矿用气体传感器无人值守调校及废气处理系统

摘要

煤矿安全生产事关井下工作人员的生命安全和国家财产安全，而矿用气体传感器用于对煤矿井下产生的瓦斯等各种有毒有害气体浓度的监测，是煤矿安全监控系统中的首要监测元件，是煤矿安全监控系统的重中之重，它的可靠性和灵敏性是煤矿安全监控系统的关键技术指标。由于矿用气体传感器在长期使用过程中会有零点漂移的现象产生，煤矿安全规程规定需对矿用气体传感器和报警仪定期进行调校。国内目前的矿用气体传感器调校方式通常有手动调校和自动调校两种，手动调校因存在人为误差使调校精度降低、工作强度增大;自动调校是通过红外遥控器正对着调校装置进行按键操作完成调校，最多实现5到8台传感器同时检测并依次进行调校，工作效率较低，无法满足煤矿企业有大量气体传感器需要精确校准的现状。按调校规程要求需要连续进行三次校准，并通入低浓度、中浓度、高浓度等标准样气持续90～120s，调校时瓦斯等校准气体会扩散在调校室内。多数厂家采用风机直接将废气排放至室外，既影响了操作人员的身体健康也污染了空气质量。因此，开发一套无人值守调校与废气处理系统，实现大批量传感器调校的同时将废气做净化处理，在提高工作效率、保证工作人员人身安全和环境质量方面有着重要的现实意义。
　　本研究在掌握气体传感器工作原理、调校步骤以及废气净化技术的基础上，制定了系统的设计方案，设计了以C8051F020单片机为核心控制单元的无人值守调校及废气处理系统，分为信号采集和自动控制两个子系统。信号采集子系统完成了待调校矿用气体传感器输出信号的采集，瓦斯传感器等废气监测用气体传感器输出信号的采集以及温度传感器输出信号的采集，自动控制子系统主要完成了校准气进气控制、废气处理装置驱动控制、红外信号输出控制、外部数据存储扩展以及废气浓度液晶显示和超标浓度报警等。该系统能够实现64路矿用气体传感器的检定和调校，设计了可对多种型号传感器发送各种红外调校指令的实时系统，实现了自动闭环检定和调校，采用活性炭纤维负载TiO2的光催化氧化技术将调校过程中瓦斯等有毒废气进行彻底降解，净化调校室内环境，运用BP神经网络对活性炭纤维投加量进行预测实现净化材料的自动精确投加和置换。该系统实现了大批量矿用气体传感器自动闭环调校，提高了工作效率和调校精度，减少了劳动力和调校设备的投入及维护费用，将调校室内超标的瓦斯等有毒有害废气进行分解净化处理，保证了操作人员的身体安全和室内外的环境质量。系统目前已处于试运行阶段，运行测试结果表明:系统运行良好，控制过程准确率高，数据实时性强，有良好的抗干扰能力和稳定性，废气处理效果明显并符合国家排放标准，实现了无人值守调校与废气处理功能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 国内外研究现状及发展趋势

1．3 主要内容

1．4 本章小结

第二章 无人值守调校与废气处理系统的理论基础

2．1 气体传感器的组成结构

2．2 矿用气体传感器调校步骤

2．3 红外遥控信号控制方式

2．4 废气净化处理

2．4．1 废气净化技术介绍

2．4．2 废气净化技术的选取

2．5 基于BP神经网络对净化材料投加量的控制

2．6 本章小结

第三章 无人值守调校与废气处理系统的方案设计

3．1 系统方案设计

3．1．1 信号采集系统的设计

3．1．2 自动控制系统的设计

3．2 通用红外编码的设计

3．3 废气处理工艺的设计

3．4 本章小结

第四章 系统硬件设计

4．1 核心CPU的选型

4．2 C8051F020外围电路设计

4．2．1 晶振电路硬件设计

4．2．2 复位电路硬件设计

4．2．3 串行通信电路硬件设计

4．2．4 JTAG接口设计

4．3 调校和废气处理信号采集电路

4．3．1 废气监测用气体传感器的选型

4．3．2 废气监测用气体传感器电流信号采集

4．3．3 废气监测用气体传感器电压信号采集

4．3．4 待调校气体传感器电压频率转换电路

4．3．5 待调校气体传感器频率信号采集

4．3．6 废气监测用温度传感器信号采集

4．4 标准气进气气路控制电路

4．5 废气处理装置的驱动电路

4．5．1 MOC3021的内部结构

4．5．2 驱动电路的硬件设计

4．6 废气监测数据存储电路

4．7 红外信号输出控制电路

4．8 废气超标声光报警电路

4．9 废气浓度液晶显示电路

4．10 系统电源电路

4．11 硬件电路抗干扰处理

4．12 本章小结

第五章 系统的软件设计

5．1 开发环境和编程语言

5．1．1 开发环境

5．1．2 编程语言

5．2 软件总体设计流程图

5．3 通信协议的选择

5．4 系统初始化程序设计

5．4．1 I／O端口初始化

5．4．2 串口初始化

5．4．3 AD转换初始化

5．4．4 SMBus初始化

5．5 功能模块程序设计

5．5．1 调校和废气监测气体传感器信号采集模块

5．5．2 废气监测用温度传感器检测模块

5．5．3 废气监测数据存储模块

5．5．4 红外信号控制模块

5．5．5 废气超标声光报警模块

5．5．6 废气浓度液晶显示模块

5．6 本章小结

第六章 BP神经网络对净化材料投加量的预测及系统运行测试

6．1 BP神经网络对投加量样本预测分析

6．2 系统的运行测试

6．2．1 系统频率信号测量

6．2．2 模拟量信号测量

6．2．3 红外信号输出控制测试

6．3 本章小结

第七章 总结和展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

致谢

硕士期间论文发表