瓦斯传感器的改进_图文.doc

高等教育自学考试质量技术监督管理专业 毕 业 设 计 题 目 瓦斯传感器的改进 专 业 质量技术监督管理 考 号 400110171004 考生姓名 于 丛 丛 指导教师 王 伟 华 哈 尔 滨 理 工 大 学 2010 年 8月 30 日 瓦斯传感器的改进 摘要 我国许多煤矿地质条件复杂，导致自然灾害多，极易引发重大事故，对安全生产造成极大的障碍，而在煤矿事故类型中，瓦斯爆炸事故最为严重。目前的煤矿安全监控监测系统在检测煤矿井下安全状况，防范安全隐患方面起着重要作用，但很多瓦斯传感器，还不能很好的满足矿井安全生产管理的需要。本文针对煤矿瓦斯传感器存在的诸多不便问题，通过探讨了瓦斯传感器的原理和应用，得出了目前煤矿中所需要的瓦斯传感器类型，最后根据目前矿井的生产状况研究出了改革新方案。在新方案中传感器得到了改进，能更好的应用于煤矿生产中。 关键词 瓦斯传感器 ；遥控器；单片机 The Improving Of Gas Sensor Abstract Most coal mines in China with complex geological conditions leading to natural disaster that major accidents can easily lead to great difficulties caused by safety. The gas explosion is the most serious coal mine accident type among the coal mine accident. Current Coal Mine Safety Monitoring System is in the status has played an important role in preventing safety hazards, but it is almost a very simple response to sensor data that has no warning capabilities before gas explosion, which could not satisfy the mine safety management needs. As for the inconvenient problems in mine, such as long time in uncovering lid and not easy operation for more keywords, etc, this, paper present the perances of several gas sensors and summarizes the types of gas sensors required in mines at present. In the end, new concepts are provided according to the current mine production condition, in which the sensor is character sized with less keys, small size and rugged, durable as well as convenient operation, and has been use widely. Keywords Gas Sensor; Remote Sensor; SCM 目 录 摘要 I Abstract II 第1章 绪论 1 1.1选题依据及意义 1 1.2煤矿瓦斯安全的国内外发展现状 4 1.2.1煤矿瓦斯安全的国外发展现状 4 1.2.2煤矿瓦斯安全的国内发展现状 7 第2章单片机的概念及应用 9 2.1单片机的概念 9 2.2单片机的历史及特性 10 2.2.1单片机的基本结构 10 2.2.2起初模型 10 2.2.3嵌入式系统 11 2.2.4单片机发展史 11 