基于fpga的便携式甲烷浓度测试仪的设计

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1、中北大学2013届毕业设计说明书目录1绪论11.1瓦斯气体概述11.1.1瓦斯气体性质11.1.2瓦斯气体的爆炸11.2煤矿瓦斯检测仪的发展状况21.3本课题的研究意义32系统总体方案设计52.1系统总体构成及工作原理52.2系统的设计原理62.2.1传感器的选择62.2.2无线数据传输模块的选择92.2.3FPGA芯片、VHDL语言简介113系统硬件设计133.2A/D转换模块133.2.1ADC0809概述133.2.2数模转换电路163.3无线传输模块设计163.4LED显示电路设计183.5报警电路设计194系统软件设计214.1PTR2000无线传输模块224

2、.1.1PTR2000模块程序设计224.1.2串行无线传输协议设计224.1.3发射端程序设计234.1.4接收端程序设计284.2AD转换程序设计314.3码制转换子程序34I中北大学2013届毕业设计说明书4.4显示译码子程序355总结38参考文献39附录40致谢42II中北大学2013届毕业设计说明书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%（200

3、2-2005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。

4、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

5、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]。第44页共44页中北大学2013届毕业设计说明书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

6、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。瓦斯在煤体和围岩中以游离状态和吸附状态存在，一般情况下处于动态平衡，当外界温度、压力变化时，几种状态会互相转化，煤层在开采过程中，瓦斯被逸散出来，在井下积聚，造成瓦斯浓度增加，当CH4浓度达5%～16%时具有爆炸性，CH4浓度为9.5%时，爆炸威力最大，CH4浓度小于5%或大于16%时，一般不会爆炸，遇明火只会燃烧，瓦斯爆炸的上下限是可变的，当现场混合气体的

7、温度和压力发生变化或混入煤尘及其它可燃气体时，可影响瓦斯爆炸的上下限，如空气中的煤尘含量为10～12mg/m3浓度达到4%时，遇火就会爆炸。要消除引爆火源，必须严禁明电、明火下井，禁止明火放炮，要求井下电器设备必须防爆[4]。所以控制瓦斯浓度是防止瓦斯爆炸的根本，实时掌握瓦斯浓度状况是煤矿安全的头等大事。1.2煤矿瓦斯检测仪的发展状况多年来市场上用于瓦斯浓度检测的仪器主要有：气相色谱仪，气敏元件传感器，光学干涉仪等。(1)气相色谱仪该类仪器可以检测甲烷、二氧化碳等多种气体，测量范围大而且精度很高，但成本较高，目前国内一台这样的仪器要8万元