基于AT89S52单片机的煤矿瓦斯监测系统的研制
摘要
能源工业是国家经济发展的命脉，近年来，随着石油资源的紧张、石油价格的飚升，煤炭行业的重要地位和不可替代性也日益显现。然而，中国煤炭行业的安全生产形势却不容乐观，尤其是重、特大伤亡事故屡见报端。在这些事故中，瓦斯爆炸又占绝大多数。这其中，固然有很多诱发因素，但各煤矿生产企业安全监测设备不完备、管理手段落后是造成事故频发的重要原因之一。
本课题采用镇江中煤电子有限公司研发的无火焰燃烧式气体传感器，以AT89S52单片机作为硬件电路核心，研制煤矿瓦斯(CH4)监测系统，开发出实现对CH4的识别、浓度监测、阈值报警以及实时上传数据至地面监控PC，通过串口通讯软件界面显示。
论文首先阐述了CH4监测系统的发展及现状，通过对无火焰燃烧式CH4传感器的原理分析确立了系统的研发方向；接着介绍了监测系统的设计要求，由于煤矿井下工作环境特殊，空间狭窄，湿度大，有易燃易爆的瓦斯和煤尘，所以，煤矿电气设备必须符合防爆要求，应有接地、过流、漏电保护装置。在此基础上，详细论述了瓦斯气体监测系统的硬件电路设计与系统软件设计及实用分析。本课题采用具有较高性价比的单片机AT89S52构成煤矿气体监测系统的核心部分，根据气体传感器测量的信号，实现对CH4的成分识别和浓度测量；使用按键面板输入外部命令；采用ATMEL公司的Data Flash存储器AT24C02存储设定的参数及大量的测量数据；采用RS—485协议，实现数据远传，由地面串口通讯软件接收处理。串口通讯软件对单片机而言意义重大，不但可以实现将单片机的数据传输到电脑端，而且能实现电脑对单片机的控制。本文设计开发的串口通讯软件，是煤矿气体监测系统标定及其与PC机之间通讯的配套工具。基于串口通讯协议，使用该软件可以通过PC机实时监控煤矿气体监测系统的运行状态，读取系统存储器中的数据，并可实时显示系统监测到的不同环境下的气体浓度，运用PC强大的数据处理能力分析保存数据，并通过串口通讯软件将所测量的结果显示到软件界面，便于工作人员更直观地了解井下的工况，实施相应处理与控制。
Energy industry is the vitals of our country's economy development. In recent years, in company with petroleum resources shortage、petroleum prices grow rapidly. The importance and unsubstitutability of coal industry increase everyday. But Chinese coal industry safety in production refuse optimism, as serious casualty repeatedly appeared in the newspaper. Gas explosion occupy the most part of those accident. It is sure that many factors caused that, but each colliery enterprise's lack of safety monitoring equipment、ladder of management lag are the one of substantial reasons.
The dissertation adopt fireless burning gasses sensor that designed by Zhenjiang Zhongmei electronic company, developed a instrument that can detect the CH4 aerometry, as well as whether the consistency reach the alarm threshold, then send the data to the monitoring PC, use the powerful data analysis ability of PC and grey theory to forecast the CH4 aerometry. First of all, the dissertation expounds the development and actuality of CH4 instrumentation. Then introduce the design requirement of the instrumentation, because colliery's underground working environment's high humidity、has flammable and detonable gasses and smut, particularly with other location's working environment, so the electric installation must conform blast protection requirement and must have grounding、overflowing、creepage protector. At third chapter, the dissertation elaborated the CH4 detection instrument's hardware and software. The whole detection instrument's hardcore is SCM AT89S52, according to the signal detected by the gas sensor to identify the ingredient of the air and the Use eight LED nixie tube to display the gas consistency of CH4. Use keyboard panel to input the external command; Adopt Data Flash AT24C02 produced by ATMEL to store the parameters and substantive data. Use eight LED nixie tube to display the gas consistency. Under the PC controlled mode, adopt RS—485 protocol to realize the data being sent to the serial port communication software. The serial port communication software means lot to the SCM, not only realized data transfer, but also realize the SCM be controlled by PC. The serial port communication software is the useful tool for the instrument calibration and communication between SCM and PC. Base on the serial port communication protocol, the using of software could monitoring the status of the gas detection instrument all the time, fetch stored data in the flash, and can show the real-time CH4 value, so the worker can know the environment's status all the time.