2.2.5单片机的硬件特性 12 2.2.6单片机的应用 13 第3章瓦斯传感器检测主要参数分析 14 3.1矿井瓦斯概述 14 3.2瓦斯爆炸的基本概念 15 3.2.1瓦斯爆炸的基本特征 15 3.2.2瓦斯爆炸的条件 15 3.2.3防治瓦斯爆炸的措施 17 第4章瓦斯传感器的改进设计方案 18 4.1传感器的原理及应用 18 4.1.1传感器的定义及原理 18 4.1.2传感器的分类 19 4.1.3传感器的应用 21 4.2常见问题 22 4.3瓦斯传感器的改进方案 22 4.3.1瓦斯传感器检测原理 22 4.3.2改进的原理 23 4.3.3MSP430F499单片机 23 4.3.4遥控器改进 24 结论 25 参考文献 26 致谢 27 第1章 绪论 1.1选题依据及意义 我国是世界上产煤大国，同时也是煤矿形势最为严峻的国家之一。其中瓦斯作用下引起的灾害事故频发。在我国的能源工业中，煤炭占我国一次能源生产和消费结构中的70％左右，预计到2050年还将占50％以上，因此，煤炭在相当长的时期内仍将是我国的主要能源。2002年全国煤炭总量为13．9亿吨，2003年为16．0亿吨，2004年煤炭产量尽管达到了19．60亿吨，，仍不能完全满足需求如图1-1全国不同类型煤矿原煤产量及其比例（单位亿吨）。当前，我国经济的快速增长，对煤炭工业发展提出了更高的要求。为此，必须确保煤炭工业持续、稳定、健康的发展。 图1-1全国不同类型煤矿原煤产量及其比例（单位亿吨） 我国95％的煤矿开采是地下作业，煤矿安全生产形势仍十分严峻，具体表现为【1】 1煤矿事故的死亡人数占工矿企业一次死亡10人以上特大事故的死亡人数的72．8％～89．6％。 2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。例如2004年10月20日发生在郑州大平煤矿的瓦斯爆炸事故，死亡148人；2004年11月28 Et发生在铜川陈家山煤矿的瓦斯爆炸事故，死亡166人；2005年2月14 El发生在阜新孙家湾矿的瓦斯爆炸事故，死亡214人；2005年11月27 El发生在七台河东风煤矿的煤尘爆炸事故，死亡171人。 3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，与先进采煤国家的差距很大。如2000年，南非煤矿的百万吨死亡率为0．13，印度为0．42，波兰为0．26，俄罗斯为0．46。2002年美国煤矿百万吨死亡率只有0．025。由此可见，我国煤矿安全生产水平与国外先进采煤国家相比，还有很大差距。 4煤矿特大及特别重大瓦斯煤尘灾害事故的频发不但造成国家财产和公民生命的巨大损失，而且严重地影响了我国的国际声誉。在以人为本、关爱生命、建立和谐社会的背景条件下，我国煤矿必须大幅度减少和控制特大以上瓦斯事故的发生。 5实际上，煤矿瓦斯事故的发生不是偶然的，它是以往煤矿生产过程中存在问题的集中暴露，涉及许多方面，既有自然因素、科技投入和研究的不足，也有人为的条件以及国家的体制、管理、经济政策，社会的传统观念，煤矿企业的文化素质等等。 煤矿生产中存在的主要问题 1我国煤层自然赋存条件复杂多变，影响煤矿安全生产的因素多，是造成事故的客观因素。 我国煤矿开采的煤层大多属于石炭二迭纪的煤层，其中瓦斯含量大、煤层透气性低，地质构造复杂，不易在开采前抽放瓦斯，但在采掘时，瓦斯放散量大，再加上开采煤层地质条件复杂和开采规模的扩大、开采集约化程度的提高，导致采动诱发的应力场、煤岩体裂隙场及瓦斯流动场的变化更加复杂多变，原有安全技术及理论基础已难以适应当前煤矿安全高效生产的迫切需求。在一定条件下容易诱发煤与瓦斯突出和瓦斯的突然涌出现象，造成瓦斯事故。中国的煤矿都是瓦斯矿，且高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出矿井占48％，突出灾害的发生次数为世界之最，每年达数百次。突出的规模为几百吨、几千吨，甚至超过万吨，需要解决的技术难题多。