化，而这种深入的研究采用以前的检验手段已经不行了，必须采用先进的技术，进入催化剂的微观世界，探索其变化规律，目前与此有关的现代分析技术主要有光电子能谱、扫描电子显微镜、X射线衍射、电子顺磁共振等技术，虽然世界各国在此方面的研究不同程度的都有了些许初步的成果，但是其研究工作具有一定的探索性，关于深入研究元件工作过程中催化剂和载体变化规律的研究报告或文章，却少见发表。

总体上看，国内外的瓦斯智能报警系统都在不断进行着跟新。而由于瓦斯浓度过高引起爆炸的事故一直居高不下，以至于煤矿对监控系统的需求也越来越大，据《中国煤炭报》统计，全国共有大小煤矿60000多个，从业矿工800多万。根据煤矿三班作业的实际情况，目前至少需要300万个瓦斯报警器，可见其市场之广阔。但由于某些技术上的不足，导致一些关键问题没有能够解决。由于瓦斯气体本身的危险性和对人民生产生活造成的巨大危害，因此对瓦斯气体的检测和报警是一项必要的工作。瓦斯报警是指利用气体传感器技术，将检测到的瓦斯气体浓度和标准值进行比较，当高过一定浓度值时候进行相应的声光报警，提醒正在作业的人员进行相应的处理，组织人员撤离或对矿井通风排气，避免不安全事故的发生，对现在采矿业的安全起着非常重要的作用。本文所设计一种低成本的可燃性气体报警器设计，能够监控矿井的瓦斯气体的浓度，显示测量结果，并对当前的环境状态做出判断，发出报警信息。因此结合微处理技术研制新型的智能瓦斯监控报警系统将是现在乃至今后的世界面临的重要问题在煤矿井下生产环境中，需要对瓦斯、一氧化碳等环境参数进行监测。现有的监测设备，都是采用数字显示或灯光显示的方式来提供测试数据的，这在环境狭窄、能见度差的井下

3

工作面很不方便。采用直接的语音播报方式，可以主动向现场人员提供各种信息，遇到危险情况还能作为紧急广播使用。这对于提高安全意识、避免重大伤亡事故具有重要意义。。为避免人为因素造成爆炸事故的发生，开发研制出电话自动监控瓦斯和氧气报警器。它能在瓦斯超限时或在矿井中缺少氧气并低于报警限时进行声光报警，并且自动拨通煤矿安全局主要负责人电话，告知井下瓦斯和氧气超限的实际情况，使安全局主要负责人对矿主、安检员、某些矿的负责人进行监管，督促他们认真贯彻煤矿安全规程，实现电话自动监管功能。在瓦斯检测报警器的内部结构中，传感器为一项主要的部件。由于传感器是获取信息的工具，是信息技术（包括传感与控制技术、通讯技术和计算机技术）的三大支柱之一，位于信息系统的最前端，其特性的好坏、输出信息的可靠性对整个系统质虽至关重要，因此目前，世界各国一直把发展智能化传感器作为研究课题，投入大量人力物力进行开发研究。智能传感系统与传统传感器相比，具有高精度、高可靠性、高性能价格比、多功能化等优点，它代表了传感器的发展方向，是传感器克服自身落后向前发展的必然趋势。

二.瓦斯报警器的发展及组成应用

1815年，当时工业最发达的英国发明了第一项安全仪器——安全灯。它是利用火焰的高度测量瓦斯的浓度。由于安全灯的构造简单，性能稳定，使用寿命长，一百多年来一直被沿用下来，至今仍在许多国家使用。从1675年英国北威尔士欣煤矿发生的第一次瓦斯爆炸矿难起，世界各国开始更进一步关注对瓦斯检测报警的相关安全研究，一直以来，光干涉瓦斯检定器在我国和日本使用比较广泛，自20世纪30年代以来，已经连续使用了数十年，至今仍在某些矿井的瓦斯检测中使用。目前，在瓦斯检测仪总占主导地位的是催化瓦斯检测仪，据最早文献记载，1943年以前美国已制成VCC瓦斯测量仪，后日本在铂丝元件上加上涂有催化剂的载体小珠，制成最早的载体催化元件并利用这种原件制成了北辰型瓦斯指示器。1958年法国Cherchar研究所已研制成功利用AI2O3为载体，钯Pd、钍Th为催化剂的载体催化元件，获得了较好的催化性能。1961年英国矿山安全研究所采用新的工艺，改进了载体催化元件的性能。从此，催化瓦斯传感器进入了其发展过程中的全盛时期。1961年以后，英、美、法、日、德、前苏联等国家又对其进行改进研究，并从此作为瓦斯检测的主要工作方向。我国催化型瓦斯传感器的

