煤矿智能红外甲烷传感系统的设计与实现

【摘要】：我国是煤炭资源消耗的大国,煤炭的产量也位居世界首位,但煤矿的甲烷事故在煤矿安全生产事故中占的比例却非常的高,严重威胁着煤矿工人的生命安全。因此,在煤矿生产现场,能及时准确地对甲烷浓度进行检测,对保障井下安全生产具有十分重要的意义。 本课题根据国内外的同类产品情况,及国内煤矿使用的甲烷传感器应用环境,提出甲烷安全监控系统中,全量程红外甲烷传感器的研发项目。甲烷传感器在煤矿甲烷监测系统中有着非常重要的地位,它与系统中的分站,控制器及地面计算机组成监控系统。其主要功能要求完全符合或超过国家标准《AQ6211-2008煤矿用非色散红外甲烷传感器》的指标。传感器的分辨率,显示精度,基本误差,工作稳定性,显示响应时间等方面是本项目的研发重点与最终要求。 本文从检测原理入手,对比了多种气体检测方法,分析了各种检测方法的原理及优缺点。以红外检测原理为重点,详细分析了非色散红外检测方法的检测过程,它与传统的甲烷检测手段相比,具有稳定性高,维护周期长,检测精确等优点,非常适合煤矿环境应用。 在硬件的设计上,传感器采用ATmel公司的高性能AVR单片机做为核心处理芯片,其丰富的外设接口,出众的抗干扰性能及高效的C编译器,使其非常适合本产品的研发。传感器设计有RS485通讯接口,与系统中的其它设备进行数据交换;同时设计有频率输出端口,方便接入传统的甲烷系统;在控制信号的输出方面也设计有开关量的信号输出;红外检测部分采用防爆型红外传感头,以保证测量的精度,同时利用红外遥控设计对传感器的测量精度进行校准。 在单片机嵌入式软件上,采用传统的前后台系统,以主程序循环,结合外部中断,定时中断等,实现了基于RS485通讯的串口设计,红外解码设计,红外传感头通讯设计,甲烷浓度显示等应用程序的开发。结合通讯协议,配合甲烷安全监测系统,实现了甲烷浓度的远距离传输及相关的安全控制操作。 论文最后对传感器的主要性能,按国家相关标准的规定进行检测。目前已经送至国家相关部门进行检测。检测进展情况良好。 【关键词】：煤矿 红外甲烷传感器 单片机 RS485 红外遥控
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TP212.2
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-15
• 1.1 选题的背景和意义10-11
• 1.2 选题领域相关技术现状和趋势11-12
• 1.3 要实现的最终目标及实施方案12-13
• 1.4 本文的主要工作和组织结构13-15
• 第二章 红外甲烷检测技术综述15-24
• 2.1 概述15
• 2.2 检测方法介绍15-19
• 2.2.1 光干涉型15-16
• 2.2.2 催化型16
• 2.2.3 热导型16
• 2.2.4 气敏半导体型16
• 2.2.5 红外型16-18
• 2.2.6 红外非色散性检测优点18-19
• 2.3 红外吸收检测的原理19-22
• 2.4 传感头介绍22
• 2.5 小结22-24
• 第三章 煤矿智能红外甲烷传感器软硬件总体设计24-46
• 3.1 产品设计方案24-28
• 3.1.1 设计概述24-28
• 3.2 红外接收功能28-30
• 3.2.1 功能简介28
• 3.2.2 硬件设计28-30
• 3.2.3 软件设计30
• 3.3 RS485 通讯功能30-32
• 3.3.1 功能简介30
• 3.3.2 通讯协议30-32
• 3.4 RS485 通讯功能32-35
• 3.4.1 功能简介32
• 3.4.2 通讯协议32-33
• 3.4.3 硬件设计33-34
• 3.4.4 软件设计34-35
• 3.5 频率输出功能35-37
• 3.5.1 功能简介35
• 3.5.2 硬件设计35-36
• 3.5.3 软件设计36-37
• 3.6 声光报警与断电输出的设计37-39
• 3.6.1 功能简介37
• 3.6.2 硬件设计37-38
• 3.6.3 软件设计38-39
• 3.7 电源的设计39-40
• 3.7.1 功能简介39
• 3.7.2 硬件设计39-40
• 3.8 显示及工作状态指示的设计40-42
• 3.8.1 功能简介40
• 3.8.2 硬件设计40-41
• 3.8.3 软件设计41-42
• 3.9 红外甲烷的测量42-44
• 3.9.1 功能简介42
• 3.9.2 通讯协议42-43
• 3.9.3 硬件设计43
• 3.9.4 软件设计43-44
• 3.10 外壳的结构要求44
• 3.11 小结44-46
• 第四章 煤矿智能红外甲烷传感器综合功能软件实现46-63
• 4.1 单片机程序设计思路46-47
• 4.2 传感器功能实现的思路47-49
• 4.3 变量初始化49-50
• 4.3.1 宏定义49
• 4.3.2 结构体49-50
• 4.3.3 共用体50
• 4.4 单片机及外设初始化50-54
• 4.5 传感头预热54-55
• 4.6 参数判断55-56
• 4.7 读传感头及数据显示56-57
• 4.8 传感头数据处理57-58
• 4.9 RS485 通讯处理58-59
• 4.10 红外遥控校准处理59-61
• 4.10.1 传感器红外遥控校准操作59-60
• 4.10.2 传感器校准算法60-61
• 4.11 单片机程序的调试方法61
• 4.12 小结61-63
• 第五章 煤矿智能红外甲烷传感器主要功能性能测试63-67
• 5.1 RS485 通讯的测试63-64
• 5.1.1 测试目的63
• 5.1.2 测试条件63
• 5.1.3 测试项目及测试结果63-64
• 5.2 红外遥控测试64-65
• 5.2.1 测试的目的64
• 5.2.2 测试条件64
• 5.2.3 测试项目及测试结果64-65
• 5.3 传感器测量精度测试65-66
• 5.3.1 测试目的65
• 5.3.2 测试条件65
• 5.3.3 测试项目及测试结果65-66
• 5.4 小结66-67
• 第六章 总结与展望67-68
• 致谢68-69
• 参考文献69-71
• 研究生阶段参与的主要项目71-72

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