本课题采用镇江中煤电子有限公司研发的无火焰燃烧式气体传感器，以AT89S52单片机作为硬件电路核心，研制煤矿瓦斯(CH4)监测系统，开发出实现对CH4的识别、浓度监测、阈值报警以及实时上传数据至地面监控PC，通过串口通讯软件界面显示。
论文首先阐述了CH4监测系统的发展及现状，通过对无火焰燃烧式CH4传感器的原理分析确立了系统的研发方向；接着介绍了监测系统的设计要求，由于煤矿井下工作环境特殊，空间狭窄，湿度大，有易燃易爆的瓦斯和煤尘，所以，煤矿电气设备必须符合防爆要求，应有接地、过流、漏电保护装置。在此基础上，详细论述了瓦斯气体监测系统的硬件电路设计与系统软件设计及实用分析。本课题采用具有较高性价比的单片机AT89S52构成煤矿气体监测系统的核心部分，根据气体传感器测量的信号，实现对CH4的成分识别和浓度测量；使用按键面板输入外部命令；采用ATMEL公司的Data Flash存储器AT24C02存储设定的参数及大量的测量数据；采用RS—485协议，实现数据远传，由地面串口通讯软件接收处理。串口通讯软件对单片机而言意义重大，不但可以实现将单片机的数据传输到电脑端，而且能实现电脑对单片机的控制。本文设计开发的串口通讯软件，是煤矿气体监测系统标定及其与PC机之间通讯的配套工具。基于串口通讯协议，使用该软件可以通过PC机实时监控煤矿气体监测系统的运行状态，读取系统存储器中的数据，并可实时显示系统监测到的不同环境下的气体浓度，运用PC强大的数据处理能力分析保存数据，并通过串口通讯软件将所测量的结果显示到软件界面，便于工作人员更直观地了解井下的工况，实施相应处理与控制。
Energy industry is the vitals of our country's economy development. In recent years, in company with petroleum resources shortage、petroleum prices grow rapidly. The importance and unsubstitutability of coal industry increase everyday. But Chinese coal industry safety in production refuse optimism, as serious casualty repeatedly appeared in the newspaper. Gas explosion occupy the most part of those accident. It is sure that many factors caused that, but each colliery enterprise's lack of safety monitoring equipment、ladder of management lag are the one of substantial reasons.
The dissertation adopt fireless burning gasses sensor that designed by Zhenjiang Zhongmei electronic company, developed a instrument that can detect the CH4 aerometry, as well as whether the consistency reach the alarm threshold, then send the data to the monitoring PC, use the powerful data analysis ability of PC and grey theory to forecast the CH4 aerometry. First of all, the dissertation expounds the development and actuality of CH4 instrumentation. Then introduce the design requirement of the instrumentation, because colliery's underground working environment's high humidity、has flammable and detonable gasses and smut, particularly with other location's working environment, so the electric installation must conform blast protection requirement and must have grounding、overflowing、creepage protector. At third chapter, the dissertation elaborated the CH4 detection instrument's hardware and software. The whole detection instrument's hardcore is SCM AT89S52, according to the signal detected by the gas sensor to identify the ingredient of the air and the Use eight LED nixie tube to display the gas consistency of CH4. Use keyboard panel to input the external command; Adopt Data Flash AT24C02 produced by ATMEL to store the parameters and substantive data. Use eight LED nixie tube to display the gas consistency. Under the PC controlled mode, adopt RS—485 protocol to realize the data being sent to the serial port communication software. The serial port communication software means lot to the SCM, not only realized data transfer, but also realize the SCM be controlled by PC. The serial port communication software is the useful tool for the instrument calibration and communication between SCM and PC. Base on the serial port communication protocol, the using of software could monitoring the status of the gas detection instrument all the time, fetch stored data in the flash, and can show the real-time CH4 value, so the worker can know the environment's status all the time.
引文
[1] 毛健全．煤层甲烷资源的开发与利用，贵州地质，1997，14(3)：253—259．
[2] 周军民．耿村煤矿“1．25”特大瓦斯爆炸原因及防范措施．煤矿安全，2001(3)：32—33
[3] 李鸿燕，张立毅基于单片机控制的甲烷浓度报警监控仪电脑开发与应用，2002，15(8)：29-30．
[4] 王君，凌振宝传感器原理及监测技术．长春：吉林大学出版社，2003：267-290．
[5] Liobet E, Brezmes,J, Vilanova K, et al. Qualitative analysis of volatile organic compounds using transient and steady state response of a thick film tin oxide gas sensor array. Sensors and Actuators B, 1997(41) :13-21.