4

研究工作起步稍晚，大至可以分为三个阶段。第一阶段工作，国内第一台催化原理的瓦斯报警器是1958年出现，采用铂丝元件位传感器，。1961年由北京劳动保护研究所和抚顺煤矿安全仪器厂协作开展了研究工作。1964年研制出我国第一个达到实用水平的载体催化元件，接着制成了以这种原件喂传感器的AQR-1型瓦斯测量仪。

在此以后，湖南、四川、上海、西安等地也相继开展了这类传感器的研究工作；第二阶段工作以1973年重庆煤矿安全仪器厂等五个单位协作研究为代表，在前段工作的基础上改进配方和工艺，提高原件的稳定性，与1975年研制成长期连续监测瓦斯的AYJ-1型瓦斯遥测报警仪，随后国内各个矿业研究所相继研制出ABD-1型瓦斯断电报警仪，AQD-1型采煤瓦斯断电控制仪等。1974年3月到1975年1月，煤炭部曾组织载体催化元件的技术攻关，大大推动了元件的研究与发展；第三阶段工作，最近几年在大力推进元件生产机械化工艺的同时，开展了提高载体催化元件性能的研究工作。通过国家重点科技攻关，进一步研究元件的工作特性、元件催化剂和载体在工作过程中的变化规律等问题，努力提高载体催化元件的稳定性，力图为载体催化元件的经一步发展开辟道路。 （一）瓦斯的组成

瓦斯，说起它的另外一个名称沼气，可能大多数人就会明白许多。其实它是来自英文和俄文的不规范发音。Gas的原意就是气体，包括各种可燃和不可燃气体。瓦斯的主要成分是甲烷，它的化学元素符号是CH4，一种无毒、无味、无颜色，可以燃烧的气体。生活中广泛用来烧水，做饭，也可以用作照明。 在煤矿里它从煤岩裂缝中喷出。矿井瓦斯爆炸是一种热一链式反应（也叫链锁反应）。当爆炸混合物吸收一定能量（通常是引火源给予的热能）后，反应分子的链即行断裂，离解成两个或两个以上的游离基（也叫自由基）。这类游离基具有很大的化学活性，成为反应连续进行的活化中心。在适合的条件下，每一个游离基又可以进一步分解，再产生两个或两上以上的游离基。这样循环不已，游离基越来越多，化学反应速度也越来越快，最后就可以发展为燃烧或爆炸式的氧化反应。所以，瓦斯爆炸就其本质来说，是一定浓度的甲烷和空气中度作用下产生的激烈氧化反应。的氧气在一定温度作用下产生的激烈氧化反应。 瓦斯爆炸产生的高温高压，促使爆源附近的气体以极大的速度向外冲击，造成人员伤亡，破坏巷道和

5

器材设施，扬起大量煤尘并使之参与爆炸，产生更大的破坏力。另外，爆炸后生成大量的有害气体，造成人员中毒死亡。

当前，随着采矿技术的不断发展，井下作业的安全越来越有保障，但是仍然有许多采矿企业的机械化程度低，对现场采矿的工作人员的生命安全造成潜在的威胁，特别是针对瓦斯气体的检测和报警仍旧存在隐患，每年由于瓦斯泄露造成的特大事故依然很多。瓦斯是在成煤过程中形成并大量储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，主要成份是甲烷(CH4)，密度为0.716kg/m3，对人体的危害是超时限能引起人窒息死亡。在地下采矿时候，井内常常会泄露一定量的CH4、CO和SO2等气体，后一种含量少，切易溶于水。经煤矿开采时的喷水处理后变成酸。但前两种气体含量多，且几乎不容于水，属于易燃易爆气体。由于瓦斯气体本身的危险性和对人民生产生活造成的巨大危害，因此对瓦斯气体的检测和报警是一项必要的工作。瓦斯报警是指利用气体传感器技术，将检测到的瓦斯气体浓度和标准值进行比较，当高过一定浓度值时候进行相应的声光报警，提醒正在作业的人员进行相应的处理，组织人员撤离或对矿井通风排气，避免不安全事故的发生，对现在采矿业的安全起着非常重要的作用

