基于pwm的空气质量检测及报警控制系统设计.docx

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题目:基于PWM的空气质量检测及报警控制系统设计

摘要

矿井作业每年都有矿井瓦斯（CH4)爆炸事故发生,对工人生命安全构成威胁，为此设计一款矿井气体检测及通风报警系统。利用单片机AT89C51为核心，通过对设计方案进行合理论证和分析，对硬件软件进行设计合规划，设计一个空气质量检测通风报警系，，将硬件分成几个模块，其中包括DTH11温湿传感模块，甲烷浓度检测模块(ADC0809模数转换)，报警模块，pwm风扇调速模块，LCD1602显示模块，按键模块。通过EDA软件proteus进行电路搭建及仿真，并在代码导入后进行调试，软件采用keil4进行程序设计，也分成实现各方面功能的程序模块，可以较容易排查系统设计中出现的问题。该系统利用pwm技术对风扇电机进行调速，根据所检测到的甲烷浓度值不同，匹配不同电机的转速，在浓度低于阈值时，风扇不启动，合理节约电能，避免资源浪费，具体一定的实际应用价值。

关键词：单片机；脉宽调制；模数转换；气体检测

附录一：原理图（要在正文对应位置有必要说明）29第1章绪论

1.1课题研究背景

矿井生产的安全性，一直是矿井作业人员关心的问题，到目前为止，有关于矿井作业安全的法律几乎没有，因此选本次题目为设计一款保障矿井安全的气体检测报警系统。地下作业环境比地上不恶劣许多，每年都有相关矿井事故的报道，矿井中气体混杂，最危险的当属甲烷（CH4），甲烷浓度如果过高，在有火星产生后容易产生爆炸，瓦斯爆炸是最为常见的矿井事故。因此，矿井下空气中甲烷浓度是一项非常重要的指标，当然还包括其他空气质量参数，比如温度湿度就可以反映出该空气条件下是否适合连续操作矿井下空气湿度，温度的检测也是非常重要的。目前，为了能有良好的空气质量，一般会使用大功率的风机来实现通风换气。然而风机的功率是很大的，通常是几千瓦甚至到几十千瓦，有时几台风机还24小时通风，造成电能的浪费。为此，本次设计一款空气质量检测系统，利用51单片机，结合对应传感器，检测矿井中空气的温湿度，甲烷的浓度，烟雾等指标。可以通过设置参数阈值来控制风扇的运行，超过设定阈值通过使用PWM来调节风扇的速度，最大限度地节约和降低风扇的能耗，实现高效的运行。

1.2国内外研究现状

1.国内研究：

为保障矿井工作人员人身安全，像这种空气质量监测系统已经投入使用过很长一段时间了，这些系统通常选用单面机为核心，来检测空气质量。通常根据实地情况，矿井下的环境条件，人们进行针对性的研发相关空气质量检

测系统，这里就要提到KJ90NB与KJ333,这两款是煤炭科学相关的研究院研发的，当然还有款KJI01N,这是一款典型的空气质量检测系统，该系统在硬件的方面和操作运行方面都比较出众。对于类似的空气质量监测系统，很多高校也对这种系统有些研究，并有相关论文及成果。曾有人在论文中提出更好的瓦斯监测方案，这个改进的方案，利用单片机计算量大，数据精确等特点，大大提高了矿井空气检测系统检测数据的准确性，进一步保障工人的安全。

我国矿业大学有学生在相关论文中提出，选用红外瓦斯传感器，在矿井下构建数据传输网络，就可以在地面上直接接收地下中转站传来的相关空气指标数据，接收实时传输数据。辽宁工程技术大学有学生论提出，可设计具有远程监控功能都空气质量检测系统，对矿井下空气的各参数进行远程观测。

2.国外研究：

总地来说，有关于矿井作业安全相关技术，比如探测技术就发展起源于国外，国外相关系统的研究从上个世纪60年代就开始了，在那时候，有一批采用查封信号传输的矿井空气监测系统产自法国和波兰，比如TST系统就是那个时候具有这种信号传输的特点，并且在运输方面的成本上优于上一代。在20世纪70年代末，又出现了第三代相关产品，其中就包括英国的MINOS系统,这些产品进一步进行优化，在产品结构，产品的稳定性方面有了较大的提升。随着科技的不断进步，越来越多国家着手开始研发该类型系统，系统变的结构更简单，更易操作。美国90年代生产的甲烷监测系统，具有更丰富的功能，适用于大型矿井，该系统不光可以进行早期预警，还可以通过无线网络连接，将所测量的相关数据传输到电脑，这种传输是实时数据传输，然后经过专业的数据分析，对矿井生产安全进行评估，从而实现矿井的预警和监测，保障工人安全。

1.3课题研究重点和思路

利用单片机，设计一款空气质量检测系统，用于矿井空气监测，并有报警及自动通风功能，采集矿井空气中一些重要指标，比如甲烷，烟雾，温度及湿度，选用相对应的传感器，能够同时检测到污染的多种主要污染、有害气体，一旦检测指标异常，可通过矿用风机来实现通风换气的功能，同时系统进行超限报警。监测的相关数据超出阈值的多少，然后通过PWM不同占空比的来控制风机转速，这样就最大程度上