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1、 毕 业 论 文电话自动监控瓦斯报警系统设计 目 录一、 绪论.1二、 系统组成. .4三、 电路原理分析.6（一）直流稳压电源电路.6（二）电路工作原理. . 7（三）气体检测报警过程.12（四）信号显示.15（五）电话监控原理.16四、 整机工作过程. .17五、 总结. .18参考文献.19谢辞. .20一、绪论随着采矿技术的不断发展，井下作业的安全越来越有保障，但是仍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。为避免人为因素造成爆炸事故的发生，开发研制出电话自动监控瓦斯
2、和氧气报警器。它能在瓦斯超限时或在矿井中缺少氧气并低于报警限时进行声光报警，并且自动拨通煤矿安全局主要负责人电话，告知井下瓦斯和氧气超限的实际情况，使安全局主要负责人对矿主、安检员、某些矿的负责人进行监管，督促他们认真贯彻煤矿安全规程，实现电话自动监管功能。该设备还具有强迫显示报警参数和动态显示节能功能，并能方便地观测瓦斯和氧气的含量。它是一种新型的煤矿安全监控设备。煤炭工业是世界经济命脉的重要基础产业.其生产安全一直受到各国政府和社会各阶层的关注。从第一次瓦斯爆炸事故起，大型的事故又在1825年的英国奈尔多煤矿，1906年的法国傅里叶煤矿等地相继发生，而当前,中国煤矿安全生产面临的形势相当严
3、峻，年年都会在全国范围内连接发生几次煤矿生产特大事故-瓦斯爆炸等，煤炭发展问题的关键就变成了煤矿安全问题。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，但是仍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于煤层之中的气体，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/m3，对人体的危害是超时限能引起人窒息死亡。井下作业环境中氧气、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢及甲烷浓度的高低，直接影响到煤矿的安全生产
4、和矿工的生命安全。同时，随着各种天然气、煤制气、液化气的开发和使用,各种可燃性气体散发在工作场所和人们生活中，因此连续、直接检测工作环境和生活环境中有毒气体、可燃性气体有着极其重要的意义。目前，气体检测大多采用单气体检测方式，即每测量一种气体需要携带一种测量仪表。研制能用一种仪器同时检测多种不同气体是气体检测仪的发展趋势,即进行多参数测量,多种气体检测,实现对多种气体种类的识别和浓度的判断,从而更全面地反映被测气体在特定环境中所显示的特性。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
5、水，属于易燃易爆气体。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，因此对瓦斯气体的检测和报警是一项必要的工作。瓦斯报警是指利用气体传感器技术，将检测到的瓦斯气体浓度和标准值进行比较，当高过一定浓度值时候进行相应的声光报警，提醒正在作业的人员进行相应的处理，组织人员撤离或对矿井通风排气，避免不安全事故的发生，对现在采矿业的安全起着非常重要的作用。目前，在利益的驱使下，某些矿主或是领导利欲熏心，不顾矿工生命安全，在瓦斯严重超限和氧气缺乏时仍让职工生产；还有某些安检员责任心不强，擅自脱离岗位，瓦斯超限和氧气缺乏时不报告，这些都成为当前瓦斯发生爆炸和影响矿工安全的最主要的人为因素。瓦斯检测
6、仪器是随着煤炭工业发展而发展的，由于采矿工业一开始就伴随着与瓦斯事故的斗争，因此很早就出现了瓦斯浓度的仪器1。1815年，当时工业最发达的英国发明了第一项安全仪器安全灯。它是利用火焰的高度测量瓦斯的浓度。由于安全灯的构造简单，性能稳定，使用寿命长，一百多年来一直被沿用下来，至今仍在许多国家使用。从1675年英国北威尔士欣煤矿发生的第一次瓦斯爆炸矿难起，世界各国开始更进一步关注对瓦斯检测报警的相关安全研究，一直以来，光干涉瓦斯检定器在我国和日本使用比较广泛，自20世纪30年代以来，已经连续使用了数十年，至今仍在某些矿井的瓦斯检测中使用。目前，在瓦斯检测仪总占主导地位的是催化瓦斯检测仪，据最早文献
