畢業設計基于單片機的井下瓦斯濃度智能傳感器的設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 電路的輸出腳輸出高電平，報警器電路工作，進入報警狀態。此時若水銀開關斷開，電源經 R2向 C1 充電，當 C1兩端的電壓充到高于 2/3Vcc 時，電路翻轉，輸出端變為低電平輸出，報警電路失電停止工作。此時報警器便進入報警守候狀態。這時若報警器受到振動，就會使水銀開關中的水 銀一起振動，當開關接通時， 555電路的 2 腳便輸入一個低電平信號，這個低電平信號使得單穩電路輸出狀態改變，輸出端變為高電平，報警電路工作，另一方面通過 7 腳將充于電容 C1 上的電荷放完，這時就算水銀開關再次斷開，由于 C1 兩電壓低于 2/3Vcc，電路也將保持輸出高電平，使報警電路工作，若一直有振通信號使水銀開關接通，系統將一直報警，若報警后報警器不再振動，則當 C1 上的電充到大于 2/3Vcc 時，報警將自動停止，因此每次報警的自動關斷時間為 R2 和 C1 的充電常數值。該報警器由直流穩壓電源、定時開關電路和聲控脈沖產生器三 部分組成。圖中 S為話筒，它將腳步聲或其他聲響轉換為電信號，且放大后加至 555 時基電路的觸發端 ② 腳。 555 與 R C2 組成一個單穩態觸發器，調節電阻 R6使 ② 腳的電壓略高于 l/3VDD。 555 3 腳輸出低電平。當有情況發生時， BG2 輸出一定幅值的負脈沖，使 555 翻轉，相應 ③ 腳輸出高電平，信號經 BG2 緩沖放大后使可控硅 SCR觸發導通，將報警器的電源電路接通，發出報警信號。報警時間長短取決于電容器 C2的充電時間常數 td= 的大小。當 C2上的充電電壓超過 2/3VDD 時， 555 復位， 3腳輸出低電平， BG2 相 應截止，可控硅 SCR 斷開。在 C2充電期間，即報警定時結束之前，應使 555③ 腳通過 R5和 D1 將輸出高電平反饋到觸發端 ② 腳，以免后繼脈沖或其他干擾影響定時精度。定時的長短可通過改變時間常數 R6C2 的大小來調節。 常見故障現象與查找方法 ： 1)發光二極管不亮： ① ，用萬用表測 12V 供電電源是否正常； ② ，用數字萬用畢業設計 9 表檢測電阻 R發光二極管 VDl、三極管 VT2是否損壞； ③ ．測 lCl 所構成單穩態電路，若 ICl 的 ③ 腳始終輸出低電平， VT2 將一直處于截止狀態，發光二極管不亮，可采用代換法判斷 555 集成電路的好壞。 2)發光二極管亮但不閃爍： ① ．測三極管 VT2，若 VT2擊穿，更換 VT2 故障即可排除； ② ．測 ICl⑥ 、 ⑦ 腳的電平，若為低電平，查 RP1及連線是否有斷線或虛焊，查 C1 是否擊穿及 ICl② 腳是否懸空。在外圍元件檢查無誤后，可采用代換法判斷 lCl是否損壞； ⑧ ．用上述方法，查找 IC IC3及其外圍元器件。 3)發光二極管閃爍頻率不正常：主要查單穩態電路 ICl，當單穩態電路工作不正常時會造成發光二極管閃爍頻率不正常，其主要原因是由于電容 C2 造成的，可調當調整 C2 的大小。 4)揚聲器不響： ① ．查供電電源電壓及檢測三極管 VT揚聲器是否損壞； ② ．測量 IC4 第 5腳的控制信號電壓，不正常查 IC3 第 3腳信號及 R4，也可通過示波器測量輸出波形判斷故障部位。 變流瓦斯檢測方法的原理 變流瓦斯檢測方法的基本思想 為了解決上節所提到催化傳感器存在的問題，就必須拋開連續電流供電的傳統方法，以保證測量元件與參比元件溫度永遠相等，設計出真正的恒溫檢測橋路。 實現方法是通過一個硬件電路構成的閉環反饋系統，強迫檢測元件與參比元件保持在平衡狀態，使測量元件工作在恒溫狀態下。該檢測環路使測量 元件的溫度與參比元件的溫度進行比較，當環境中的 CH4 氣體在測量元件表面燃燒時，測量元件的溫度將很快上升使電橋失去平衡，硬件電路構成的閉環反饋系統監測到偏移信號后，輸出控制脈沖信號，將已經偏移的橋路“矯正”回來，使回路周而復始地工作在偏移 /校正的振蕩之中。