（二）瓦斯报警器的工作原理

变压器把220V的交流电压变为9V的交流电压，经桥式整流、电容滤波、L7805集成稳压器输出5V的直流电压。为其它各部分电路提供＋5V直流电源。另经稳压管DW2稳压电路输出2.8V电压为传感器提供电源，还有一路稳压DW1管输出2.5V电压为电压比较器提供参考电压。＋5V直流电源经负电源变换电路7660直接输出-5V电压，为数字显示系统提供-5V电源控制电路的核心元件采用了AT89LV51低电压单片机，传感器采用MQ5气体传感器，为减少单片机端口的占用和进一步扩展其它功能A/D转换部分采用TI公司的TLC1543，LCD显示采用的是dm12232f，A/D转换和LCD都是通过串行方式与单片机相连接，声光报警器电路使用的是蜂鸣器和发光二极管进行报警，这种设计可以满足不同场合的应用，测试结果稳定可靠，10位TLC1543的A/D转换芯片能够满足系统测量的精度要求。

6

图2.1 直流稳压电源电路原理图

传感器、信号放大器、电压比较器、声光报警电路工作原理：瓦斯传感器的作用是把瓦斯浓度的变化变为电信号的变化。该瓦斯传感器具有很高的灵敏度和测量范围，测量误差小。

集成运算Al、A2和有关电阻组成两级反相比例放大器作为瓦斯信号的放大器，放大倍数达千倍以上，A2的输出加到电压比较器A3的同相输人端；RW1、R8组成分压器，为电压比较器提供参考电压。参考电压加在A3的反相输入端，发光二极管D1(红灯)、D2(绿灯)和R10、R11组成瓦斯灯光报警指示电路，当瓦斯浓度未超过报警限时，电压比较器A3输出的低电平，使发光二极管D2(绿灯)亮，表示瓦斯浓度未超限。当采矿区瓦斯浓度超限时，电压比较器A3输出高电平，使红灯亮，表示瓦斯浓度超过报警限。同理氧气浓度的超限报警电路与瓦斯支路相同系统采用AT89LV51单片机作为控制部分的核心，AT89LV51是ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4K bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存储器（RAM），兼容标准MCS－51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，AT89LV51可在2.7～6.0V电源电压下工作。A/D转换部分的核心器件TLC1543有三个控制输入端CS、I/O CLOCK、ADDRESS和一个数据输出端DATA OUT遵循串行外设接口SPI协议。51系列单片机未内置SPI接口，但通过软件模拟SPI协议即可。硬件方面将TLC1543的CS、I/O CLOCK、ADDRESS、DATA OUT、EOC五个端口与AT89LV51的5个I/O口相连接。报警模块单独采用了蜂鸣器作为声音报警装置，提醒使用人员当前的气体浓度已经超过了警戒线，应该立即停止工作，进行相应的处理，避免危险发生。它和液晶显示器的配合使用，可以有效地提醒工作人员身边的工作环境，帮助工作人员提高安全警惕。在报

7

警模块的电路中当P0.7口的电平是低电平时候，三极管截止；当P0.7口电平为高时候，三极管导通，蜂鸣器产生报警声音。本设计中，由于瓦斯气体的主要成分是甲烷，所以气体传感器采用的是MQ-5，它适用于家庭或工业上对液化气，甲烷（天然气），煤气的监测装置。它具有优良的抗乙醇，烟雾干扰能力，具有对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度；对乙醇，烟雾几乎不响应； 快速的响应恢复特性；长期的使用寿命和可靠的稳定性；简单的测试电路等优点。

图2.2瓦斯传感器、信号放大器、数字显示系统、电压比较器、声光报警电路原理图

（三）信号显示

该监测报警仪能监测甲烷和氧气两个参数，并能方便地观察甲烷、氧气含量的功能，而且具备强迫选择显示突然超过报警限参数的功能。该电路主要由图1中的电子开关CD4053、包含二D触发器的CC4013、四二输入与非门CC4011和按钮AN、C1、R24、等组成的信号选择电路工作原理分为两部分。①手动信号选择电路工作原理：通过按按扭AN可以非常方便地选择甲烷、氧气含量。由图1得知，CC4013中的触发器构成了一个二进制计数器。没按信号选择按扭AN之前，CC4013脚输出低电压，经CC4011内的一个与非门反相后输出高电平，此高电平加到CD4053，使CD4053的一脚输出端选择甲烷信号进入CC7107数显电路进行显示，而且CD4053的一脚输出低电平控制数码管的甲烷的小数点显示，使氧气的小数点不显示；如需要进行氧气含量显示，按一下显示选择按扭AN，给双CC4013的触发器一个脉冲时钟信号，使CC4013的一脚翻转输出高电平，经CC4011的与非门反相输出低电平，此低电平加到CD4053，这时CD4053的另