7、记载，1943年以前美国已制成VCC瓦斯测量仪，后日本在铂丝元件上加上涂有催化剂的载体小珠，制成最早的载体催化元件并利用这种原件制成了北辰型瓦斯指示器。1958年法国Cherchar研究所已研制成功利用AI2O3为载体，钯Pd、钍Th为催化剂的载体催化元件，获得了较好的催化性能。1961年英国矿山安全研究所采用新的工艺，改进了载体催化元件的性能。从此，催化瓦斯传感器进入了其发展过程中的全盛时期。1961年以后，英、美、法、日、德、前苏联等国家又对其进行改进研究，并从此作为瓦斯检测的主要工作方向。我国催化型瓦斯传感器的研究工作起步稍晚，大至可以分为三个阶段。第一阶段工作，国内第一台催化原理的瓦斯
8、报警器是1958年出现，采用铂丝元件位传感器，。1961年由北京劳动保护研究所和抚顺煤矿安全仪器厂协作开展了研究工作。1964年研制出我国第一个达到实用水平的载体催化元件，接着制成了以这种原件喂传感器的AQR-1型瓦斯测量仪。 在此以后，湖南、四川、上海、西安等地也相继开展了这类传感器的研究工作；第二阶段工作以1973年重庆煤矿安全仪器厂等五个单位协作研究为代表，在前段工作的基础上改进配方和工艺，提高原件的稳定性，与1975年研制成长期连续监测瓦斯的AYJ-1型瓦斯遥测报警仪，随后国内各个矿业研究所相继研制出ABD-1型瓦斯断电报警仪，AQD-1型采煤瓦斯断电控制仪等。1974年3月到1975
9、年1月，煤炭部曾组织载体催化元件的技术攻关，大大推动了元件的研究与发展；第三阶段工作，最近几年在大力推进元件生产机械化工艺的同时，开展了提高载体催化元件性能的研究工作。通过国家重点科技攻关，进一步研究元件的工作特性、元件催化剂和载体在工作过程中的变化规律等问题，努力提高载体催化元件的稳定性，力图为载体催化元件的经一步发展开辟道路。在瓦斯检测报警器的内部结构中，传感器为一项主要的部件。由于传感器是获取信息的工具，是信息技术（包括传感与控制技术、通讯技术和计算机技术）的三大支柱之一，位于信息系统的最前端，其特性的好坏、输出信息的可靠性对整个系统质虽至关重要，因此目前，世界各国一直把发展智能化传感器
10、作为研究课题，投入大量人力物力进行开发研究。智能传感系统与传统传感器相比，具有高精度、高可靠性、高性能价格比、多功能化等优点，它代表了传感器的发展方向，是传感器克服自身落后向前发展的必然趋势。经过几十年不断的研究，载体催化元件逐步成熟并占据矿井瓦斯和多种可燃可爆气体检测领域的首位。当前国内批量生产的瓦斯測量仪、报警仪、断电仪和遥测仪有近20种，还有混合可燃气体渊量仪、高能燃枓报5器和家庭煤气报5器等。然而现场并不满足目前元件已达到的性能指标，迫切需要提供更好的元件，其中特别要求进一步提离元件的长期稳定性和延长使用寿命2。据文献介绍，美国安全仪器主要制造厂MSA公司研制了多参数检测系统并取得了成
11、果，该系统可以检测矿井甲烷、风速、压差、一氧化碳和温度。其中甲烷传感器采用载体催化元件。整个系统由计算机控制，可监测数百到数千个工作点的环境参数，井下井上有数字显示和报警装置，地面调度室有屏幕显示和记录。英国Sieger公司研制的袖珍式个人携带瓦斯警报器已经完成了样机试制。英国矿山安全研究所提出，研制防毒性能良好的载体催化元件是该所今后的发展重点。波兰瓦斯监控中心推出的CMC一1型瓦斯监控系统采用井上直接供电系统，保证切断井下电源后仪器仍能照常工作。据介绍，波兰1988年以前主要发展CMC1型系统，1988年以后主要发展DRS4型系统。它是一种新型的煤矿安全监控设备。以下对它的组成结构和工作原
12、理进行介绍、并对其电路进行分析。可以使报警更准确，更及时，继而促使煤炭企业加大安全投入，有效遏止事故发生，有效地保护煤炭资源，又降低了整个行业的风险程度，加大了煤炭企业安全生产的压力，也可以保证良好的经济效益，保护了从业人员的安全与利益，也大大减轻了以往煤矿事故发生后各级政府进行的大量事后工作，使政府从烦乱的事故处理中解脱出来，提高工作效率。从更大的方面说，可以在保证安全生产的前提下，提高安全投入水平的同时，使安全投入所带来的效益超过安全投入所发生的成本，树立一种科学的安全发展观。二、系统组成图2-1为该报警仪的组成框图：它由直流稳压电源、瓦斯传感器、氧气传感器、信号放大器、电压比较器、控制门