而美国、澳大利亚的煤矿多为露天矿，煤层的赋存条件相对简单，有突出灾害的煤矿所占比例小，所采取的措施往往是停产关闭。但是，我国的情况不同，在目前的能源供应条件下，对高瓦斯矿井和突出矿井，不可能采取停产关闭的措施。为此，只能是自主开发与之相应的安全技术相结合，以确保高瓦斯矿井和突出矿井的安全生产。 2国家对煤矿企业的技术定位不够准确是主观因素。 长期以来，煤矿在人们的心目中是技术水平不高，要求比较低的劳动密集型产业，因而长期以来，技术投入不足，装备水平差，产业技术人才匮乏，劳动效率低。把“千军万马”的队伍放在高度危险的作业环境中劳动，因而一旦出现瓦斯煤尘爆炸、矿井火灾等事故时，容易导致损失惨重，甚至全矿毁灭的现象。而美国、澳大利亚等先进国家的煤矿，实现了高度机械化，井下工作人员少，全矿的巷道布局简洁，巷道面积大，风流通畅，一旦发生灾变时，易于撤离，可能造成伤亡人员较少。另外，在煤矿井下工作的人员，从某种意义上讲也是危险源，一旦出现违章作业有意或者无意，就可能导致事故的发生。所以对高危行业，应最大可能实现机械化，尽量减少人员。 例如澳大利亚2003年煤矿死亡人数为0，优于其他行业，其中主要原因之一就是得益于实现了高度机械化，井下作业人员少；2006年1月2日美国东部西弗吉尼亚州阿普舒尔县萨戈煤矿发生爆炸事故，仅死亡12人，也是得益于井下作业人员少。煤矿生产属于高危行业，仅靠“千军万马”低技能、低素质的矿工劳动，造成的事故风险是极大的，安全生产的观点，在社会上长期未能得到共识。为此，笔者建议国家应当将煤矿列入高危行业，给予必要的投入，建立煤矿行业准入制度，甚至在新矿井设计时，就应当要求提高技术装备水平和劳动生产率。而目前的实际情况有时则相反，既为了满足地方扩大就业面的要求，甚至降低技术装备水平和劳动生产效率，造成资金被工资占用，无力更新设备和提高矿井的安全装备水平。 3大多数煤矿技术水平低下，从业人员素质低，工程技术人员缺口多，难以适应高危环境的要求是不容忽视的现实。由于煤矿劳动生产率低，全行业的工资收入差，在全国二十几个行业中排名倒数第二，而且工作危险、作业环境恶劣，劳动强度大，工作时间长。这就造成了人才的大量流失，出现了“工程、技术、管理人才缺口多，愿意到煤矿长期工作的一线人才少”的现象。 4基础工作薄弱，安全技术装备不足是客观存在的现实。 煤矿矿井的寿命多为几十年，甚至上百年，当建井初期，矿井的生产系统还是比较好的，但随着开采深度加大，范围延伸扩展，瓦斯涌出量增多，地应力和瓦斯压力增大，危险程度急剧增长，原有的矿井生产系统就难以适应要求，而又没有可能自筹资金来改建生产系统。也就是说，很多煤矿只能维持简单再生产，前几年困难时，甚至发不出工资。长期以来安全投入少，装备差，有的矿民国时期、解放初期的安全装备还在用，抗灾能力差，所以不产生事故则已，一旦发生事故往往就是大事故。近年来，随着国家对煤矿安全的重视和投入，矿井安全装备有了很大的改善和提高，但还有许多矿井的安全设施达不到要求，这也是当前存在的安全隐患。为此，建议进一步加大对煤矿安全的投入，改善煤矿安全生产状况。 5国家对煤矿的税制不够完善也是客观存在的事实。 在笔者的印象中，税制改革时，统一采用17％的增值税，由于煤炭属于初级产品，不同于机电产品，没有副加值，是原料产品，现行税制显然是不适用的，所以税率下调了三四个百分点，笔者认为还不够，应当进一步下调税率。另外，为了保护国有资源和减少资源开采所造成的污染，笔者认为对煤炭应征收资源费和环境保护费以补偿国家的投入，收费的标准应根据自然地理环境、煤质的优劣程度和煤矿开采体制国有、集体和个体而不同，以体现在市场经济条件下的相对公平原则和提高资源的回收率，对高瓦斯矿井应当将减少的税费投入到安全和环保的技术改造中去。瓦斯实际上又是资源，通过瓦斯抽放不仅可以解决煤矿生产中的安全问题，而且可以提高资源的利用率，减少对大气的污染。 6对事故后的处理未能充分体现惩前毖后的作用也是客观存在的现象。长期以来，在处理瓦斯爆炸等大型恶性事故时，一方面对大量人员的伤亡和国家财产的损失深感痛心，觉得应严惩有关责任人，但另一方面也看到了事故的产生原因是多方面的。