測量元件的溫度是以微小的鋸齒波形狀的軌跡在恒溫區波動 [26]，如圖 6所示： 圖 6 傳統的檢測橋路與恒溫橋路的濃度溫度特性曲線 Fig6 contrasting curve between two methods 畢業設計 10 這個波動的溫差很小，只有零點幾度的差別，基 本上可以認為參比元件和測量元件的溫度是相等的。這種方法保證了在任何 CH4 濃度下，測量元件的溫度不變，徹底有效地杜絕了高濃 CH4 的燃燒，大大延長了催化元件的使用壽命，也使儀器的零點穩定性、精度穩定性得到了的提高。 本研究所研制的脈沖供電檢測橋路與傳統的測量機理截然不同，檢測元件工作于間歇脈沖供電狀態，不隨 CH4 溫度變化，反饋環路中的脈沖頻率與 CH4 濃度呈正比關系。從微觀的角度上看，單片機檢測的是測量元件上溫度的上升速率，而傳統方法則是檢測元件上的絕對溫度。測量橋路是恒溫的，無論檢測多高濃度的瓦斯，檢測元件的溫 度都不變，所以它能夠抗高濃沖擊，能夠擁有更長的壽命和極好的穩定性。 變流瓦斯檢測方法的原理 變流檢測方法是一種使載體催化傳感元件在檢測瓦斯氣體時保持恒溫狀態的新型檢測方法。它的基本原理是：在瓦斯濃度升高時，通過閉環反饋電路，使工作電流相應減少，以保持催化元件的溫度不變，利用電流的減少量和瓦斯含量間的對應關系，實現瓦斯含量的檢測。 載體催化元件的靜態熱平衡方程是 [47]： )()( 40410142 ttBAttBCHrI ????? ???? 式中 I— 載體催化元件的工作電流； r— 載體催化元件的電阻； ? — 瓦斯氧化反應燃燒熱系數； 4CH? — 空氣中瓦斯體積分數； 1t — 載體催化元件溫度； 0t — 環境溫度； ? — 熱傳導系數； B— 元件面積； A— 輻射系數； ? — 角系數。 方程式左邊是單位時間內工作電流所 產生的熱量和瓦斯氣體在載體催化傳感元件表面發生氧化反應所產生的熱量之和，后者與瓦斯體積分數成正比；方程式右邊是催化傳感元件在單位時間內熱傳導和熱輻射損失的熱量之和，其中傳導熱是催化傳感元件通過導線和空氣傳遞的熱量之和，由于催化傳感元件工作在一個半封閉的氣罩內，其同空氣的對流散熱很小，可忽略不計。方程兩邊在催化傳感元件達到熱平衡時是相等的。 在變流瓦斯檢測中，工作電流隨著瓦斯濃度增加而減小，元件處于恒溫狀態，載體催化元件工作溫度和阻值保持不變。故在環境溫度一定的情況下，方程式右邊為一常數，設 )()( 4041010 ttBAttBK ???? ?? 畢業設計 11 對于該種檢測方法，因保持 1t 不變，即當無瓦斯 ( 04 ?CH? )時， 020r KI ? ；當有瓦斯時 rIKCHrI 20202 ??? ?? 式中 I、 0I 分別為有瓦斯、無瓦斯的工作電流，即 420 CHrII ???? 此式表明電流變化與瓦斯體積分數不是線性關系。因此，在設計檢測電路時，為使電流大小能反映瓦斯體積分數，不能采用一般的可控直流電源，而需采用寬度可調的脈沖電流源，即脈沖電流的幅值恒定，但其寬度可由反饋信號調節。當瓦斯體積分數增加時，減少脈沖的寬度 T 以減少通過元件的平均電流。 由式（ 33）知，瓦斯體積分數為 2204 IrIrCH ??? ?? 與電流平方成線性關系，脈沖電流有效值為 210211 mT m ITTdtITI ?? ? 式中 T 為脈沖電流周期， mI 為脈沖電流幅值。在 mI 一定的條件下與占空比的平方根 TT/1 成線性關系，即其平方與占空比成線性關系。又脈沖電流平均值 PI 為mP ITTI 1?，與占空比成線性關系，故脈沖電流的平均值可以線性地反映瓦斯體積分數，即瓦斯濃 度。 智能瓦斯監測儀原理框圖 畢業設計 12 3 硬件電路介紹 甲烷傳感器 KG9701 型智能低濃度沼氣傳感器 KG9710 型智能低濃度沼氣傳感器 主要用于監測煤礦井下環境氣體中的瓦斯濃度，是煤礦預防瓦斯突出和瓦斯爆炸必不可少的測量儀表。它可以連續自動地將井下沼氣濃度轉換成標準電信號輸送給關聯設備，并具有就地顯示瓦斯濃度值，超限聲光報警等功能。