13、电路、声光报警电路、显示选择电路、数字显示系统、电话自动监控电路组成。图2-1 电话自动监控瓦斯氧气报警器组成框图该系统由两台DRS4型计算机控制，共有128个测头。由此可以看出，当前国际催化型传感器的主要发展方向，首先是在运用中分别向适应小型化个人携带仪器和大型计算机控制系统的方向发展。这就是说，要研制低功耗、高稳定性、长寿命、连续使用的元件。在这些要求中，努力提高元件的稳定性、延长使用寿命是中心课题。另一个发展方向是研究抗毒能力强的元件。由于采用筛选催化剂配方和改进工艺的方法提髙稳定性已经收获不大了。必须进一步在研究工作中探索元件催化剂及载体的变化规律，找出引起活性下降的根本原因，为此需要
14、深入研究催化剂价态、颗粒大小、表面状态及载体的晶型变化和顆粒大小变化，而这种深入的研究采用以前的检验手段已经不行了，必须采用先进的技术，进入催化剂的微观世界，探索其变化规律，目前与此有关的现代分析技术主要有光电子能谱、扫描电子显微镜、X射线衍射、电子顺磁共振等技术，虽然世界各国在此方面的研究不同程度的都有了些许初步的成果，但是其研究工作具有一定的探索性，关于深入研究元件工作过程中催化剂和载体变化规律的研究报告或文章，却少见发表。我国在1996年时，煤炭部组织进行了全国元件主要生产厂的元件性能检测，各单位送检的元件都是本单位测试合格的元件，但是由煤炭部规定的元件零点变化和灵敏度变化量的技术规范指
15、标与英国Sieger公司SG11的元件进行比较后，反映出我国目前元件生产的一般水平。此后国内一直在提高元件稳定性和进一步提高元件寿命方面深入研究。而近年，我国科研工作人员一直针对催化元件传感器元件长时间工作时存在零点漂移和灵敏度变化，影响检测系统可靠性的现象，致力于改进和提高催化传感器的稳定性，目前研究出三项新技术：催化传感元件动态配对工艺、新型检测方法和传感器灵敏度自动调校方法。采用以上三种新技术研制的瓦斯传感器与采用常规技术的瓦斯传感器的实验对比表明，零点漂移得到较大抑制，并且对催化传感器灵敏度实行自动调校的处理后，传感器在间断通气的使用寿命下，基本上可以不需要人工对灵敏度进行调整。为此，
16、我国的热催化瓦斯元件传感器的性能提高了很大一步，有着跨越式发展3。总体上看，国内外的瓦斯智能报警系统都在不断进行着跟新。而由于瓦斯浓度过高引起爆炸的事故一直居高不下，以至于煤矿对监控系统的需求也越来越大，据中国煤炭报统计，全国共有大小煤矿60000多个，从业矿工800多万。根据煤矿三班作业的实际情况，目前至少需要300万个瓦斯报警器，可见其市场之广阔。但由于某些技术上的不足，导致一些关键问题没有能够解决。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，因此对瓦斯气体的检测和报警是一项必要的工作。瓦斯报警是指利用气体传感器技术，将检测到的瓦斯气体浓度和标准值进行比较，当高过一定浓度值时候
17、进行相应的声光报警，提醒正在作业的人员进行相应的处理，组织人员撤离或对矿井通风排气，避免不安全事故的发生，对现在采矿业的安全起着非常重要的作用。本文所设计一种低成本的可燃性气体报警器设计，能够监控矿井的瓦斯气体的浓度，显示测量结果，并对当前的环境状态做出判断，发出报警信息。因此结合微处理技术研制新型的智能瓦斯监控报警系统将是现在乃至今后的世界面临的重要问题在煤矿井下生产环境中，需要对瓦斯、一氧化碳等环境参数进行监测。现有的监测设备，都是采用数字显示或灯光显示的方式来提供测试数据的，这在环境狭窄、能见度差的井下工作面很不方便。采用直接的语音播报方式，可以主动向现场人员提供各种信息，遇到危险情况还
18、能作为紧急广播使用。这对于提高安全意识、避免重大伤亡事故具有重要意义。为避免人为因素造成爆炸事故的发生，开发研制出电话自动监控瓦斯和氧气报警器。它能在瓦斯超限时或在矿井中缺少氧气并低于报警限时进行声光报警，并且自动拨通煤矿安全局主要负责人电话，告知井下瓦斯和氧气超限的实际情况，使安全局主要负责人对矿主、安检员、某些矿的负责人进行监管，督促他们认真贯彻煤矿安全规程，实现电话自动监管功能。在瓦斯检测报警器的内部结构中，传感器为一项主要的部件。由于传感器是获取信息的工具，是信息技术（包括传感与控制技术、通讯技术和计算机技术）的三大支柱之一，位于信息系统的最前端，其特性的好坏、输出信息的可靠性对整个系