矿井自然条件困难，生产系统不完善，安全设施不 足，人员素质差，既有当事人的责任，也有领导和客观环境的原因。笔者对矿工 有发至内心的同情和忧虑，觉得在煤矿工作工资低，环境恶劣，能下井上班，坚持工作，就算不易了。希望对他尊重、关爱和保护，创造安全生产的条件，否则，就更没有人干这一行了。 1.2煤矿瓦斯安全的国内外发展现状 1.2.1煤矿瓦斯安全的国外发展现状 世界主要的煤炭国在煤矿安全方面都投入的大量的工作，积累了丰富的经验。以下我们将介绍一些国外对煤矿安全所采取的措施与经验，期望能为目前我国严峻的安全形势尽微薄之力【2】。 1. 立法先行 美德等国将制定严格的法律法规作为煤炭安全的基本保障，各个国家与煤矿安全有关的法律法规已有上百年的历史。1891年美国颁布第一个矿山安全的法律，1969年则颁布了新的煤矿安全与健康法，规定了世界上最严格的安全与保健标准，1977年11月颁布了联邦矿山安全与健康法，内容以“井工煤矿法定安全暂行标准使用范围”为主。1998 年颁布联邦法典，包含了地下煤矿的强制性安全标准和露天煤矿及地下煤矿露天部分强制性安全标准。南非1996年颁布了矿山健康与安全法，该法要求雇主和雇员识别、消除和控制有损矿工健康和安全的危险，使矿工参与健康与安全领域的工作，保证矿山健康与安全法律的实施，保证矿山健康与安全环境的有效监控；保证矿山健康与安全法的强制实施；进行调查和质询，以提高矿山的健康和安全水平；加强采矿业健康和安全文化建设和培训；促进政府部门、雇主和雇员间涉及健康和安全领域的合作。其它如前苏联煤矿和油页岩矿安全规程、波兰地质与采矿法、德国煤矿安全管理条例、印度矿山法、日本矿山保安法等都对矿山安全做了严格的规定。 2. 矿山安全监督独立 国外主要产煤国家都设有独立的矿山安全监察机构，这对于安全监督与有效执法是极其重要的。美国有关法律规定，煤矿安全监察员与煤矿无任何隶属关系，他们必须具备煤矿和现场工程师的资格，每年到安全培训学院轮训一周。各地的联邦安全检查员，每两年也必须轮换对调。任何煤矿发生三人以上的死亡事故，当地的联邦及州政府安全监察员不得参与该事故的调查与处理，而须由联邦从外地调派安全监察员进行调查。印度矿山安全监管机构为矿山安全管理总局。矿山安全管理总局主要是通过加大矿工安全生产教育和培训力度，聘用矿工监察员、设立矿山安全委员会和用“三防检查”等方式促使矿工积极参与矿山安全管理。该国矿山法规定，任何与矿山或采矿权人有直接或间接关系的人，不得任命为矿山安全监察员。 美国、印度等国采矿安全法规定，矿工直接参与煤矿安全监督，有权举报，拒绝违章作业。美国煤矿安全监察员到现场检查时应有一名矿工全程陪同，矿工认为有险情或违法行为时，有权要求进行检查。 在美国，可能引起伤亡事故和危害矿工健康的严重违规行为责任人，将被追究刑事责任；即使未造成严重后果，政府督察人员在进行初步调查后，也将把责任人交由司法部门起诉审判。严重违法或违法程度虽轻但导致人员伤亡的个人和公司，分别处以25万美元和50万美元罚款。在德国，矿工因事故受伤或死亡每人赔付数百万欧元，由煤矿和保险公司支付。高昂的事故代价让煤矿管理人员极其注重安全生产。 3. 重视安全培训 许多国家法律规定对矿工进行强制性安全培训。美国法律规定，所有矿工在上岗之前要接受培训，上岗后，每年还要接受再培训。如果发现矿工未按要求受到安全培训，劳工部部长或授权代表签发命令，要求该矿工立即撤出煤矿，直到受到法律规定的培训为止。美国各煤矿按照法律规定，制订矿工培训计划，安排必要的培训内容并保存培训资格证明。印度相关条例规定, 新矿工和在职矿工必须经过矿山安全技术培训。各煤炭公司建立健全的矿山职业安全培训中心。新矿工下井采煤或采矿前必须在培训中心接受安全培训。培训中心还要为技术工人和在职的非技术人员开设安全技术进修培训课程，矿工每5年接受一次安全技术进修培训。 4. 政府资金支持安全工作 美国联邦政府对保证煤炭业安全的资金支持是每年批准矿山安全与监察局财务预算，2000年预算资金额度为2.28亿美元，较1994年增长17，并呈逐年增加的趋势。