8

一脚控制氧气信号输入到CC7107的信号的输入端，进行A/D转换，数码显示。②自动强迫显示报警参数功能；该报警仪若正在显示氧气含量时，甲烷含量浓度突然超过报警限，监测报警仪会由显示氧气含量转换为显示甲烷含量；反之，正在显示甲烷含量，氧气浓度突然低于报警限，报警仪转换为显示氧气含量，这种功能是利用甲烷比较器输出信号加到CC4013触发器的异步复位输入端，氧气电压比较器输出的信号加到触发器异步置位端实现的。当氧气浓度低于报警限时，氧气电压比较器输出的高电平信号加到触发置位端，此高电平强制显示氧气；同样若正在显示氧气信号时，甲烷含量浓度突然超过报警限，甲烷比较器输出高电平信号使触发器复位，输出低电平，强迫转换为显示甲烷含量。③节能显示技术：该报警器采用动态显示代替静态显示，动态显示电路是由CC4011内的两个与非门和电阻R31、电容C6共同组成RC多谐振荡器，其输出的方波经R30和三极管T驱动数码管进行动态显示，由驱动管T、数码管等元件组成的显示电路减少近一半的电能损耗。

三.单片机的特点及应用

（一）.单片机的特点

1.高集成度，体积小，高可靠性

单片机将各功能部件集成在一块晶体芯片上，集成度很高，体积自然也是最小的。芯片本身是按工业测控环境要求设计的，内部布线很短，其抗工业噪音性能优于一般通用的CPU。单片机程序指令，常数及表格等固化在ROM中不易破坏，许多信号通道均在一个芯片内，故可靠性高。

2.控制功能强

为了满足对对象的控制要求，单片机的指令系统均有极丰富的条件:分支转移能力，I/O口的逻辑操作及位处理能力，非常适用于专门的控制功能。

3.低电压，低功耗，便于生产便携式产品

为了满足广泛使用于便携式系统，许多单片机内的工作电压仅为1.8V～3.6V，而工作电流仅为数百微安。

4.易扩展

9

片内具有计算机正常运行所必需的部件。芯片外部有许多供扩展用的三总线及并行、串行输入/输出管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。

5.优异的性能价格比

单片机的性能极高。为了提高速度和运行效率，单片机已开始使用RISC流水线和DSP等技术。单片机的寻址能力也已突破64KB的限制，有的已可达到1MB和16MB，片内的ROM容量可达62MB，RAM容量则可达2MB。由于单片机的广泛使用，因而销量极大，各大公司的商业竞争更使其价格十分低廉，其性能价格比极高。

（二）单片机的应用原理

在MCS-51系统中，有单周期指令，双周期指令。四周期指令只有乘，除两条指令。指令的运算速度和它的机器周期直接相关，机器周期数较小则执行速度快。在编程时要注意选用具有同样功能而机器周期数小的指令。每一条指令的执行都可以包括取指和执行两个阶段。在取指阶段，CPU从内部或者外部ROM中取出指令操作码及操作数，然后再执行这条指令。

在8051指令系统中，根据各种操作的繁简程度，其指令可由单字节，双字节和三字节组成。从机器执行指令的速度看，单字节和双字节指令都可能是单周期或双周期，而三字节指令都是双周期，只有乘，除指令占四个周期，一条指令的字节数表征这条指令在存储器中所占空间大小，而周期数表征运行这条指令所花时间长短，即运行速度。

第一条指令的意思：将数据19H存入内部数据存储器30H单元。 第二条指令的意思：将数据68H存入内部数据存储器31H单元。

第三条指令的意思：从内部数据存储器30H单元中取一个数送往累加器。 第四条指令的意思：内部数据存储器31H单元的内容和累加器的内容相加，并把结果保存在累加器中。第 五条指令的意思：把累加器的结果送入内部数据存储器的32单元中保存。