19、统质虽至关重要，因此目前，世界各国一直把发展智能化传感器作为研究课题，投入大量人力物力进行开发研究。智能传感系统与传统传感器相比，具有高精度、高可靠性、高性能价格比、多功能化等优点，它代表了传感器的发展方向，是传感器克服自身落后向前发展的必然趋势。该设备还具有强迫显示报警参数和动态显示节能功能，并能方便地观测瓦斯和氧气的含量。三、电路原理分析（一）直流稳压电源电路图3-1为直流稳压电源电路。直流电源由变压器、整流滤渡、稳压电路和负电源变换电路组成。其工作原理是：变压器把220V的交流电压变为9V的交流电压，经桥式整流、电容滤波、L7805集成稳压器输出5V的直流电压。为其它各部分电路提供5V直
20、流电源。另经稳压管DW2稳压电路输出2.8V电压为传感器提供电源，还有一路稳压DW1管输出2.5V电压为电压比较器提供参考电压。5V直流电源经负电源变换电路7660直接输出-5V电压，为数字显示系统提供-5V电源控制电路的核心元件采用了AT89LV51低电压单片机，传感器采用MQ5气体传感器，为减少单片机端口的占用和进一步扩展其它功能A/D转换部分采用TI公司的TLC1543，LCD显示采用的是dm12232f，A/D转换和LCD都是通过串行方式与单片机相连接，声光报警器电路使用的是蜂鸣器和发光二极管进行报警，这种设计可以满足不同场合的应用，测试结果稳定可靠，10位TLC1543的A/D转换芯
21、片能够满足系统测量的精度要求。 图3-1直流稳压电源电路原理图(二)电路工作原理如图3-2所示。传感器、信号放大器、电压比较器、声光报警电路工作原理：瓦斯传感器的作用是把瓦斯浓度的变化变为电信号的变化。该瓦斯传感器具有很高的灵敏度和测量范围，测量误差小。红外气体传感器和电化学传感器分别对氧气、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢和甲烷五种气体进行检测。其中，二氧化碳和甲烷采用红外传感器检测，氧气、一氧化碳、硫化氢由电化学传感器检测。被测气体通过两类传感器时产生的信号经放大、A/D转换后，由微处理器进行采集、计算、数据处理产生浓度结果数据，并对数据结果进行超限比较，当被测气体的浓度超过仪器设定的报警限时，
22、仪器产生声光报警，并在显示屏上显示报警状态、故障状态、时间参数等数据信息，同时保存数据结果4。在进气过滤系统中，至少需要1个I/O端口来控制采样泵的工作;在传感器及信号处理单元，经过A/D转换电路把传感器产生的关于气体浓度的有关信息转化为单片机能识别的数字信号，选择8路输入的ADC0809芯片;在显示模块中，采用KS0713液晶显示器，需要单片机提供3个I/O控制端口;时钟的显示系统采用DS12887芯片与单片机进行通讯，需要1个中断输入和1个I/O控制端口;由于系统要存储至少500组测试信息，而且AT89S51单片机只有128KB的RAM，我们外扩8K的外部数据存储器6264;由于系统可以设
23、定报警的限值和变更时间，则需要5个键盘接口，来控制设置、上升、下降、右移和打印，用到5个I/O接口;由于AT89S51单片机接口有限，利用8255A对I/O接口进行扩展。集成运算Al、A2和有关电阻组成两级反相比例放大器作为瓦斯信号的放大器，放大倍数达千倍以上，A2的输出加到电压比较器A3的同相输人端；RW1、R8组成分压器，为电压比较器提供参考电压。参考电压加在A3的反相输入端，发光二极管D1(红灯)、D2(绿灯)和R10、R11组成瓦斯灯光报警指示电路，当瓦斯浓度未超过报警限时，电压比较器A3输出的低电平，使发光二极管D2(绿灯)亮，表示瓦斯浓度未超限。当采矿区瓦斯浓度超限时，电压比较器A
24、3输出高电平，使红灯亮，表示瓦斯浓度超过报警限。同理氧气浓度的超限报警电路与瓦斯支路相同系统采用AT89LV51单片机作为控制部分的核心，AT89LV51是ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4K bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存储器（RAM），兼容标准MCS51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，AT89LV51可在2.76.0V电源电压下工作。A/D转换部分的核心器件TLC1543有三个控制输入端CS、I/O CLOCK、ADDRESS和一个数据输出端DATA OUT遵循串行外设接口SPI协