这些预算资金主要用于建立煤矿安全监察信息系统和更新安全与健康监察仪器设备。澳大利亚的产煤大州新南威尔士州政府2003年拨款1390万美元，用于改善矿山安全状况。 5. 先进的矿山救护体系 俄罗斯拥有军事化矿山救护队，以职业化矿山救护分队与志愿矿山救护队配合作战，后者均由经过专门培训的煤矿工程技术人员和矿工组成。2000年俄罗斯国家对煤炭开采和利用的管理及采煤企业职工社会保障特点中明确规定，采煤企业（任何所有制形式）应组建矿山救护队或与现有的矿山救护队合作。美国联邦矿山安全与健康法规定，井工矿矿主必须确保具备进行紧急救护的能力。一般每个矿的矿主应建立至少两支矿山救护队，在矿工下井工作时处于准备状态。救护队从地面到井下目的地的时间不能超过两小时。英国所有煤矿都必须是国家批准的矿山救护总会的会员，并且每个煤矿在地面都要拥有2支装备精良的能在30分钟内到达事故现场的救护队每队6人。所有救护队队员必须体验合格每年1次极其严格的体验和体能测试，而且必须拥有2年以上的井下工作经历及急救证书。其他如德国、波兰、澳大利亚等国都有完备高效的矿山救护组织。 6. 瓦斯预测抽放与综合利用 美国近5年煤矿总死亡人数基本控制在40人以内，2003年30人，百万吨死亡率控制在0.04以内，除有法律、管理、资金投入等因素外，强化瓦斯抽放，采用先进技术，加强瓦斯监控也是一个主要因素。而且巨大的瓦斯抽放量已成为美国一个重要的能源开发产业。既大大减少了矿井通风费用，改善了生产安全条件，又从根本上防止了瓦斯灾害事故的发生，并向市场销售了大量的高质量气体，产生了显著的社会经济效益。 英国煤矿历史上约有15000人死于瓦斯爆炸事故，最严重的一次是1913年10月14日发生在Senghenydd煤矿的瓦斯爆炸事故，死亡439人。但从1979年以来就再也没有发生瓦斯爆炸死人事故，这与严格执行瓦斯监控和瓦斯抽放及管理密切相关。英国生产矿井的瓦斯抽放率达到45以上，抽出的瓦斯全部被利用。英国在废弃矿井瓦斯抽放方面也取得成功，抽放废弃矿井的瓦斯用于发电，获取了新的洁净能源，同时减少废弃矿井瓦斯向大气泄露，减少了对环境的污染。澳大利亚、俄罗斯、加拿大、波兰等国家也在瓦斯监控和瓦斯抽放方面取得了显著的社会经济效益。瓦斯并不是不可掌握的，它在煤层中的分布是有规律可寻的。3A公司的瓦斯预测系统，可以动态模拟瓦斯逸出过程和含量分布；指导瓦斯抽放工作和合理设计通风系统。该系统是我公司引进国外先进技术，经过消化吸收，攻关而成的，适合于国内的煤矿和地质。 1.2.2煤矿瓦斯安全的国内发展现状 目前中国煤矿生产有三大问题 第一，地方政府特别是县乡政府的负责人，对关闭整顿小煤矿的极端重要性认识不足，存在着地方保护主义倾向，对小煤矿存在的以停代整、停而不整，以停代关、关而不死，昼停夜开、明停暗开等现象，个别干部与小煤矿关系暧昧，入股分红，接受贿赂，公开包庇纵容，充当保护伞。 第二、小煤矿矿主为谋取暴利铤而走险。通过近几年的结构调整，煤炭市场供需关系有了很大改善。特别是进入冬季用煤高峰之后，煤炭价格出现恢复性上涨。一些小矿主为获取高额利润，不惜对抗政府的法律法令，不顾矿井的安全生产条件，也不管工人的死活，铤而走险，冒险蛮干，要钱不要命。乡镇煤矿发生的所有特大事故，无一例外，全都是小矿主利欲熏心、顶风生产的恶果。 第三、安全监督管理不到位。最近一段，乡镇煤矿连续发生特大事故，也暴露出在安全生产监督管理上存在的问题和漏洞。一方面，由于市、县两级政府机构改革正在进行，一些市、县煤炭行业管理职能划分不是很清晰，一定程度上影响了对乡镇煤矿安全生产的日常管理；另一方面，一些市、县虽然明确了煤炭行业管理的部门，但人员结构配置不合理，真正懂煤矿安全的人员少。 中国将加大力度整治煤矿安全生产。（如图1-2 2001～2004年国有重点煤矿瓦斯抽采量） 图1-2 2001～2004年国有重点煤矿瓦斯抽采量 第2章单片机的概念及应用 2.1单片机的概念 单片机是一种集成在电路芯片（如图2-1单片机芯片），是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统【3】。 