[6] Romain AC, Nicolas,J, Wiertz V et al. Use of a simple tin oxide array to identify five malodors collected in the field. Sensors and Actuators B, 2000(62):73-79.
[7] Nakamoto T, Okazaki N, Monizumi T. High speed active gas/odor sensing system using adaptive control theory. Sensor sand Actuators B, 2000(41):183-188
[8] 李明．NTC热敏电阻用于可燃性气体监测的研究．职大学刊，1997(2)：30-34．
[9] 顾文照．顾月清等．催化燃烧式可燃气体微机化监测技术研究．传感技术学报，1999(1)：63—68．
[10] 刘建周，范健，王小刚等．甲烷催化燃烧反应与甲烷传感器稳定性的研究．煤炭转化，2001，21(1)：87—90．
[11] 肖鸣，陈岱，光干涉法实现CH4浓度的直读式测量．国内科技，1999(2)：37-38．
[12] 白晓东．交叉气体反应对气体检查装备的影响．矿业安全与环保，2002，29(5)：25-26
[13] Wilson DM, De Wceerth S P. Signal processing for improving gas sensor response time. Sensors and Actuators B, 1999(41):63-70.
[14] Ryabtsev S V, Shaposhoink A V, Lukin A N et al. Application of semiconductor gas sensors for medical diagnostics. Sensors and Actuators B, 1999(59):26-29
[15] Hong H K, Shin H W, Yun D H et al. Electronic nose system with micro gas sensor array. Sensors and Actuators B, 1996(36) :338-341.
[16] Hauptmann P, Bomgraeber R, Schroeder J et al. Artificial electronic tongue in comparison to the electronic nose state of the art and trends. 2000 IEEE/EIAInternational Frequency Control Symposium and Exhibition, 2000:22-29.
[17] Pardo M Faglia G, Sberveglieri G et al. Electronic nose for coffee quality control. Instrumentation and Eeasurement Technology Conference, 2001(1):123-127.
[18] 余皓，徐良，林征等．新型多路可燃气体检测电子鼻．仪表技术与传感器，2002(5)：46—49．
[19] 张延松．煤矿井下有害气体的危害及预防．安全，1996(2)：14-16．
[20] 朱经国．可燃气体监测报警器的检定．中国计量，2001(62)：53-53．
[21] 王幸之，单片机应用系统抗干扰技术，北京航空航天大学出版社，1999
[22] Huyberechts G etc. Simultaneous quantification of carbon monoxide and methane in humid air using a sensor array and an artificial neural network. Sensors and Actuators B, 1997(45):123-130
[23] 于不凡，煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册，煤炭工业出版社，2000
[24] Yea B, Osaki T, Sugahara K et al .The concentration estimation of inflammable gases with a semiconductor gas sensor utilizing neural net works and fuzzy inference. Sensors and Actuators B, 1997(41):121-129.
[25] Weiping Yan, Cheng fen Diao, et al .The study of gas sensor array Signal processing with improved BP algorithm. Sensors and Actuators B ,2000(66):283-285
[26] 何立民，MCS-51系列单片机应用系统设计，北京航空航天大学出版社，1999．
[27] 胡大可．MSP430系列FLASH型超低功耗16位单片机．北京航空航天大学出版社，2001：1-169．
[28] 杨振江，孙占彪，王曙梅，布线涛．智能仪器与数据采集系统中的新器件及应用，西安：西安电子科技大学出版社2001：124-138．
[29] 余永权．ATMEL89系列单片机应用技术，北京：北京航空航天大学出版社，2002：218-224．
[30] 孙育才等，ATMEL新型AT89S52系列单片机及其应用，清华大学出版社，2004．1
[31] 季宏锋，吴军辉，徐立鸿．I~2C总线技术及应用实例．自动化与仪表，2002(4)：21-23．
[32] 陈秀玲，周欣，陈黎平．I~2C总线数据传输系统的设计及其应用．微型电脑应用，2003，19(5)：42—45．
[33] 王文兴，颜国正．串行Data Flash存储器及其与单片机的接口．单片机与嵌入式系统应用，2003(1)：41-44．
[34] 安格斯生著．精英科技译串口大全，北京：中国电力出版社，2001：115-232．
[35] 胡大可．单片机C语言程序设计与开发，北京：北京航空航天大学出版社，2003：45-117．
[36] 魏小龙．单片机接口技术及系统设计实例．北京：北京航空航天大学出版社，2002：307一396