25、议。51系列单片机未内置SPI接口，但通过软件模拟SPI协议即可。硬件方面将TLC1543的CS、I/O CLOCK、ADDRESS、DATA OUT、EOC五个端口与AT89LV51的5个I/O口相连接。报警模块单独采用了蜂鸣器作为声音报警装置，提醒使用人员当前的气体浓度已经超过了警戒线，应该立即停止工作，进行相应的处理，避免危险发生。它和液晶显示器的配合使用，可以有效地提醒工作人员身边的工作环境，帮助工作人员提高安全警惕。在报警模块的电路中当P0.7口的电平是低电平时候，三极管截止；当P0.7口电平为高时候，三极管导通，蜂鸣器产生报警声音。本设计中，由于瓦斯气体的主要成分是甲烷，所以气体传
26、感器采用的是MQ-5，它适用于家庭或工业上对液化气，甲烷（天然气），煤气的监测装置。它具有优良的抗乙醇，烟雾干扰能力，具有对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度；对乙醇，烟雾几乎不响应； 快速的响应恢复特性；长期的使用寿命和可靠的稳定性；简单的测试电路等优点。图3-2 瓦斯传感器、信号放大器、数字显示系统、电压比较器、声光报警电路原理图 二极管D5、D6组成控制门电路，电压比较器A3和电压比较器A6只要有一个输出高电平，二极管D5、D6组成的或门就输出高电平，驱动V1三极管导通，使蜂鸣器发声进行声报警。而且或门输出的高电平经反相器到达电话控制电路的F接线端，启动电话控制电路。从A2放大器输出
27、的瓦斯电信号和A5放大器输出的氧气电信号除进入电压比较器外，还有一路信号进入信号选择电路。再进入数字显示系统。为使报警仪显示清晰的数字而采用数码管显示，我们使用了集A/D转换、计数、译码驱动于一身的大规模集成电路CC7107直接驱动数码管。2.5V电源电压经R28和R29分压，为CC7107内部电路提供基准电压。电容C2、C3和电阻R25为CC7107时钟的定时元件。半导体元件的电阻，由于与气体接触而发生变化，将利用这种现象的传感器，称之为电阻式半导体气敏传感器。这类气敏传感器元件的构造简单，也不需要专门的放大电路来放大信号。由于这些特点，所以它很早被研究，而且已制成商品。元件的种类有：在绝缘
28、基片上用蒸镀或是溅射法制成的薄膜元件（厚度约小于1000?）；把氧化物半导体粉末调制成的浆料印刷到基性的烧结型元件。传感器元件通常在加热条件下才能动作，因此必须有加热装置。把气体敏感膜加热器与温度测量探头集成在一块硅片上，从而制成集成开关电路动作，蜂鸣器和灯泡开始接通。半导体元件，大多在通电初期，阻值暂时变高而产生高输出。这是由于在没有通电时，元件吸着水蒸汽的缘故。一旦通电，元件初始阻值随着温度的上升而变低，随着温度的再次升高，由于水蒸汽的解吸而阻值增加，呈现出一种过渡的现象。为防止这种误报警，通常在通电初期增设防止误报警电路。为防止突发性噪声，机内应装入延迟电路5。A/D转换器有并口输出AD
29、C0809和串行口输出ADC0831。A/D0809的工作过程大致为：首先输入地址选择信号，在ALE信号作用下，地址信号被锁存，产生译码信号，选中模拟量输入。然后输入启动转换控制信号START（不应小于100us）启动转换。A/D转换一开始，芯片内部就立即将结束标志EOC变为低电平，当从CP（CLOCK）引入8个时钟脉冲信号后，A/D转换即告完成，此时EOC变为高电平，同时将数码寄存器的转换结果输入到输出三态缓冲器中，在允许输出信号OE的控制下，在将转换结果输出。混频器的作用是变频（或混频），是将信号频率由一个量值变换为另一个量值的过程。具有这种功能的电路称为变频器（或混频器）。一般用混频器产
30、生中频信号： 混频器将天线上接收到的信号与本振产生的信号混频，当混频的频率等于中频时，这个信号可以通过中频放大器，被放大后，进行峰值检波。检波后的信号被视频放大器进行放大，然后显示出来。由于本振电路的振荡频率随着时间变化，因此频谱分析仪在不同的时间接收的频率是不同的。当本振振荡器的频率随着时间进行扫描时，屏幕上就显示出了被测信号在不同频率上的幅度，将不同频率上信号的幅度记录下来，就得到了被测信号的频谱。一般用混频器产生中频信号： 混频器将天线上接收到的信号与本振产生的信号混频，当混频的频率等于中频时，这个信号可以通过中频放大器，被放大后，进行峰值检波。检波后的信号被视频放大器进行放大，然后显示