图2-1单片机芯片 单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。 2.2单片机的历史及特性 单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。 2.2.1单片机的基本结构 单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成 2.2.2起初模型 1.SCM即单片微型计算机Single Chip Microcomputer阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。 2.MCU即微控制器Micro Controller Unit如图2-2Micro Controller Unit阶段。 如图2-2Micro Controller Unit 主要的技术发展方向是不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。 Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记Intel和Philips的历史功绩。 2.2.3嵌入式系统 单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。 2.2.4单片机发展史 1971年intel公司研制出世界上第一个4位的微处理器；Intel公司的霍夫研制成功世界上第一块4位微处理器芯片Intel 4004，标志着第一代微处理器问世，微处理器和微机时代从此开始。因发明微处理器，霍夫被英国经济学家杂志列为“二战以来最有影响力的7位科学家”之一 。 1971年11月，Intel推出MCS-4微型计算机系统（包括4001 ROM芯片、4002 RAM芯片、4003移位寄存器芯片和4004微处理器 ）其中4004（下图）包含2300个晶体管，尺寸规格为3mm4mm，计算性能远远超过当年的ENIAC，最初售价为200美元。 1972年4月，霍夫等人开发出第一个8位微处理器Intel 8008。由于8008采用的是P沟道MOS微处理器，因此仍属第一代微处理器。 1973年Intel公司研制出8位的微处理器8080；1973年8月，霍夫等人研制出8位微处理器Intel 8080，以N沟道MOS电路取代了P沟道，第二代微处理器就此诞生。 主频2MHz的8080芯片运算速度比8008快10倍，可存取64KB存储器，使用了基于6微米技术的6000个晶体管，处理速度为0.64MIPS（Million Instructions Per Second ）。 1975年4月，MITS发布第一个通用型Altair 8800，售价375美元，带有1KB存储器。这是世界上第一台微型计算机。 1976年Intel公司研制出MCS-48系列8位的单片机，这也是单片机的问世。 Zilog公司于1976年开发的Z80微处理器，广泛用于微型计算机和工业自动控制设备。当时，Zilog、Motorola和Intel在微处理器领域三足鼎立。 20世纪80年代初，Intel公司在MCS-48系列单片机的基础上，推出了MCS-51系列8位高档单片机。MCS-51系列单片机无论是片内RAM容量，I/O口功能，系统扩展方面都有了很大的提高。 2.2.5单片机的硬件特性 1、单片机集成度高。单片机包括CPU、4KB容量的ROM（8031 无）、128 B容量的RAM、 2个16位定时/计数器、4个8位并行口、全双工串口行口[4]。 2、系统结构简单，使用方便，实现模块化; 3、单片机可靠性高，可工作到106 107小时无故障; 4、处理功能强，速度快。 2.2.6单片机的应用 目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴 1.在智能仪器仪表上的应用 2.在工业控制中的应用 3.在计算机网络和通信领域中的应用 4.