矿用智能瓦斯传感器及其实验装置研制

摘要

本文介绍了智能传感器的概念、工作原理和特点。分析了我国煤矿安全事故的现状，指出了瓦斯是煤矿的主要危害之一。总结了我国煤矿瓦斯检测的基本方法以及现有瓦斯检测设备存在的基本问题，提出了以智能传感器技术与传统瓦斯检测技术相结合的智能瓦斯传感器的研制方法。 本文基于智能传感器技术，融计算机技术与传统的瓦斯检测技术为一体，完成了智能瓦斯传感器方案设计。在硬件研制方面，选用Mega48v单片机作为核心处理器，进行了瓦斯气敏元件检测电路的设计、信号放大电路的设计、电源模块的设计、防高浓度瓦斯冲击电路的设计、RS232通讯接口电路的设计以及声光报警电路设计等。为了提高瓦斯检测的精度和可靠性，研制了多瓦斯气敏元件检测电路，为多信息融合奠定了基础。在软件开发方面，采用C语言编写单片机程序，采用平均值滤波算法，去除采样过程中的噪声；采用零点补偿算法，补偿瓦斯气敏元件的零点漂移；采用多传感器信息融合算法，提高整个系统的检测精度和可靠性；设计了传感器电子数据表格(TEDS)。 根据煤矿标准研制了智能瓦斯传感器标定试验台，基于Labwindows/CVI软件平台开发了PC机监控软件，提出了智能瓦斯传感器的标定校准方法，实现了智能瓦斯传感器测试和标定的自动化、智能化，提高了测试、标定的精度和可靠性。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1选题背景

1.2瓦斯气体检测的基本方法

1.2.1催化传感器

1.2.2瓦斯红外传感器

1.2.3光纤瓦斯传感器

1.3瓦斯检测仪器的发展现状

1.4单瓦斯气敏元件矿用智能瓦斯报警器的研制

1.4.1整体组成模块及其功能

1.4.2使用中存在的问题

1.5本课题主要研究内容

2 系统总体方案设计

2.1智能瓦斯传感器的需求分析

2.1.1智能瓦斯传感器的技术指标

2.1.2智能瓦斯传感器的功能设计

2.2智能瓦斯传感器的设计方案

2.3 PC机监控系统设计方案

2.4智能瓦斯试验标定校准方案设计

2.5本章小结

3 系统的硬件设计

3.1系统硬件的组成

3.2系统电源设计

3.2.1微处理器稳压芯片选择

3.2.2防高浓度瓦斯冲击电路的设计

3.3瓦斯气敏元件选用及其检测电路的设计

3.4系统主控制芯片的选择

3.4.1当前流行嵌入式芯片比较

3.4.2 AVR微处理器Mega48v的特点

3.5信号放大电路的设计

3.5.1瓦斯信号的特点

3.5.2运算放大器的选用及其电路的设计

3.6通讯接口电路的设计

3.7显示电路报警电路设计

3.8本章小结

4 系统软件设计

4.1单片机软件设计

4.1.1串口通讯程序设计

4.1.2平均值滤波子程序设计

4.1.3零漂移分析及抑制程序设计

4.2系统非线性分析

4.3传感器电子数据表格TEDS设计

4.4上位机监控软件的设计

4.4.1上位机功能的简介

4.4.2图形用户界面(Graphical User Interface)设计

4.4.3数据采集总线

4.5本章小结

5 多传感器信息融合

5.1多传感器信息融合的定义及其发展

5.2多传感器信息融合的结构

5.3多传感器信息融合常用的算法介绍

5.3.1 Bayes推理方法

5.3.2估计方法

5.3.3 Dempster-Shafer的证据理论

5.3.4 Kalman滤波融合算法

5.3.5人工神经网络法

5.4算法方案的设计

5.4.1最小二乘法的原理

5.4.2算法的实现方法

5.5本章小结

6 系统可靠性设计

6.1元器件的可靠性设计

6.2系统抗干扰设计

6.2.1主要干扰源

6.2.2干扰的种类

6.3硬件抗干扰措施

6.4软件抗干扰措施

6.4.1 CPU抗干扰技术

6.4.2自检方式

6.5印制电路板(PCB)抗干扰设计

6.6系统防爆设计

6.6.1元器件选用煤安认证产品

6.6.2电容和电感储能的抑制

6.6.3最高表面温度的控制

6.6.4印制电路板防爆措施

6.7本章小结

7 智能瓦斯传感器试验设计

7.1实验要求

7.2标定校准平台的设计

7.2.1试验平台的设计

7.2.2标定和校准的方法

7.3智能瓦斯传感器报警点稳定性试验

7.3.1实验平台设计

7.3.2试验结果

7.4本章小结

8 结论

致 谢

参考文献

附录 攻读硕士期间取得的成果