31、出来。由于本振电路的振荡频率随着时间变化，因此频谱分析仪在不同的时间接收的频率是不同的。当本振振荡器的频率随着时间进行扫描时，屏幕上就显示出了被测信号在不同频率上的幅度，将不同频率上信号的幅度记录下来，就得到了被测信号的频谱。图3-3 精密检波电路但由于本系统规模较小且要其精度不高，而ADC0809虽然转换速度较快但连线较多，我不予采用，而用连线较少的ADC0831就可以满足要求。A/D转换芯片ADC0831，其工作电压为+5V，采用逐次逼近式转换结构，转换时间与单片机的时钟频率有关。与微处理器接口时只需3根线，DO其中为A/D转换数据串行输出，CLK为时钟信号，CS为片选信号，ADC0831
32、的工作时序如图3-4，图3-4所示，在第二个CLK的下降沿后，DO输出最高位MSB，8个时钟后转换完成。图3-4 ADC0831的工作时序 它主要由单片机系统、瓦斯检测单元、时间信息单元、语言合成单元等组成。其中单片机系统采用89C51单片机，主要负责瓦斯信息的采集处理、时间信息的采集处理以及瓦斯的播报、存放及重播控制。瓦斯检测单元由瓦斯传感器及相应的处理电路组成，将瓦斯浓度转换成2001000Hz的脉频信号，提供给单片机。时间信息产生单元，采用专用时间芯片DS12887，该芯片可提供从秒到年的所有时间信息。由于该芯片内部具有保持电源，在掉电情况下仍能维持时钟长时间运转。播报信息存放单元采用闪
33、速存储器24C16，该芯片具有2K字节的存储容量，且掉电不丢，可长期保留数据。设置和重播控制单元主要由拨码开关和按钮组成，用于报警时限的设定和重播选择。语音合成单元采用新型ISD组件，该组件可直接用代码控制语音的合成和播报。人们通常将能把被测量物理量或化学量转换为与之有确定对应关系的电量输出的装置称为传感器。传感器也叫做变换器、换能器或探测器。传感器输出的信号有不同的形式，如电压、电流、频率、脉冲等，以满足信息的传输处理、记录、显示和控制等要求。传感器是测量装置和控制系统的首要环节。如果没有传感器对原始数据参数进行精确可靠的测量，那么无论是信号或是信息处理，或者是最佳数据的显示和控制，都将成为
34、一句空话。可以说，没有精确可靠的传感器，就没有精确可靠的自动检测和控制系统6。(三)气体检测报警过程 气敏传感器是一种把气体（多数为空气）中的有毒成分检测出来，并将它转换成适当的电信号的器件，如果以人们的感觉器官在作比喻，那么气敏传感器相当于人的鼻子（嗅觉）。但是人的嗅觉在灵敏其感知对象也是多样的。在我们周围，实际上存在的各种各样的气体，它们中的大部分将会成为气敏传感器的检测对象。首先被实际应用的气敏传感器是用于防止可燃性气体（LPG等）爆炸瓦斯泄露报警器。其后，随着环境监测等，又不断地提出研制新型气敏传感器的任务。气敏传感器是化学传感器的一个重要组成部分。这里涉及到用于化学传感器的化学物质的
35、检测原理。为了将化学物质检测出来分类，也就是同物理传感器一样，可分为能量变换式和能量控制式。前者是以被测物质所具有的化学能（化学电势）作为信号源，传感器相当于将化学能变换成电能的变换器（换能器）。所谓半导体气体传感器，是对利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体性质变化，借此来检测气体成分或者测量其浓度的传感器的总称。半导体气敏传感器大体上分为电阻式和非电阻式两种，电阻式半导体气体传感器利用氧化锡、氧化锌等金属材料来制作敏感元件；利用其阻值的变化来检测气体的浓度。气敏元件，有多孔质烧结体、厚膜、以及目前正在研制的薄膜等几种非电阻式半导体传感器。根据气体的吸附和反应，利用半导体的功函数，对气体进
36、行直接的检测3。目前，正在积极开发的有金属/半导体结型二极管和金属栅的MOS场效应晶体管的敏感元件，主要利用它们与气体接触后整流特性以及晶体管作用的变化，制成对表面单位有直接测定的传感器。上电后，单片机首先进行初始化处理，然后从瓦斯探头读取瓦斯含量信息，在瓦斯浓度不越限的情况下，根据瓦斯的浓度值按照预定关系推算下一次的播报时间，并启动播报定时，每当播报时间到，单片机将最新一次采集的瓦斯浓度值转换成代码，控制语音合成单元进行语音播报。同时读取时间信息，并将时间信息和本次播报内容存入播报信息存放单元，以便日后查询和重播。当瓦斯出现越限时，单片机立即进入紧急播报状态，在此期间将每隔30s1min播报