单片机在医用设备领域中的应用 5.在各种大型电器中的模块化应用 6.单片机在汽车设备领域中的应用 此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。 第3章瓦斯传感器检测主要参数分析 3.1矿井瓦斯概述 矿井瓦斯是矿井中主要由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体。有时单独指甲烷沼气。它是在煤的生成和煤的变质过程中伴生的气体。在成煤的过程中生成的瓦斯是古代植物在堆积成煤的初期，纤维素和有机质经厌氧菌的作用分解而成。另外，在高温、高压的环境中，在成煤的同时，由于物理和化学作用，继续生成瓦斯。 矿井瓦斯等级的划分【5】 矿井瓦斯等级是以相对瓦斯涌出量的大小来划分的。煤矿安全规程规定，在一个矿井中，只要有一个煤岩层发现瓦斯，该矿井即定为瓦斯矿井，并依照矿井瓦斯等级工作制度进行管理。 矿井瓦斯等级，根据矿井相对瓦斯涌出量、矿井绝对瓦斯涌出量和瓦斯涌出形式划分为 1低瓦斯矿井矿井相对瓦斯涌出量小于或等于10立方米／吨且矿井绝对瓦斯涌出量小于或等于40立方米／分。 2高瓦斯矿井矿井相对瓦斯涌出量大于10立方米／吨或矿井绝对瓦斯涌出量大于40立方米／分。 3煤岩与瓦斯二氧化碳突出矿井。 什么是瓦斯喷出和煤岩与瓦斯突出 瓦斯喷出和煤岩与瓦斯突出是瓦斯的特殊涌出形式。瓦斯的涌出形式分为普通涌出和特殊涌出。 普通涌出，是指瓦斯从煤层或岩层表面非常细微的缝隙中缓慢、均匀而持久地涌出。其涌出的面积广、时间长，是瓦斯涌出的主要形式。 特殊涌出可以分为瓦斯喷出和煤岩与瓦斯突出两种。 瓦斯喷出是指大量瓦斯突然喷出的现象，喷出的时间可长、可短数天或数年。每昼夜的喷出量可达数百立方米。 煤岩与瓦斯突出简称突出，是在一瞬间几秒钟或几分钟突然喷出大量瓦斯和煤炭岩石，并伴随有强烈的声响和强大的冲击动力现象。 3.2瓦斯爆炸的基本概念 3.2.1瓦斯爆炸的基本特征 瓦斯爆炸是一种也叫链锁反应。瓦斯爆炸就其本质来说，是一定浓度的甲烷和空气中的氧气在一定温度作用下产生的激烈氧化反应。预防瓦斯爆炸的主要从防止瓦斯积聚和消除火源两方面着手【6】。 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。 即方程式为 CH42O2→CO22H2O条件点燃【7】。 3.2.2瓦斯爆炸的条件 瓦斯爆炸的条件是一定浓度的瓦斯、高温火源的存在和充足的氧气。 1瓦斯浓度 瓦斯爆炸有一定的浓度范围，我们把在空气中瓦斯遇火后能引起爆炸的浓度范围称为瓦斯爆炸界限。瓦斯爆炸界限为5-6 。 当瓦斯浓度低于5时，遇火不爆炸，但能在火焰外围形成燃烧层，当瓦斯浓度为9．5时，其爆炸威力最大氧和瓦斯完全反应；瓦斯浓度在16％以上时，失去其爆炸性，但在空气中遇火仍会燃烧。（如图31） 瓦斯爆炸界限并不是固定不变的，它还受温度、压力以及煤尘、其它可燃性气体、惰性气体的混入等因素的影响。 2引火温度 瓦斯的引火温度，即点燃瓦斯的最低温度。一般认为，瓦斯的引火温度为650℃～750℃。但因受瓦斯的浓度、火源的性质及混合气体的压力等因素影响而变化。当瓦斯含量在7-8时，最易引燃；当混合气体的压力增高时，引燃温度即降低；在引火温度相同时，火源面积越大、点火时间越长，越易引燃瓦斯。 高温火源的存在，是引起瓦斯爆炸的必要条件之一。井下抽烟、电气火花、违章放炮、煤炭自燃、明火作业等都易引起瓦斯爆炸。所以，在有瓦斯的矿井中作业，必须严格遵照煤矿安全规程的有关规定。 3氧的浓度 实践证明，空气中的氧气浓度降低时，瓦斯爆炸界限随之缩小，当氧气浓度减少到12以下时，瓦斯混合气体即失去爆炸性。这一性质对井下密闭的火区有很大影响，在密闭的火区内往往积存大量瓦斯，且有火源存在，但因氧的浓度低，并不会发生爆炸。如果有新鲜空气进入，氧气浓度达到12以上，就可能发生爆炸。因此，对火区应严加管理，在启封火区时更应格外慎重，必须在火熄灭后才能启封。 瓦斯爆炸产生的高温高压，促使爆源附近的气体以极大的速度向外冲击，造成人员伤亡，破坏巷道和器材设施，扬起大量煤尘并使之参与爆炸，产生更大的破坏力。