摘 要

随着工业革命后工业发展越来越迅速，一直至今，工业的飞速生产的同时也对能源提出了更高的要求，现在工业中使用的能源依旧以石油煤炭天然气等化石能源为主。我国石油天然气资源稀少，对能源的需求增加主要表现为煤炭需求量的增加，同时煤炭价格也在逐步提升。但是在实际的煤矿生产过程中，影响煤炭产量的除了现有生产机制之外，最大的因素就是体现在频发发生的煤矿安全事故了。矿井中发生事故的原因是多种多样的，其中很大一部分事故是因为煤矿瓦斯泄漏后所引起的瓦斯爆炸，我国每年因为煤矿事故而死亡的人数有近万人，在传感器检测技术还没现在普及的过去还更甚。煤矿事故的发生严重影响了煤矿的开采进程，威胁到了工人的生命安全。瓦斯是一系列可燃气体混合物的总称，其中瓦斯的主要成分是甲烷。瓦斯泄漏在一定条件下才会发生爆炸，当瓦斯与空气的混合浓度达到3.5%~16%时遇明火才会发生爆炸，因此实时测量矿井内瓦斯气体的浓度值并在浓度值到达危险值之前发出信号并停止作业便可大大减少煤矿瓦斯安全事故，保障生产安全。因此设计一个能够实时监测矿内甲烷气体的浓度并可在危险浓度时报警的检测仪就显得十分重要了。

本次设计的目的是设计出一个检测仪能实现对甲烷浓度的实时检测并在浓度超过设定值时进行声光报警。本设计的要求是使用单片机技术对气体传感器以及周边各种电路进行控制，完成检测需求。甲烷气体检测仪以AT89S52单片机为控制核心，单片机控制着气体传感器以及周边的电路，甲烷浓度变化传入传感器，传感器经内部转换电路转换为模拟信号发出，A/D转换器接收信号并将模拟信号转换为数字信号传送到单片机里。单片机处理数据后，将当前甲烷浓度信号发送到LCD液晶显示屏上进行显示，当浓度超过设定值时，发出信号改变报警模块的工作状态，使LED灯闪烁同时蜂鸣器报警，提醒相关工作人员做出举措，停止生产，从而保障生产安全。本设计的软件设计部分运用Keil软件对单片机所要执行的程序进行编程，仿真部分利用Proteus软件设计出的仿真图和Keil联调实现仿验证设计的实际效果。仿真最终结果的表明，本设计能对矿内甲烷浓度进行实时测量，一定程度上来说可以保障生产安全进行，减少由于瓦斯爆炸而引起的安全事故。

关键词：甲烷；单片机；传感器；报警

Abstract

With the rapid development of industry after the industrial revolution, the rapid production of industry has also put forward higher requirements for energy. The energy used in industry is still dominated by fossil energy such as oil, coal and natural gas. China's oil and natural gas resources are scarce, and the increase in demand for energy is mainly reflected in the increase in coal demand, while coal prices are also gradually increasing. However, in the actual coal mine production process, in addition to the existing production mechanism, the biggest factor affecting coal production is the frequent occurrence of coal mine safety accidents. The causes of accidents in mines are various. A large part of them are caused by gas explosions caused by coal mine gas leakage. The number of people who die in coal mine accidents in China is nearly 10,000 each year. The sensor detection technology is not yet available. The popularity of the past is even worse. The occurrence of coal mine accidents has seriously affected the mining process of coal mines and threatened the safety of workers. Gas is a general term for a series of combustible gas mixtures, in which the main component of gas is methane. Gas leakage will only occur under certain conditions. When the mixed concentration of gas and air reaches 3%-15%, it will explode when exposed to open flame. Therefore, the concentration of gas in the mine is measured in real time and before the concentration reaches the dangerous value. Signaling and stopping the operation can greatly reduce coal mine gas safety accidents and ensure production safety. Therefore, it is very important to design a detector that can monitor the concentration of methane gas in the mine in real time and can alarm at dangerous concentrations.
The purpose of this design is to design a detector that enables real-time detection of methane concentration and provides an audible and visual alarm when the concentration exceeds the set value. The requirement of this design is to use the single-chip technology to control the gas sensor and various surrounding circuits to complete the detection requirements. The methane gas detector adopts AT89S52 single-chip microcomputer as the control core. The single-chip microcomputer controls the gas sensor and the surrounding circuit. The methane concentration changes into the sensor. The sensor is converted into an analog signal by the internal conversion circuit, and the A/D converter receives the signal and simulates the signal. Convert to digital signal and transfer it to the microcontroller. After the MCU processes the data, the current methane concentration signal is sent to the LCD liquid crystal display for display. When the concentration exceeds the set value, the signal is sent to change the working state of the alarm module, so that the LED light flashes and the buzzer alarms to remind the relevant work. Personnel make initiatives to stop production and thus ensure production safety. The software design part of this design uses Keil software to program the program to be executed by the single-chip microcomputer. The simulation part uses the simulation diagram designed by Proteus software and the Keil joint adjustment to realize the actual effect of the simulation design. The final result of the simulation shows that the design can measure the methane concentration in the mine in real time, which can ensure the safety of production to a certain extent and reduce the safety accident caused by gas explosion.

