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瓦斯气体浓度控制系统

11
2020年4月19日
文档仅供参考

计算机控制系统设计性实验报告

学生姓名:
邱博
学 号：
20
学 院:
自动化工程学院
班 级:
自动133
题 目:
瓦斯气体浓度控制系统

目录
1. 选题背景 4
2. 方案论证 5
3. 过程论述 6
3.1传感器的选择 6
3.2  A/D转换电路 6
3.3 控制电路 7
3.4 数码管显示电路 7
3.5 D/A转换器和执行机构 8
3.6 总电路图 8
3.7 系统程序框图 9
4. 结果分析 10
5. 总结 10
6. 心得体会 10
参考文献 11

1.选题背景
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，可是依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与煤层之中的气体，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。瓦斯浓度在4﹪以下是安全的，大于4﹪就会引发爆炸很危险。控制通风系统工作，保证环境安全稳定。
　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，因此在这里设计一款瓦斯气体浓度浓度控制系统，其控制算法对气体浓度有预判性，经过气体传感器技术，将检测到的瓦斯气体浓度和标准值进行比较，当高过一定浓度的时候控制排风扇对矿井进行通风排气，避免发生安全事故。因资源有限，故只能在proteus软件中进行仿真模拟。

2. 方案论证
被控对象
传感器
A/D转换
单片机
D/A转换
放大器
执行机构
数码管显示电路
本设计的瓦斯气体浓度控制器由六个部分组成：传感器、数码管、控制电路、A/D转换器，D/A转换器和执行机构。传感器部分采用气体传感器，能感知环境中某种气体，并将与气体种类和浓度有关的信息转换成电信号，这种电信号是连续变化的模拟信号，需要经过A/D转换将其转化离散的数字信号，然后送给控制机构。控制电路以单片机为核心，能够对采集的数字信号进行处理和判断，运用一定的算法计算出待检测气体成分及浓度并送到数码管显示出来。当检测气体浓度超出设定值时，执行机构动作，驱动排气风扇，将气体进行置换，以降低瓦斯的浓度至安全值。本系统能够对检测的数据和设定的阀值参数进行存储并自备电源。系统框图如图1所示。

图1
该瓦斯浓度控制器是一种操作方便、电路设计新颖、控制能力强、参数测量准确、成本低、结构简单的瓦斯浓度控制器。它有测量范围宽、精度高的优点，且具有自动控制瓦斯浓度为定值的功能。

3. 过程论述
3.1传感器的选择
甲烷传感器采用MQ-4气敏传感器，用于探测采集瓦斯的浓度。它在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度，对甲烷的灵敏度较高，其次其寿命长、成本低，单价只有一元，使用简单的电路即可驱动。其主要技术指标及结构图如图2、图3所示。

图2 图3

3.2  A/D转换电路
由于MQ-4传感器的输出信号为模拟电压信号，要想将采集到得数据送至单片机系统进行数据处理则需要将模拟信号转换成数字信号，因此在这里我们还要选用ADC0808芯片进行模数转换处理。ADC0808是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行A/D转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它能够根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。

3.3 控制电路
控制电路的主体为AT89C51型单片机，AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C51是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器能够重复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 

3.4 数码管显示电路
LED数码显示器是一种由LED发光二极管组合显示字符的显示器件。它使用了8个LED发光二极管，其中7个用于显示字符，1个用于显示小数点，故称之为7段发光二极管数码显示器。
这里用MAX7219和三个数码管实现3位动态显示电路，数码管采用共阳极接法。由于采用动态显示，因此除了要给显示器提供显示段码之外，还要对显示器进行位的控制，即一般所说的“段控”和“位控”。因此对于采用动态显示的电路来说，单片机都需要提供两种输出口，一种用于输出显示段码，另一种用于输出位控信号。“位控”实际上就是对LED显示器的公共端进行控制，位控信号的数目与显示器的位数相同。

3.5 D/A转换器和执行机构
DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。
为了简化电路，将DAC0832配置为直通式工作方式，单片机的数字量输出信号经过D/A转换器转化为模拟量输出信号，并经过这个信号控制排风扇的电机转动，这样就构成了整个电路的执行机构。

3.6 总电路图

总电路图如图4所示。

图4

3.7 系统程序框图

主程序流程图如下图所示。
开始

系统初始化

设定给定值

数据采集处理

浓度判断

正常

超值
执行器动作

数据回传
动态显示

4. 结果分析
本系统软件设计采用C语言进行编程，充分发挥PIC单片机内部资源优势；同时所编写的程序可读性和可移植性较好，提高系统开发和调试效率。
程序由主程序和多个可调用的子程序构成。设备一旦开始工作，单片机及相关外围元件开始初始化，然后对各个变量参数设定初始值或者设定值，
主程序进入了执行阶段;然后对所监控的矿井环境中的瓦斯浓度开始采集，经过A/D转化器处理和传输，再把信号传送到单片机内部的模拟比较器，与设定值进行比较。若瓦斯浓度高于设定值，系统则会驱动执行机构动作，同时，瓦斯浓度能够在3段8位的LED数码管上动态显示。

5. 总结
基于C51单片机的智能瓦斯浓度控制系统实现了对煤矿井下瓦斯浓度的准确、快速、实时监测和控制，不但能够实时分析、处理数据，还能够经过控制排风扇的动作实现矿井内瓦斯气体浓度维持在安全值。该设备可靠性高、检测精度高、稳定性强，能够显著提高煤矿企业相关监测部门的管理水平和工作效率。

6. 心得体会
回顾起此次设计实验，至今我仍感慨颇多。的确，从选题到定稿，从理论到实践，在整整一个星期的日子里，能够说得是苦多于甜，可是能够学到很多很多的的东西，同时不但能够巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。经过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，能够说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，对单片机的许多知识还掌握得不好，这次设计实验过后，一定把以前所学过的知识重新温故。
参考文献
[1].朱高中 基于单片机的矿井瓦斯浓度监测系统的研究 [J]. 仪表技术与传感器. (11)
[2].兰建军，伦向敏，关硕. 单片机原理，应用与Proteus仿真 [M]. 机械工业出版社， .02
[3].杨宁，胡学军. 单片机与控制技术 [M] . 北京：北京航空航天大学出版社，  
[4].王瑜瑜. 基于单片机控制的酒精浓度检测系统的设计. 西安 西安航空职业技术学院,
[5]. 段现星.土晓侃.魏新华. 基于PIC单片机的智能化瓦斯浓度监测报警仪的研究与设计. 河南机电职业学院，河南新郑