最后一条指令的意思是：跳转到本条指令，关于这条指令在汇编语言里面讲解，现在我们只把这段指令当作结束指令看待 。

用户编的程序是存放在存储器中的，前面我们已经学过存储器只能存放二进制，而用户编的程序是用字母表示的，称为源代码，这种源代码显然不能存放在存储器中，

10

因此我们必须把源代码程序转换成二进制代码程序，这种转换过程叫编译，转换所得的二进制称为机器码。

一条源代码指令转换为机器码后，根据其复杂程度不同，可占一字节，两字节或三字节。其中，第一字节表示该指令的意义，称为该指令的操作码，操作码是每条指令都有的，若是较复杂的指令，除了第一个字节为操作码外，其后还有一个或两个操作数，即该指令所带的参数。编译过程除了把源代码指令转换为机器代码指令外，还要指定每一条机器代码的每一个字节所在的程序存储器地址，然后再用程序固化器将编译所得的结果装入程序存储器，这样，单片机在上电复位后，控制器才能正确的从程序存储器中取出用户程序。（详见附录）

四.瓦斯浓度的检测

图4.1 MQ-5

结构

形

11

图4.2 MQ-5

等效电路

MQ-5气敏元结构形如图3所示(结构A或B),由微型AL2O3陶瓷管、SnO2

敏感层,测量电极加热器构成敏感元固定塑料或不锈钢制成腔体，加热器气敏元提供必

工作条。封装好气敏元有6只针状管脚，其4

个于信号出，2个于提供加热电流设计MQ-5接线如图2所示，实际测量，以按照其等效电路计算相应校数值，其Ro表示体

等效电阻，RL

接载电阻，

测量气体腔

调整输出模拟量电压范围，具体数值

应根据A/D转换器输入范围确定，TLC1543输入范围0～5V，这样RL调整至该范围，保证测量量程足够。 表1甲烷测试计算

其：RL＝20KΩ；Ro=14.43KΩ；C=86；RL—载电阻；Ro—敏感体电阻；C—常数，调整显示范围灵敏度调整过程，由于MQ-5型气敏元

不同种类，不同浓度

重

，

气体有不同电阻值。因此，使此类型气敏元时，灵敏度调整

12

建议1000ppm异丁烷或氢气校准传感器。

矿井瓦斯从煤或岩层中涌出的形式有两种，一是均匀涌出，煤层揭露后，首先是游离瓦斯涌出从煤层或岩层表面非常微细的裂缝和孔隙中缓慢、均匀而持久地涌出，而后是吸附瓦斯解吸为游离瓦斯而涌出瓦。这种涌出形式范围广、时间长。二是特殊涌出，瓦斯特殊涌出包括瓦斯喷出与突出，即在较高压力状态下，很短时间内自采掘工作面的局部地区突然涌出大量的瓦斯，伴随瓦斯突然涌出有大量的煤和岩石被抛出。瓦斯的这种涌出是瓦斯矿井特殊的一种瓦斯放散形式。但是，由于它的出现具有突然性，一次涌出的瓦斯量大而集中，且伴随有一定的机械破坏力，因此对安全生产威胁很大。

矿井瓦斯涌出量是指矿井生产过程中，单位时间内从煤层本身以及围岩和邻近层涌出的各种瓦斯量的总和。瓦斯涌出量分为绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量两种。绝对瓦斯涌出量是进行瓦斯管理时风量计算的一个重要依据。但是，它仅能表明矿井涌出瓦斯的多少，很难判断矿井瓦斯涌出的严重程度，如两个绝对瓦斯涌出量相等的矿井，表面看来瓦斯涌出情况似乎一样，实际其中开采规模小的矿井瓦斯涌出情况必然更为严重。

相对涌出量是指矿井在正常条件下月平均产煤1t的瓦斯涌出量，用qCH4表示，单位为 m3／t，它能够判断出矿井瓦斯涌出的严重程度。矿井瓦斯涌出量的大小，取决于自然因素和开采技术因素的综合影响。煤层和邻近层的瓦斯含量是瓦斯涌出量大小的决定因素。开采煤层的瓦斯含量高，瓦斯的涌出量就大。当开采煤层的上部或下部都有瓦斯含量大的煤层或岩层时，由于未受采动影响，这些邻近层内的瓦斯也要涌人开采层，从而增大了矿井瓦斯涌出量。

地面大气压的变化与瓦斯涌出量的大小有密切关系。地面大气压力升高时，矿井瓦斯涌出量减少。地面大气压力下降，瓦斯涌出量增大。气温的影响体现在其变化导致大气压的变化，进而影响瓦斯涌出量的大小。

