1、本科毕业论文（20 届）矿用便携式环境检测仪系统设计DESIGN OF PORTABLE ENVIRONMENT DETECTOR SYSTEM FOR MINE所在学院 专业班级 矿山机电 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I毕业设计（论文）共 79 页（其中：外文文献及译文 13 页） 图纸共 1 张 摘 要我国煤矿井下对环境气体的监测监控主要是以单参数的检测仪为主，虽然已经研制出了矿用的多参数气体检测仪系统，但是多参数气体检测仪却存在着稳定性不够、维护期较短等等问题，因此开发出一款性能比较高的便携式多参数气体检测仪是显得尤为重要。因为煤矿重大灾害事故的频繁发生，所以开发研
2、制出便携式环境检测系统对于促进煤炭行业的安全生产具有相当重要的意义，本篇论文针对国内外多气体检测仪的发展状况，提出了一种基于单片机的新型的矿用便携式多参数气体检测仪系统的研究。本文论述的检测仪是一种基于单片机的多参数气体检测仪，根据矿用设备的相关标准技术要求，深入研究了以 STM32 单片机为核心的检测仪的软硬件设计，本设计的主要功能是多气体浓度的检测以及增加按键功能，LED 显示功能，声光报警功能，RS485 通讯电路等等；软件的设计包含主程序设计以及调试。本文是通过采用功能更强大的 STM32 单片机作为检测仪的核心处理器，能够达到更好的处理效果，采用 RS-485 通信，实现数据的远传，
3、由地面的串口通讯软件接收处理，串口通讯软件对单片机来说意义重大，不仅可以实现将单片机的数据传送到电脑端，而且能够实现电脑对单片机的控制，通过显示功能模块让工作人员更加直观地了解煤矿井下的工况，实施相应处理和控制，解决了以往的多参数气体检测仪稳定性较低、维护周期较短等问题，为实现煤矿井下的气体环境的安全监测提供了一种新设备。关键词：气体检测仪；传感器；多参数；STM32IIAbstractIn China coal mine gas environment monitoring is mainly based on single parametertester, although have de
4、veloped mining of multi parameters gas detector, but the multi parameters gas detector but there is a lack of stability, maintenance period is short, and so the problem and therefore issued a relatively high performance portable multi parameters gas detector is appears to be particularly important.
5、Because of the frequent occurrence of major disasters in coal mine accidents, so the development of a portable environmental monitoring system to promote the safe production of the coal industry has very important significance, this paper according to the development status of domestic and foreign g
6、as detector proposed a study of monolithic machine model of mine portable multi parameter gas detecting system based on.This detector is a kind of multi parameters gas detector based on MCU, according to the mining equipment technical requirements of the relevant standards, in-depth study of the wit
7、h STM32 MCU software and hardware design of the core of the detector and the design of the main function is multi gas concentration detection and increase the function of the button, LED display, sound and light alarm function, the RS485 communication circuit and so on. The software design contains
8、main program design and debugging.This paper is through the use of more powerful STM32 microcontroller as the core of the instrument, can achieve better treatment effect, using RS-485 communication, realize remote data received by the serial communication software, ground handling, serial communicat
9、ion software is of great significance to MCU, MCU can not only realize the data transfer to the computer terminal, and can realize the computer control of the microcontroller, through the display module to allow staff to more intuitive understanding of the coal mine conditions, the implementation of
10、 the corresponding treatment and control, to solve the problem of stability of multi parameter gas detector is low, the maintenance cycle is short, provides a new equipment for the safety monitoring of coal mine gas environment the.Keywords: Gas detector; Sensor; multi-parameter ；STM32目录1 绪论 .11.1 课
11、题研究背景 .11.2 矿用气体检测仪的国内外发展状况 .11.3 矿用气体检测仪的开发意义及应用前景 .21.4 本课题的研究内容及关键技术 .32 便携式多气体检测仪方案设计 .52.1 气体检测仪概述 .52.2 便携式多气体检测仪的设计要求 .62.2.1 设计依据 .62.2.2 使用环境条件 .72.2.3 主要功能及特点 .72.3 检测仪总方案设计 .73 便携式多气体检测仪的检测原理 .93.1 气体参数检测原理 .93.1.1 气体检测方法及检测原理 .94 便携式多气体检测仪硬件设计 .144.1 主控制芯片的选择 .144.2 传感器的选择 .194.2.1 传感器的分
12、类. .194.2.2 M JC4 /3. 0L 催化燃烧甲烷传感器 .204.2.3 COAF 一氧化碳传感器 .224.2.4 MSH-DP-HC/CO2 二氧化碳传感器 .244.2.5 O2-A2 氧气传感器 .264.3 信号放大模块设计 .274.3.1 放大器 MCP609 参数和引脚说明 .284.3.2 放大器 AD602 参数 和引脚说明 .284.4 A/D 转换模块 .304.5 温湿度传感器选型 .334.6 时钟显示模块 .374.6.1 HYM1302 的电路原理图 .394.6.2 HYM1302 使用简单说明 .404.7 看门狗模块 .424.8 LED 显
13、示模块 .434.8.1 MAX7219 的功能以及设置 .444.8.2 单片机与 MAX7219 的连接 .474.9 键盘模块设计 .474.10 声光报警模块设计 .494.11 RS485 通讯电路 .495 便携式多气体检测系统软件设计 .515.1 软件主程序设计 .515.2 系统软件调试 .515.2.1 Eclipse 的基本介绍 .515.2.2 Eclipse 的历史及语言拓展 .525.2.3 软件调试 .535.3 软件抗干扰措施 .606 技术与经济分析 .617 结论 .627.1 本文总结 .627.2 展望 .62致谢 .64参考文献 .65附录 A译文 .
