基于FPGA的便携式甲烷度测试仪的设计2.doc

目 录 1 绪论 1 1.1 瓦斯气体概述 1 1.1.1 瓦斯气体性质 1 1.1.2 瓦斯气体的爆炸 1 1.2 煤矿瓦斯检测仪的发展状况 2 1.3 本课题的研究意义 3 2 系统总体方案设计 5 2.1 系统总体构成及工作原理 5 2.2 系统的设计原理 6 2.2.1 传感器的选择 6 2.2.2 无线数据传输模块的选择 9 2.2.3 FPGA芯片、VHDL语言简介 11 3 系统硬件设计 13 3.2 A/D转换模块 13 3.2.1 ADC0809概述 13 3.2.2 数模转换电路 16 3.3 无线传输模块设计 16 3.4 LED显示电路设计 18 3.5 报警电路设计 19 4 系统软件设计 21 4.1 PTR2000无线传输模块 22 4.1.1 PTR2000模块程序设计 22 4.1.2 串行无线传输协议设计 22 4.1.3 发射端程序设计 23 4.1.4 接收端程序设计 28 4.2 AD转换程序设计 31 4.3 码制转换子程序 34 4.4 显示译码子程序 35 5 总结 38 参 考 文 献 39 附 录 40 致 谢 42 1 绪论 中国煤炭产量高居世界第一，国家一直把煤矿的安全生产作为重中之重，给予高度的关注。在我国的煤矿生产事故中，瓦斯造成的伤亡和损失成为实现安全生产的最大障碍。我国95%的煤矿开采是地下作业。煤矿事故占工矿企业一次死亡10人以上特大事故的72.8%至89.6%（2002-2005年）；煤矿企业一次死亡10人以上事故中，瓦斯事故占死亡人数的71%。煤矿所面临的重大灾害事故是相当严峻的，造成的损失是极其惨重的。由于煤矿事故多，死亡人数多，造成了我国煤矿的百万吨死亡率一直居高不下。特别是煤矿重大及特大瓦斯灾害的频发，不但造成国家财产和公民生命的巨大损失，而且严重影响了我国的国际声誉。所以及时准确地检测瓦斯浓度和报告危险在安全生产中具有重要意义[1-2]。 为了确保矿井的生产安全，防止瓦斯爆炸，国内外煤矿研究所在此领域进行了很长时间的研究，开发出很多类型的瓦斯检测仪，但目前的瓦斯检测仪都普遍存在体积大、安装复杂、操作不便、智能化程度低等缺点。因此开发研制便于携带、多功能，精度高的瓦斯检测仪对促进煤炭行业安全生产具有重要的现实意义。 1.1 瓦斯气体概述 要设计一个瓦斯浓度检测仪，就必须，明确研究对象的性质及其爆炸所需的条件等，只有在明确了研究对象之后，才能很好地对其进行检测，下面就将对瓦斯气体的特性和爆炸条件进行详细地介绍。 1.1.1 瓦斯气体性质 瓦斯是煤矿开采过程中的多种有害气体的总称，它有自己的性质和特点，是可以被控制和利用的。矿井瓦斯是指从煤体和围岩中逸出的以及在生产过程中产生的多成分的混合气体，包括：CH4、CO2、CO、N2、C2H6、SO2、H2S等。主要成分是甲烷、一氧化碳和二氧化碳、硫化氢等。甲烷是矿井瓦斯的主要成分，是一种无色无味的气体，不助燃，但当与空气混合到一定浓度时，遇明火能燃烧或爆炸，爆炸界限为5～16%；空气中甲烷浓度超过40%时，空气中的氧含量将下降到12%以下，此时空气与甲烷的混合气体不再发生爆炸，但能将人窒息[3]。 1.1.2 瓦斯气体的爆炸 矿井瓦斯爆炸是一种热---链式反应（也叫链锁反应）。当爆炸混合物吸收一定能量（通常是引火源给予的热能）后，反应分子的链即行断裂，离解成两个或两个以上的游离基（也叫自由基）。这类游离基具有很大的化学活性，成为反应连续进行的活化中心。在适合的条件下，每一个游离基又可以进一步分解，再产生两个或两上以上的游离基。这样循环不已，游离基越来越多，化学反应速度也越来越快，最后就可以发展为燃烧或爆炸式的氧化反应。所以，瓦斯爆炸就其本质来说，是一定浓度的甲烷和空气中度作用下产生的激烈氧化反应。 图2-1 发射部分结构图 图2-2 接收部分结构图 2.2 系统的设计原理 2.2.1 传感器的选择 要进行—个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，而这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，还是自行研制，价格能否承受。 MQ-4甲烷传感器具有在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度对甲烷的灵敏度较高快速的响应恢复特性、低成本简单的驱