37、一次瓦斯浓度信息，且播报相应的注意事项。当单片机从瓦斯检测单元读取不到脉冲信号或脉冲信号不在正常范围内时，说明瓦斯检测单元出现故障，这时单片机将控制语音合成单元播放瓦斯单元故障信息，以提醒及时处理。瓦斯浓度值的重播是由一组重播按钮来控制的。重播按钮共有3个，其中一个负责向前快速搜索，一个负责向后快速搜索，一个为确认按钮。当查询XX年XX月XX日XX时XX分的瓦斯浓度时，先用快速按钮进行寻找，然后用确认按钮进行重播，当不操作搜索按钮直接操作确认按钮时，将重播最后一次的存放结果。图3-5. MQ-5的结构和外形图3-6. MQ-5的等效电路MQ-5气敏元件的结构和外形如图3-5所示(结构A或B),
38、由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有6只针状管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流设计中MQ-5的接线如图3-5所示，在实际的测量中，可以按照其等效电路来计算相应的校正数值，其中Ro表示的是测量气体在腔体内的等效电阻，RL是外接负载电阻，用来调整输出的模拟量电压范围，具体数值应根据A/D转换器的输入范围来确定，在TLC1543的输入范围是05V，这样RL可调整至该范围，保证测量得量程足够用7。(四)信号显示信号显示选择电路：该监测报警仪能监测甲烷和氧气两个参数，并
39、能方便地观察甲烷、氧气含量的功能，而且具备强迫选择显示突然超过报警限参数的功能。该电路主要由图3-6中的电子开关CD4053、包含二D触发器的CC4013、四二输入与非门CC4011和按钮AN、C1、R24、等组成的信号选择电路工作原理分为两部分。手动信号选择电路工作原理：通过按按扭AN可以非常方便地选择甲烷、氧气含量。由图3-6得知，CC4013中的触发器构成了一个二进制计数器。没按信号选择按扭AN之前，CC4013脚输出低电压，经CC4011内的一个与非门反相后输出高电平，此高电平加到CD4053，使CD4053的一脚输出端选择甲烷信号进入CC7107数显电路进行显示，而且CD4053的一
40、脚输出低电平控制数码管的甲烷的小数点显示，使氧气的小数点不显示；如需要进行氧气含量显示，按一下显示选择按扭AN，给双CC4013的触发器一个脉冲时钟信号，使CC4013的一脚翻转输出高电平，经CC4011的与非门反相输出低电平，此低电平加到CD4053，这时CD4053的另一脚控制氧气信号输入到CC7107的信号的输入端，进行A/D转换，数码显示。自动强迫显示报警参数功能；该报警仪若正在显示氧气含量时，甲烷含量浓度突然超过报警限，监测报警仪会由显示氧气含量转换为显示甲烷含量；反之，正在显示甲烷含量，氧气浓度突然低于报警限，报警仪转换为显示氧气含量，这种功能是利用甲烷比较器输出信号加到CC401
41、3触发器的异步复位输入端，氧气电压比较器输出的信号加到触发器异步置位端实现的。当氧气浓度低于报警限时，氧气电压比较器输出的高电平信号加到触发置位端，此高电平强制显示氧气；同样若正在显示氧气信号时，甲烷含量浓度突然超过报警限，甲烷比较器输出高电平信号使触发器复位，输出低电平，强迫转换为显示甲烷含量。节能显示技术：该报警器采用动态显示代替静态显示，动态显示电路是由CC4011内的两个与非门和电阻R31、电容C6共同组成RC多谐振荡器，其输出的方波经R30和三极管T驱动数码管进行动态显示，由驱动管T、数码管等元件组成的显示电路减少近一半的电能损耗。(五)电话监控原理 电话监控原理图：它包括输入控制电
42、路、自动拨号电路、音频译码、忙音及振铃回音识别电路、告急信号产生电路、铃流接收及译码定时电路、控制电路组成，如图3-7所示。 图3-7 电话监控自动报警器电路图 该警报器的语音播报功能是一个难点，要实现这一点，需要设计一个高质量的语音合成系统。传统的语音合成设计是一件十分复杂的工程，先要对需要的各段语音建立数学模型，经过ADPCM压缩变换为数字量，将其写入EPROM中作音源，并换算好地址。然后设计装配包括D/A、单片机、多机滤波器、逻辑接口电路、音频放大器等在内的电路板，不仅工作量大，设计制作周期长，而且成本高，体积大，音质不好，背景噪音大，音源更换也不方便。特别是在煤矿井下应用，由于其电路复