[37] Mohamed T, Badawy W. Integrated hardware-software platform for image processing applications. System-on-Chip for Real-Time Applications, 4th IEEE International Workshop，2004．
[38] 黄石红，陈勇，高伟．基于单片微处理器的应用系统的低功耗设计技术．工业控制计算机，2001．14(12)：62—63．
[39] 胡俭波，宋开臣．单片机系统的超低功耗设计．工业控制计算机，2001，(10)：65—68
[40] 郭三明，曹淑娟．新型矿业瓦斯传感器的研制．中国煤炭，2004，30(10)：43—45．
[41] 张铁岗，矿井瓦斯综合治理技术，煤炭工业出版社，2001
[42] David J．Kruglinski Scot Wingo著，希望图书创作室译．北京：北京希望电子出版社，2002：842—920．
[43] 邱公伟，赵祥元，巫淑萍实时控制与智能仪表多微机系统的通信技术(第一版)．北京：清华大学出版社，1996：85-114
[44] 毛楠孙瑛．电子电路抗干扰实用技术．国防工业出版社1996
[45] B&B Electronics. RS-422 and RS-485 Application Note, 1997
[46] .John Goldie, Ten Ways to Bulletproof RS-485 interfaces, National Semiconductor, AN 1057, 1996
[47] Kenneth M. True, Long Transmission Lines and Data Signal quality, National Semiconductor, AN 808, 1992
[48] Uwe Brockelmann, Ted Salazar, Trim the fat off RS-485 designs, 电子产品世界,2000. 8
[49] Maxim产品资料全集CD—ROM，2000年版
[50] 王幸之等，单片机应用系统抗干扰技术，北京航空航天大学出版社，1999
[51] 纪宗南等，单片机外围器件实用于册，北京航空航天大学出版社，2005
[52] 李现勇，Visual C++串口通信技术与工程实践，人民邮电出版社，2004
[2] 周军民．耿村煤矿“1．25”特大瓦斯爆炸原因及防范措施．煤矿安全，2001(3)：32—33
[3] 李鸿燕，张立毅基于单片机控制的甲烷浓度报警监控仪电脑开发与应用，2002，15(8)：29-30．
[4] 王君，凌振宝传感器原理及监测技术．长春：吉林大学出版社，2003：267-290．
[5] Liobet E, Brezmes,J, Vilanova K, et al. Qualitative analysis of volatile organic compounds using transient and steady state response of a thick film tin oxide gas sensor array. Sensors and Actuators B, 1997(41) :13-21.
[6] Romain AC, Nicolas,J, Wiertz V et al. Use of a simple tin oxide array to identify five malodors collected in the field. Sensors and Actuators B, 2000(62):73-79.
[7] Nakamoto T, Okazaki N, Monizumi T. High speed active gas/odor sensing system using adaptive control theory. Sensor sand Actuators B, 2000(41):183-188
[8] 李明．NTC热敏电阻用于可燃性气体监测的研究．职大学刊，1997(2)：30-34．
[9] 顾文照．顾月清等．催化燃烧式可燃气体微机化监测技术研究．传感技术学报，1999(1)：63—68．
[10] 刘建周，范健，王小刚等．甲烷催化燃烧反应与甲烷传感器稳定性的研究．煤炭转化，2001，21(1)：87—90．
[11] 肖鸣，陈岱，光干涉法实现CH4浓度的直读式测量．国内科技，1999(2)：37-38．
[12] 白晓东．交叉气体反应对气体检查装备的影响．矿业安全与环保，2002，29(5)：25-26
[13] Wilson DM, De Wceerth S P. Signal processing for improving gas sensor response time. Sensors and Actuators B, 1999(41):63-70.
[14] Ryabtsev S V, Shaposhoink A V, Lukin A N et al. Application of semiconductor gas sensors for medical diagnostics. Sensors and Actuators B, 1999(59):26-29
[15] Hong H K, Shin H W, Yun D H et al. Electronic nose system with micro gas sensor array. Sensors and Actuators B, 1996(36) :338-341.
[16] Hauptmann P, Bomgraeber R, Schroeder J et al. Artificial electronic tongue in comparison to the electronic nose state of the art and trends. 2000 IEEE/EIAInternational Frequency Control Symposium and Exhibition, 2000:22-29.
[17] Pardo M Faglia G, Sberveglieri G et al. Electronic nose for coffee quality control. Instrumentation and Eeasurement Technology Conference, 2001(1):123-127.