Keywords: methane;single chip microcomputer; sensor;alarm

目 录

摘 要 i

Abstract ii

第1章 绪 论 1

1.1 本设计的研究背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本设计的工作目的及意义 2

1.4 论文主要研究内容 3

第2章 系统整体方案设计 4

2.1 系统基本要求和性能指标 4

2.2 A/D转换器的选择 4

2.3 显示模块的选择 5

2.4 传感器的选择 8

2.5 总体结构设计 9

第3章 系统硬件设计 11

3.1 单片机最小系统设计 11

3.1.1 AT89S52单片机简介 11

3.1.2 时钟电路设计 12

3.1.3 复位电路设计 14

3.2 电源电路设计 15

3.3 报警电路设计 15

3.4 显示电路设计 16

3.5 甲烷气体采集电路设计 17

3.6 红外遥控电路设计 19

3.7 看门狗电路设计 20

3.8 防爆系统设计 20

3.8.1 硬件系统防爆设计 21

3.8.2 印刷版防爆设计 21

3.8.3 软件系统防爆设计 22

第4章 系统软件设计 23

4.1 主程序设计 23

4.2 ds1302时钟程序设计 25

4.3 声光报警程序设计 29

4.4 液晶显示程序设计 30

4.5 红外遥控解码程序设计 45

第5章 系统仿真与调试 47

5.1 Protues与Keil软件介绍 47

5.2 仿真与调试过程 48

第6章 总结与展望 51

致谢 52

参考文献 53

附录A 总原理图 54

附录B 仿真图 54

第1章 绪 论

1.1 本设计的研究背景

煤矿安全事故的发生严重的影响了工作人员的生命安全，同时也造成了也造成了煤炭生产产量的减少。因此，设计开发研究出一个可靠实用的甲烷浓度实时测量仪产品就很重要了。

因为我国的检测技术起步相对来说比较晚，所以关于矿内甲烷浓度测量设备技术还不够成熟，对于某些检测设备来说还存在着诸如测量设备寿命短，易受到矿内恶劣环境的影响导致设备工作性能不稳定，存在着误测量，测量误差较大等等问题。现代单片机技术发展迅速，单片机具有体积小、成本低、灵敏度低、易维护、易于操作、响应速度快等优点。所以以单片机为主要模块控制传感器以及周边电路设计出一个可对矿道内甲烷浓度进行实时测量的检测仪是很有意义的。本设计以AT89S52单片机为核心，开发设计出能实现对甲烷气体的识别、测量浓度、实时显示以及超量报警的测量系统，从而减少由瓦斯泄漏爆炸而引发的矿难事故，保障煤矿内工人的生产安全。相较于AT89C51单片机而言，AT89S52单片机除了具有C51的全部功能以外，还新增了有更高可靠性、更高安全性的功能。从性价比上来分析，S52性价比高，符合了设计的经济性。所以，我选择AT89S52单片机为核心来设计这个测量系统。

1.2 国内外研究现状

20世纪70年代以来，随着单片机技术以及传感器技术的迅速发展，国内外均生产有许多种类型的传感器。其中包括：压力传感器、温度传感器、酸碱度浓度传感器等等。此次设计中，我们需要测量的物理量是甲烷的浓度，所以我们需要使用的是气敏传感器，气敏传感器中也分很多种类，其类型根据测量对象的不同可以分为可燃性气体、有毒有害类气体、氧气测量仪等；从仪器的结构上的不同可以分为袖珍式、便携式以及固定式气敏传感器。其中袖珍式测量仪主要用于需要在危险环境中工作的人员随身携带；便携式测量仪主要用于监测人员的定期安检；固定式测量仪主要用于矿道中某固定地点的气体浓度测量。本设计采用的是第三种方式，固定式测量仪的设计。

世界各国均具有煤矿甲烷气体测量的系统，例如波兰的DAN6400系统、法国的TF200系统、德国的MINOS系统以及英国的Senturion-200系统等，其中全矿井综合实时监测控制系统有代表性的产品有美国公司生产的MSN系统，德国BEBRO公司的PROMOS系统。但这两种系统都只能对井下气体浓度进行监测，并没有相应数据的上传，所以并不能实现实时监控。