开采规模是指开采深度、开拓、开采范围及矿井的产量而言。开采深度越深，随着瓦斯含量的增加，瓦斯涌出量就越大。在瓦斯赋存条件相同时，一般是开拓、开采范围越大，则瓦斯绝对涌出量越大，而瓦斯相对涌出量差异不大；产量增减，往往瓦斯绝对涌出量有明显的增减，而相对涌出量的变化不很明显。当矿井的开采深度与规模一定时，若矿井涌出的瓦斯主要来源于采落的煤，产量变化时，对绝对涌出量的影

13

响比较明显，对相对涌出量的影响不大；若瓦斯主要来源于采空区，产量变化时，绝对瓦斯涌出量变化较小，相对瓦斯涌出量则有明显变化。首先开采的煤层（或上分层）排放了邻近层的瓦斯，因此，瓦斯涌出量大。后退式开采程序比前进式开采程序瓦斯涌出量要少，属于回采率低的采煤方法，采区瓦斯涌出量大。陷落法管理顶板比充填法瓦斯涌出量大。瓦斯涌出量一般随开采过程的进行而随时间的延续迅速下降。理论上，与大气压对瓦斯涌出量的影响相同。抽出式通风的矿井，瓦斯涌出量随矿井通风压力（负压）的提高而增加。压人式通风矿井，瓦斯涌出量随矿井通风压力（正压）的提高而减少。采空区的密闭质量影响瓦斯涌出量。抽出式通风的矿井，瓦斯涌出量随密闭质量的提高而减少；压入式通风矿井则正好相反。我国预测瓦斯涌出量多采用统计法。统计法的实质是根据本矿井或邻近的生产矿井实际瓦斯涌出量资料，研究井下瓦斯涌出量沿走向及倾斜变化规律，并考虑到影响涌出量变化的地质因素及开采技术条件，然后将由统计资料得出的规律外推到预测的新区。

五.整机工作过程

气敏传感器是一种把气体（多数为空气）中的有毒成分检测出来，并将它转换成适当的电信号的器件，如果以人们的感觉器官在作比喻，那么气敏传感器相当于人的鼻子（嗅觉）。但是人的嗅觉在灵敏其感知对象也是多样的。在我们周围，实际上存在的各种各样的气体，它们中的大部分将会成为气敏传感器的检测对象。

首先被实际应用的气敏传感器是用于防止可燃性气体（LPG等）爆炸瓦斯泄露报警器。其后，随着环境监测等，又不断地提出研制新型气敏传感器的任务。气敏传感器是化学传感器的一个重要组成部分。这里涉及到用于化学传感器的化学物质的检测原理。为了将化学物质检测出来分类，也就是同物理传感器一样，可分为能量变换式和能量控制式。前者是以被测物质所具有的化学能（化学电势）作为信号源，传感器相当于将化学能变换成电能的变换器（换能器）。所谓半导体气体传感器，是对利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体性质变化，借此来检测气体成分或者测量其浓度的传感器的总称。半导体气敏传感器大体上分为电阻式和非电阻式两种，电阻式半导体气体传感器利用氧化锡、氧化锌等金属材料来制作敏感元件；利用其阻值的变化来检测气体的浓度。气敏元件，有多孔质烧结体、厚膜、以及目前正在研制的薄膜等几种非电阻式半导体传感器。根据

14

气体的吸附和反应，利用半导体的功函数，对气体进行直接的检测。目前，正在积极开发的有金属/半导体结型二极管和金属栅的MOS场效应晶体管的敏感元件，主要利用它们与气体接触后整流特性以及晶体管作用的变化，制成对表面单位有直接测定的传感器。上电后，单片机首先进行初始化处理，然后从瓦斯探头读取瓦斯含量信息，在瓦斯浓度不越限的情况下，根据瓦斯的浓度值按照预定关系推算下一次的播报时间，并启动播报定时，每当播报时间到，单片机将最新一次采集的瓦斯浓度值转换成代码，控制语音合成单元进行语音播报。同时读取时间信息，并将时间信息和本次播报内容存入播报信息存放单元，以便日后查询和重播。当瓦斯出现越限时，单片机立即进入紧急播报状态，在此期间将每隔30s～1min播报一次瓦斯浓度信息，且播报相应的注意事项。当单片机从瓦斯检测单元读取不到脉冲信号或脉冲信号不在正常范围内时，说明瓦斯检测单元出现故障，这时单片机将控制语音合成单元播放瓦斯单元故障信息，以提醒及时处理。瓦斯浓度值的重播是由一组重播按钮来控制的。重播按钮共有3个，其中一个负责向前快速搜索，一个负责向后快速搜索，一个为确认按钮。当查询XX年XX月XX日XX时XX分的瓦斯浓度时，先用快速按钮进行寻找，然后用确认按钮进行重播，当不操作搜索按钮直接操作确认按钮时，将重播最后一次的存放结果。

