煤矿智能红外甲烷传感系统的设计与实现

摘要

我国是煤炭资源消耗的大国，煤炭的产量也位居世界首位，但煤矿的甲烷事故在煤矿安全生产事故中占的比例却非常的高，严重威胁着煤矿工人的生命安全。因此，在煤矿生产现场，能及时准确地对甲烷浓度进行检测，对保障井下安全生产具有十分重要的意义。
　　本课题根据国内外的同类产品情况，及国内煤矿使用的甲烷传感器应用环境，提出甲烷安全监控系统中，全量程红外甲烷传感器的研发项目。甲烷传感器在煤矿甲烷监测系统中有着非常重要的地位，它与系统中的分站，控制器及地面计算机组成监控系统。其主要功能要求完全符合或超过国家标准《AQ6211-2008煤矿用非色散红外甲烷传感器》的指标。传感器的分辨率，显示精度，基本误差，工作稳定性，显示响应时间等方面是本项目的研发重点与最终要求。
　　本文从检测原理入手，对比了多种气体检测方法，分析了各种检测方法的原理及优缺点。以红外检测原理为重点，详细分析了非色散红外检测方法的检测过程，它与传统的甲烷检测手段相比，具有稳定性高，维护周期长，检测精确等优点，非常适合煤矿环境应用。
　　在硬件的设计上，传感器采用ATmel公司的高性能AVR单片机做为核心处理芯片，其丰富的外设接口，出众的抗干扰性能及高效的C编译器，使其非常适合本产品的研发。传感器设计有RS485通讯接口，与系统中的其它设备进行数据交换；同时设计有频率输出端口，方便接入传统的甲烷系统；在控制信号的输出方面也设计有开关量的信号输出；红外检测部分采用防爆型红外传感头，以保证测量的精度，同时利用红外遥控设计对传感器的测量精度进行校准。
　　在单片机嵌入式软件上，采用传统的前后台系统，以主程序循环，结合外部中断，定时中断等，实现了基于RS485通讯的串口设计，红外解码设计，红外传感头通讯设计，甲烷浓度显示等应用程序的开发。结合通讯协议，配合甲烷安全监测系统，实现了甲烷浓度的远距离传输及相关的安全控制操作。
　　论文最后对传感器的主要性能，按国家相关标准的规定进行检测。目前已经送至国家相关部门进行检测。检测进展情况良好。

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第一章 绪论

1.1 选题的背景和意义

1.2 选题领域相关技术现状和趋势

1.3 要实现的最终目标及实施方案

1.4 本文的主要工作和组织结构

第二章 红外甲烷检测技术综述

2.1 概述

2.2 检测方法介绍

2.3 红外吸收检测的原理

2.4 传感头介绍

2.5 小结

第三章 煤矿智能红外甲烷传感器软硬件总体设计

3.1 产品设计方案

3.2 红外接收功能

3.3 RS485通讯功能

3.4 RS485通讯功能

3.5 频率输出功能

3.6 声光报警与断电输出的设计

3.7 电源的设计

3.8 显示及工作状态指示的设计

3.9 红外甲烷的测量

3.10外壳的结构要求

3.11 小结

第四章 煤矿智能红外甲烷传感器综合功能软件实现

4.1 单片机程序设计思路

4.2 传感器功能实现的思路

4.3 变量初始化

4.4 单片机及外设初始化

4.5 传感头预热

4.6 参数判断

4.7 读传感头及数据显示

4.8 传感头数据处理

4.9 RS485通讯处理

4.10红外遥控校准处理

4.11 单片机程序的调试方法

4.12 小结

第五章 煤矿智能红外甲烷传感器主要功能性能测试

5.1 RS485通讯的测试

5.2 红外遥控测试

5.3 传感器测量精度测试

5.4 小结

第六章 总结与展望

致谢

参考文献

研究生阶段参与的主要项目