14、67附录 B外文文献 .7511 绪论1.1 课题研究背景如今，我国正在大力改善环境，所以煤炭企业形势较为严峻，安全问题更是煤炭企业发展的重中之重。近几年而言，我国煤矿重大事故的不断频发，从 2006 年 1 月至2011 年 12 月这期间，五年时间煤矿死亡事故高达 897 起，死亡 5428 人，瓦斯事故的死亡人数竟高达了 54%以上 1，就在最近的 2014 年辽宁阜新矿业(集团)有限责任公司的煤层燃烧事故中也造成了死亡人数高达了 26 人，在瓦斯事故特别是重、特大的瓦斯事故在煤矿事故之中所占的比例也是越来越高，随着煤矿开采技术的手段不断改进以及开采规模的不断扩大和开采深度的小断延伸，安
15、全隐患也越来越多；在煤矿生产当中，可能会发生安全事故，而对煤矿井下环境气体参数(如 CH4、CO、空气的温湿度等)以及仪器设备的运转情况进行相应实时监控和故障报警，对煤矿井下气体环境的安全检测显得至关重要，矿井下对空气的成分必须要符合矿井下允许浓度的有关规定 2。所以，需要对煤矿井下的气体环境做出快速准确的检测，可以在事故发生之前进行有效的预警，也可以在矿井突发事故之时有助于救护工作的有效进行，研究一款高精度、稳定、响应速度快的矿用多气体检测报警仪是人们一直关注的问题。1.2 矿用气体检测仪的国内外发展状况气体检测仪的发展是伴随着煤炭工业的发展而逐步发展的。1815 年，英国利用火焰的高度，测
16、量出瓦斯的浓度，由此发明了世界上的第一种瓦斯检测仪瓦斯检定灯；在 20 世纪 30 年代，日本利用了光干涉式原理，又发明了光干涉瓦斯检定器；1954 年，英国的采矿安全研究所(SMRE)研制出了载体催化元件，并且将其应用在瓦斯检测仪之中，一直成为瓦斯检测的主要元件。电子技术的不断发展推动了气体检测仪的进一步发展，从便携式单参数测定器发展到了多参数检测仪，日本、德国、法国、美国等国家首先开发了便携式多参数气体检测仪，从两参数气体检测仪发展到了多参数气体检测仪，早期的最具代表性的多参数气体检测仪有美国 GASTECH 公司的 STM2100、德国德尔格公司的 MULTIWARN 型、法国奥德海姆公
17、司的 GOMH-3A 型、日本理研公司的 GX-85N 型，都可以检测CH4、 CO、O2 等环境气体。2我国的气体检测仪研究起步比较晚，检测技术的发展经历了从简单到复杂，从低水平到高水平的发展过程，从建国初期到 60 年代这期间一直到 90 年代后，我国从外国引进到自主研发，逐渐发展研制出了多种型号的气体检测仪通过技术鉴定，逐步实现了对矿井环境多方面的连续监测和监控，在数据处理和数据传输等技术上做出了很大成就；随着敏感原件制造水平的不断提高，使检测技术进入了一个新的发展时期，伴随着气体传感器的发展，气体监测仪器也不断更新，以不同的方法为基本的原理研制出的各种检测仪器曾在不同的时期，不同的应用
18、场合发挥过重要作用。 通过了解国内外气体检测系统的发展历史以及发展现状，并且根据各种方法相对存在的缺点进行完善，从而研究一套低成本、便于携带以及高性价比的便携式多气体检测系统，从而使煤矿的生产更安全更高效以及工人的生命安全得到最佳保障。1.3 矿用气体检测仪的开发意义及应用前景我国是世界上最大的煤炭生产以及消费国，也是世界上几个少数以煤为主要能源的国家之一，虽然通过煤炭生产和加工以及利用等各个环节，提供了相当多的就业机会，但是同时每个环节却带来了环境污染和安全等一系列的问题。其中之一便是有害气体的影响，这些气体包括 CH4，CO，SO2，NH3 等等，后两种气体含量较少，并且易溶于水，经煤矿开
19、采时的喷水处理后便可变成酸，经过喷水这一过程即可处理，但是 CH4、CO含量较多，并且难溶于水，又属于易燃易爆的气体，瓦斯浓度达到了爆炸极限，并在有足够的氧气以及一定温度的引燃火源时，就将会发生瓦斯爆炸 3，给煤矿开采工作者的生命安全带来了一定的隐患。为了保护煤矿工人的健康和生命安全，必须严格按照煤矿安全规程来执行矿井下的气体环境检测，认识并且研制出一种矿用便携式多气体检测仪的新型系统来检测矿井下的气体环境情况尤为重要。矿井下气体环境的检测主要有三类：可燃性气体检测，有毒气体检测，氧气检测，该气体检测仪可检测三类气体的含量，瓦斯是煤层中大量贮存的一种气体，具有易燃易爆等特点，对煤矿开采危害最大，主要的危害表现为：第一，瓦斯浓度过高，就会使人缺氧、呼吸困难、可能还会导致窒息；第二，瓦斯煤层爆炸，爆炸产生的巨大冲击波和高温火焰，可摧毁一切；第三，煤中瓦斯突出；第四，大量瓦斯从通风井中排入大气，污染了大气环境。瓦斯中甲烷一般占有的比例 90%以上，所以甲烷（CH 4）的检测是多