六.总结

该设备还具有强迫显示报警参数和动态显示节能功能，并能方便地观测瓦斯和氧气的含量。它是一种新型的煤矿安全监控设备。以下对它的组成结构和工作原理进行介绍、并对其电路进行分析。可以使报警更准确，更及时，继而促使煤炭企业加大安全投入，有效遏止事故发生，有效地保护煤炭资源，又降低了整个行业的风险程度，加大了煤炭企业安全生产的压力，也可以保证良好的经济效益，保护了从业人员的安全与利益，也大大减轻了以往煤矿事故发生后各级政府进行的大量事后工作，使政府从烦乱的事故处理中解脱出来，提高工作效率。从更大的方面说，可以在保证安全生产的前提下，提高安全投入水平的同时，使安全投入所带来的效益超过安全投入所发生的成本，树立一种科学的安全发展观。

总体上看，国内外的瓦斯智能报警系统都在不断进行着跟新。而由于瓦斯浓度过高引起爆炸的事故一直居高不下，以至于煤矿对监控系统的需求也越来越

15

大，据《中国煤炭报》统计，全国共有大小煤矿60000多个，从业矿工800多万。根据煤矿三班作业的实际情况，目前至少需要300万个瓦斯报警器，可见其市场之广阔。但由于某些技术上的不足，导致一些关键问题没有能够解决。由于瓦斯气体本身的危险性和对人民生产生活造成的巨大危害，因此对瓦斯气体的检测和报警是一项必要的工作。瓦斯报警是指利用气体传感器技术，将检测到的瓦斯气体浓度和标准值进行比较，当高过一定浓度值时候进行相应的声光报警，提醒正在作业的人员进行相应的处理，组织人员撤离或对矿井通风排气，避免不安全事故的发生，对现在采矿业的安全起着非常重要的作用。本文所设计一种低成本的可燃性气体报警器设计，能够监控矿井的瓦斯气体的浓度，显示测量结果，并对当前的环境状态做出判断，发出报警信息。因此结合微处理技术研制新型的智能瓦斯监控报警系统将是现在乃至今后的世界面临的重要问题在煤矿井下生产环境中，需要对瓦斯、一氧化碳等环境参数进行监测。现有的监测设备，都是采用数字显示或灯光显示的方式来提供测试数据的，这在环境狭窄、能见度差的井下工作面很不方便。采用直接的语音播报方式，可以主动向现场人员提供各种信息，遇到危险情况还能作为紧急广播使用。这对于提高安全意识、避免重大伤亡事故具有重要意义。。为避免人为因素造成爆炸事故的发生，开发研制出电话自动监控瓦斯和氧气报警器。它能在瓦斯超限时或在矿井中缺少氧气并低于报警限时进行声光报警，并且自动拨通煤矿安全局主要负责人电话，告知井下瓦斯和氧气超限的实际情况，使安全局主要负责人对矿主、安检员、某些矿的负责人进行监管，督促他们认真贯彻煤矿安全规程，实现电话自动监管功能。在瓦斯检测报警器的内部结构中，传感器为一项主要的部件。由于传感器是获取信息的工具，是信息技术（包括传感与控制技术、通讯技术和计算机技术）的三大支柱之一，位于信息系统的最前端，其特性的好坏、输出信息的可靠性对整个系统质虽至关重要，因此目前，世界各国一直把发展智能化传感器作为研究课题，投入大量人力物力进行开发研究。智能传感系统与传统传感器相比，具有高精度、高可靠性、高性能价格比、多功能化等优点，它代表了传感器的发展方向，是传感器克服自身落后向前发展的必然趋势。