[18] 余皓，徐良，林征等．新型多路可燃气体检测电子鼻．仪表技术与传感器，2002(5)：46—49．
[19] 张延松．煤矿井下有害气体的危害及预防．安全，1996(2)：14-16．
[20] 朱经国．可燃气体监测报警器的检定．中国计量，2001(62)：53-53．
[21] 王幸之，单片机应用系统抗干扰技术，北京航空航天大学出版社，1999
[22] Huyberechts G etc. Simultaneous quantification of carbon monoxide and methane in humid air using a sensor array and an artificial neural network. Sensors and Actuators B, 1997(45):123-130
[23] 于不凡，煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册，煤炭工业出版社，2000
[24] Yea B, Osaki T, Sugahara K et al .The concentration estimation of inflammable gases with a semiconductor gas sensor utilizing neural net works and fuzzy inference. Sensors and Actuators B, 1997(41):121-129.
[25] Weiping Yan, Cheng fen Diao, et al .The study of gas sensor array Signal processing with improved BP algorithm. Sensors and Actuators B ,2000(66):283-285
[26] 何立民，MCS-51系列单片机应用系统设计，北京航空航天大学出版社，1999．
[27] 胡大可．MSP430系列FLASH型超低功耗16位单片机．北京航空航天大学出版社，2001：1-169．
[28] 杨振江，孙占彪，王曙梅，布线涛．智能仪器与数据采集系统中的新器件及应用，西安：西安电子科技大学出版社2001：124-138．
[29] 余永权．ATMEL89系列单片机应用技术，北京：北京航空航天大学出版社，2002：218-224．
[30] 孙育才等，ATMEL新型AT89S52系列单片机及其应用，清华大学出版社，2004．1
[31] 季宏锋，吴军辉，徐立鸿．I~2C总线技术及应用实例．自动化与仪表，2002(4)：21-23．
[32] 陈秀玲，周欣，陈黎平．I~2C总线数据传输系统的设计及其应用．微型电脑应用，2003，19(5)：42—45．
[33] 王文兴，颜国正．串行Data Flash存储器及其与单片机的接口．单片机与嵌入式系统应用，2003(1)：41-44．
[34] 安格斯生著．精英科技译串口大全，北京：中国电力出版社，2001：115-232．
[35] 胡大可．单片机C语言程序设计与开发，北京：北京航空航天大学出版社，2003：45-117．
[36] 魏小龙．单片机接口技术及系统设计实例．北京：北京航空航天大学出版社，2002：307一396
[37] Mohamed T, Badawy W. Integrated hardware-software platform for image processing applications. System-on-Chip for Real-Time Applications, 4th IEEE International Workshop，2004．
[38] 黄石红，陈勇，高伟．基于单片微处理器的应用系统的低功耗设计技术．工业控制计算机，2001．14(12)：62—63．
[39] 胡俭波，宋开臣．单片机系统的超低功耗设计．工业控制计算机，2001，(10)：65—68
[40] 郭三明，曹淑娟．新型矿业瓦斯传感器的研制．中国煤炭，2004，30(10)：43—45．
[41] 张铁岗，矿井瓦斯综合治理技术，煤炭工业出版社，2001
[42] David J．Kruglinski Scot Wingo著，希望图书创作室译．北京：北京希望电子出版社，2002：842—920．
[43] 邱公伟，赵祥元，巫淑萍实时控制与智能仪表多微机系统的通信技术(第一版)．北京：清华大学出版社，1996：85-114
[44] 毛楠孙瑛．电子电路抗干扰实用技术．国防工业出版社1996
[45] B&B Electronics. RS-422 and RS-485 Application Note, 1997
[46] .John Goldie, Ten Ways to Bulletproof RS-485 interfaces, National Semiconductor, AN 1057, 1996
[47] Kenneth M. True, Long Transmission Lines and Data Signal quality, National Semiconductor, AN 808, 1992
[48] Uwe Brockelmann, Ted Salazar, Trim the fat off RS-485 designs, 电子产品世界,2000. 8
[49] Maxim产品资料全集CD—ROM，2000年版
[50] 王幸之等，单片机应用系统抗干扰技术，北京航空航天大学出版社，1999
[51] 纪宗南等，单片机外围器件实用于册，北京航空航天大学出版社，2005
[52] 李现勇，Visual C++串口通信技术与工程实践，人民邮电出版社，2004