43、杂，功耗大，难以进行本安防爆处理。ISD系列语音芯片是美国信息存储器件公司的新一代产品，是现阶段国内外数码语音电路中性能较好的一种，它采用了直接模拟量存储技术，能较好地保留模拟量中的有效成分，因此音质较好，近些年来国内厂商对此进行了二次开发，形成更便于用户直接使用的ISD语音合成组件，从而使复杂的语音合成工作大为简化。为保证检测报警系统的可靠性，报警控制器或信号民设定器应与检测器一对一相对独立设置，闪光报警单元可与其他仪表系统共用，但对重要的报警与自动保护有关的报警，应独立设置。至记录设备（或DCS）和联锁系统的信号宜从报警控制器或信号设定器输出。当检测器或指示报警器能同时送出模拟信号和报警触
44、点信号时，宜将报警触点信号接至报警及联锁系统，模似信号接至DCS指示记录，至报警及联锁系统的信号不可从DCS接出。数据采集系统也可以是DCS中的一个相对独立的单元，主要用以可燃气体和（或）有毒气体的检测报警；该单元应包括数据采集部件和操作显示设备。在本瓦斯报警器设计中，就采用了ISD语音合成组件。ISD语音合成组件是以89051单片机为主控件，由ISD1400语音芯片为音源载体以及可关断功放MC34119、低压差精密稳压器HT7246等外围部件构成。该组件在使用前，先由客户根据需要将基本语句、字或词等分段录入ISD芯片中，每一段均以录入顺序的段号为代码，组件上的单片机将接收用户发来的代码信息，
45、并由代码信息自动搜索播放，由于这一搜索播放过程是组件内部电路自动完成的，无需用户参与，这就使用户操作非常方便，当用户要合成播放某句话时，只需将组成该句话的各段代码通过串口顺序发给ISD组件内的单片机，该组件就会自动完成全部播放过程。例如在本设计中需要播报的语音：“0(01)、1(02)、2(03)、百分之(OBH)、点(OCH)、现在瓦斯含量为(ODH)”。系统设计前，先做以上录制工作，将音源转录到电脑中，形成声音文件(*.WAV),再通过一种ISD1425语音编程拷贝机将这些语音文件录制到ISD语言芯片中，将该芯片插入ISD组件即完成了矿井瓦斯报警器的语言合成系统的制作工作。瓦斯报警器的主控
46、件与语言合成组件之间采用串行通信方式，因此语音播报控制软件的设计主要有以下内容：串口通信方式的设置，波特率设置，定时设置以及根据瓦斯传感器的当前值确定的要播报的语音代码。一般为了编程方便，可以设置一个缓冲区，把要播报的语句代码先按顺序放入缓冲区中，在缓冲区首尾填入引导码(AAH、AAH)和结束码(FFH)。然后在播报时，依次通过串口发送给ISD组件。四、整机工作过程瓦斯传感器和氧气传感器分别把瓦斯浓度的变化及氧气浓度的变化变为电信号，经各自放大器放大，两放大器输出的电信号一路进入信号选择电路和数字显示系统，显示瓦斯或氧气的含量。另一路信号分别进入各自的电压比较器，与参考电压进行比较，当瓦斯浓度
47、低于报警限或氧气浓度高于报警限时，两电压比较器输出低电平，使未超限发光二极管D2、D4(绿灯)亮，蜂鸣器不响，电话自动监控电路不动作；采矿区当瓦斯浓度超过报警限或氧气浓度低于报警限时，电压比较器输出高电平，二极管D1、D3(红灯)亮，并驱动V1三极管导通，使蜂呜器发声进行声报警；而且电压比较器输出的高电平由F接线端到达电话控制电路，启动电话监控电路工作，自动拨打煤矿安全局长电话号码。若煤矿安全局长电话忙，则忙音识别及电路定时器l动作，电话控制电路会每3min重拨1次，直至接通为止，若煤矿安全局长电话已接通，则振铃回音识别电路和定时器2动作，电话控制电路会每6min重拨1次，并发出30s的告急信号。若煤矿安全局长已经接听告急电话，则铃流接收及音频译码器2和定时器3动作，呼叫频次改为1h呼叫1次，进一步保证呼叫局长的可靠性。五、总结电话自动监控瓦斯报警器具有瓦斯监测灵敏度高，监测范围款，在瓦斯浓度超限时既能进行声光报警，又为煤矿安全主要官员提供了一个有利的监管工具，通过煤矿使用验证，其性能稳定可靠。新型电话地洞监控瓦斯报警器的使用一定会减少或杜绝矿主、煤矿责任人、安监员等人员的失职行为，避免人为因素造成瓦斯爆炸事故再次发生，为煤矿安全生产和矿工生命安全提供了更加有利的保障。即使该电路设计具有解决问题的主要优点和特点，