经过几十年不断的研究，载体催化元件逐步成熟并占据矿井瓦斯和多种可燃可爆气体检测领域的首位。当前国内批量生产的瓦斯測量仪、报警仪、断电仪和

16

遥测仪有近20种，还有混合可燃气体渊量仪、高能燃枓报5器和家庭煤气报5器等。然而现场并不满足目前元件已达到的性能指标，迫切需要提供更好的元件，其中特别要求进一步提离元件的长期稳定性和延长使用寿命。尽管采取各种各样的措施，但是瓦斯爆炸总是存在的，除非矿井在惰性空气中作业才不致发生瓦斯爆炸。然而一般爆炸是小型的，危险性很小，几乎没有灾害。不过始于小爆炸的重大瓦斯爆炸能漫延几千米巷道并造成几十或几百名矿工的死亡。这些爆炸能使沉积在底板、顶板和两边的煤层与空气混合，而且若该混合物爆炸，则爆炸能漫延几千米，产生的爆炸性的混合物超前于它本身。全世界每年都有数以十计的矿工死与瓦斯爆炸，我们国家以及全世界都在积极研究对策。该设备还具有强迫显示报警参数和动态显示节能功能，并能方便地观测瓦斯和氧气的含量。它是一种新型的煤矿安全监控设备。可以使报警更准确，更及时，继而促使煤炭企业加大安全投入，有效遏止事故发生，有效地保护煤炭资源，又降低了整个行业的风险程度，加大了煤炭企业安全生产的压力，也可以保证良好的经济效益，保护了从业人员的安全与利益，也大大减轻了以往煤矿事故发生后各级政府进行的大量事后工作，使政府从烦乱的事故处理中解脱出来，提高工作效率。从更大的方面说，可以在保证安全生产的前提下，提高安全投入水平的同时，使安全投入所带来的效益超过安全投入所发生的成本，树立一种科学的安全发展观。

17

附录：

#include //51芯片管脚定义头文件 #include //内部包含延时函数 _nop_(); #define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define nop _nop_()

sbit led1=P0^3; sbit led2=P0^7;

sbit led3=P2^4; sbit led4=P2^7; sbit ledg=P2^1;

sbit ledr1=P3^2; sbit ledr2=P3^3; sbit ir =P3^4;

sbit key1=P3^7;

//uchar code led_char[]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90}; /********************************************************** 延时t毫秒

11.0592MHz时钟，延时约1ms

**********************************************************/ void delay(uint s) {

uchar k;

18

while(--s) {

for(k=0; k<125; k++) ; } }

/********************************************************** 发送数据子函数

**********************************************************/ void wr_byte(uchar data_temp) { uchar i; for(i=0;i<8;i++) {

SBUF=data_temp; while(!TI); TI=0; led4=!led4; } }

/********************************************************** 按键判断子函数

**********************************************************/ void keys(void) { key1=1; if(key1==0) {

delay(60); if(key1==0) {

19

while(key1==0); ledr1=0; ledr2=0; } } }

/********************************************************** 主函数

**********************************************************/ void main() {

uchar j,l,i=0x01,k=1; led1=0; TMOD=0x21; TH1=0xfd; TL1=0xfd;

TH0=(65536-1000)/256; TL0=(65536-1000)%6; ET0=1; PCON=0x00; SCON=0x50; TR1=1; ES=1; EA=1; delay(1000); TR0=1; led1=1; while(1) {

delay(100);

20

i++; if(i==50) {

led1=!led1; i=0; j++; if(j==100) { k++; led2=!led2; j=0; if(k==150) { k=0; led3=!led3; l++; if(l==5) { l=0; led4=!led4; } } } } keys(); wr_byte(0x01); delay(800); } }

21

/********************************************************** T0中断函数

**********************************************************/ void time0(void) interrupt 1 using 1 { ir=1; if(ir==0) {

ledg=!ledg; }

TH0=(65536-1000)/256; TL0=(65536-1000)%6;

}

22

谢词

通过此次的论文，我学到了很多知识，跨越了传统方式下的教与学的体制束缚，在论文的写作过程中，通过查资料和搜集有关的文献，培养了自学能力和动手能力。并且由原先的被动的接受知识转换为主动的寻求知识，这可以说是学习方法上的一个很大的突破。在以往的传统的学习模式下，我们可能会记住很多的书本知识，但是通过毕业论文，我们学会了如何将学到的知识转化为自己的东西，学会了怎么更好的处理知识和实践相结合的问题。

本论文设计在魏晓娅老师的悉心指导和严格要求下业已完成，从课题选择到具体的写作过程，无不凝聚着魏晓娅老师的心血和汗水，在我的毕业论文写作期间，魏晓娅老师为我提供了种种专业知识上的指导和一些富于创造性的建议，没有这样的帮助和关怀，我不会这么顺利的完成毕业论文。在此向魏晓娅老师表示深深的感谢和崇高的敬意。

再次感谢在大学传授给我知识以及给我帮助和鼓励的老师，同学和朋友，谢谢你们。

23

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/pmm6.html