采用國家科技 “ 九五 ” 攻關項目成果：高穩定性、長壽命熱催化元件，通過改變制作工藝及催化劑配方 (自制 )等，大大提高了催化元件的性能指 標，利用人工智能技術對信息進行處理分析，增強了儀器抗高瓦斯沖擊的能力，將穩定性能指標由一周提高至一月，使用壽命由一年延長至一年半。具有性能穩定、測量精確、響應速度快、結構堅固、易使用易維護等特點，增加了遙控調校、斷電控制、故障自校自檢等新功能，大大節約了使用與維護費用。 目前 該傳感器 已廣泛應用于全國大、中、小型煤礦，在國內市場占有率超過 60％，在煤礦預防瓦斯災害方面經常發揮重要作用，產生了可觀的經濟效益和良好的社會效益 。 主要技術指標： 測量范圍： 0～ %CH4(0～ %CH4) 測量精度： ～ %CH4 ≤177。%CH4 ～ %CH4 ≤177。%CH4 ～ %CH4 ≤177。%CH4 ～ %CH4 ≤177。% 真值 (相對誤差 ) 元件檢測反應速度： ≤20s 調校周期： ≤1 個月 使用壽命： ≥ 年 信號帶負載能力： 0～ 400Ω 報警方式：二級間歇式聲光報警， ≥85dB( 聲強 )，能見度＞ 20m(光強 ) 報警點范圍： ～ ％連續可調 采樣方式：限制擴散式 整機工作電壓： 9～ 24V DC 畢業設計 13 傳輸距離： 3km(供電 18V DC 使用 截面銅芯電纜 ) 輸出信號： 200～ 1000Hz、 1～ 5mA DC 防爆型式： ExibdⅠ 礦用本安兼隔爆型 高濃度瓦斯傳感器 (國產 ) 型號 :ZR14GJW4/100 基本參數 工作環境條件 : 溫度 : 0℃ ～ 40℃ 相對濕度 : ≤98% 大氣壓力 : 86kPa～ 116kPa 風速 : 0m/s～ 8m/s 測量范圍 : 高濃： 0%CH4～ 100%CH4 溫度： 0℃ ～ 40℃ 測量范圍（ %CH4） 高濃： 基本誤差（ %CH4） ≤177。1 .0 測量上限的 177。10% 溫度：基本誤差： 177。2℃ 分辨率 : 高濃 0. 1%CH4， 溫度 ℃ 顯示方式 : 六位 LED，其右三位顯示甲烷，左三位顯示溫度 響應時間 : ≤20s 報警點 : 可調 ,儀器出廠時設定在 %CH4； 在 %%CH4 內可調 斷電點 : 可調 ,儀器出廠時設定在 %CH4 復電點 : 可調 , 儀器出廠時設定在 %CH4 高低濃度轉換點： 1）從低到高： % CH4 2）從高到低： % CH4 調節方式：使用本公司生產的 FYF 型遙控器 防爆標志： ExibI 畢業設計 14 防爆合格證號： 1044440 安全標志證號： 20202726 報警方式 :聲光，其中 : 音量 : ≥85dB 光可見度 : ≥20m 工作方式 :擴散式 防爆型式 :礦用本安兼隔爆型； 防爆標志： ExibdI。 輸出信號 : 兩路 200Hz～ 1000Hz 頻率輸出。 甲烷： 200～ 600Hz 對應甲烷濃度為 0～ 4% 600～ 1000Hz 對應甲烷濃度為 4～ 100%。 溫度： 200Hz～ 1000Hz 對應 0℃ ～ 40℃ 。 Ui： ≤DC 20V ； Ii： ≤90mA 。 關聯設備 :本公司生產的 DJ4G2020固定式甲烷斷電儀 防爆型式：礦用隔爆兼本質安全型 防爆標志： Exd[ib]I，傳感器到斷電儀的距離不大于 2020 米。 防爆合格證號： 1042460 安全標志證號： 20202728。 配接設備：本公司生產的 KJF33 通用監控分站 防爆型式：礦用本質安全型，防爆標志： ExibI 防爆合格證號： 1034356 ，安全標志證號： 20203034 傳感器到分站的距離不大于 2020 米。 傳輸電纜 : 電纜最大長度： 2020m 分布電容 ≤ ／ km 分布電感 ≤1mH ／ km 外形尺寸： 200 mm110 mm 35mm 質量： ADC0809 引腳圖與接口電路 A/D轉換器芯片 ADC0809 簡介 8路模擬信號的分時采集，片內有 8 路模擬選通開關，以及相應的通道抵制鎖存用譯碼電路，其轉換時間為 100μs 左右。 畢業設計 15 圖 《 ADC0809 引腳圖》 畢業設計 16 . ADC0809 的內部結構 ADC0809 的內部邏輯結構圖 下