另外，爆炸后生成大量的有害气体，造成人员中毒死亡。 图31瓦斯爆炸的临界值 3.2.3防治瓦斯爆炸的措施 预防瓦斯爆炸的有效措施，主要从防止瓦斯积聚和消除火源两方面着手。 1.防止瓦斯积聚的措施 1加强通风。使瓦斯浓度降低到煤矿安全规程规定的浓度以下，即采掘工作面的进风风流中不超过0.5，回风风流不超过1，矿井总回风流中不超过0.75。 2加强检查工作。及时检查各用风地点的通风状况和瓦斯浓度，查明隐患进行处理，是日常进行瓦斯管理的重要内容。我国20世纪80年代所用的甲烷检查仪器有光学甲烷检定器、热放式甲烷检定器、甲烷警报器和甲烷遥测警报仪等。90年代以后使用比较先进的TX系列智能便携式气体监测仪和遥测仪器等。 3对瓦斯含量大的煤层，进行瓦斯抽放，降低煤层及采空区的瓦斯涌出量。 2.防止瓦斯引燃的措施 1井口房、瓦斯抽放站及主要通风机房周围20m内禁止使用明火。 2瓦斯矿井要使用安全照明灯，井下禁止打开矿灯，禁止携带烟草及点火工具下井。 3严格管理井下火区。 4严格执行放炮制度。 5严格掘进工作面的局部通风机管理工作，局部通风机要设有风电闭锁装置。 6瓦斯矿井的电气设备要符合煤矿安全规程关于防爆性能的规定。 7随采矿机械化程度的提高，防止机械摩擦火花引燃瓦斯显得日益重要。煤矿井下由于摩擦火花而引起的瓦斯爆炸事故占有相当的比例，因此不少国家对这个问题进行了研究，并提出，在摩擦部件的金属表面溶敷一层活性小的金属（如铬），使形成的摩擦火花不能引燃瓦斯；在铝合金的表面涂各种涂料，以防止摩擦火花的发生和金属中加入少量的铍，降低摩擦火花的点燃性等。 第4章瓦斯传感器的改进设计方案 4.1传感器的原理及应用 4.1.1传感器的定义及原理 传感器如图4-1传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他装置或器官。英文名称transducer / sensor 。 图4-1传感器 国家标准GB7665-87对传感器下的定义是“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。 4.1.2传感器的分类 可以用不同的观点对传感器进行分类它们的转换原理传感器工作的基本物理或化学效应；它们的用途；它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。 根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类 传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。 化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。 有些传感器既不能划分到物理类，也不能划分为化学类。大多数传感器是以物理原理为基础运作的。化学传感器技术问题较多，例如可靠性问题，规模生产的可能性，价格问题等，解决了这类难题，化学传感器的应用将会有巨大增长。 常见传感器的应用领域和工作原理列于下表。 1、传感器按照其用途分类 压力敏和力敏传感器 位置传感器 液面传感器 能耗传感器 速度传感器 加速度传感器 射线辐射传感器 热敏传感器 24GHz雷达传感器 2、传感器按照其原理分类 振动传感器 湿敏传感器 磁敏传感器 气敏传感器 真空度传感器 生物传感器等。 3、传感器按照其输出信号为标准分类 模拟传感器将被测量的非电学量转换成模拟电信号。 数字传感器将被测量的非电学量转换成数字输出信号包括直接和间接转换。 膺数字传感器将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出包括直接或间接转换。 开关传感器当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。 4、传感器按照其材料为标准分类 在外界因素的作用下，所有材料都会作出相应的、具有特征性