在各类煤矿安全事故中

在各类煤矿安全事故中，瓦斯事故是发生最频繁的灾害事故之一；因此瓦斯的监测监控对煤矿安全生产具有十分重要的意义。煤矿安全监控系统可以实现瓦斯浓度的实时准确的检测以及超限报警和瓦斯闭锁等功能；达到“科学、规范、准确”的管理要求，提高瓦斯防治的现代化管理水平。由于瓦斯灾害因素多、治理难度大，涉及技术装备、管理水平等因素，矿井瓦斯监控历来是我国煤矿安全工作的重点和难点。近两年，煤矿瓦斯治理得到了党和政府以及社会各界的高度关注，形成了煤炭行业内外合作、多学科交叉、产学研结合探索研究瓦斯治理难得的可喜局面。瓦斯的防治管理是一项繁杂的系统工程，涉及信息分析处理、预测预报、对人的行为和物的管控等，单凭人的经验和技能很难做到；这就需要通过现代科技力量，完善煤矿安全监控系统。加强瓦斯管理，还有很多方面的工作。近年来，为满足国民经济的快速发展对煤炭能源的强劲需求，国内煤炭开采强度和深度普遍加大，多数矿井由原来的低瓦斯矿井转变为高瓦斯或瓦斯突出矿井，这是近年来瓦斯事故多发的客观原因；另一方面，矿井安全监控系统的弊端，也是导致瓦斯事故的重要原因。矿井监控系统中现场层的瓦斯传感器是矿井瓦斯参数的检测工具，所以瓦斯传感器的选用十分重要，瓦斯传感器性能直接影响到安全监控系统中瓦斯检测的准确性和实时性。瓦斯传感器挂在井下需要测量和检测瓦斯的地点，如采掘工作面的回风流中。《煤矿安全规程》第一百六十九条规定：“低瓦斯矿井的采煤工作面，必须在工作面设置甲烷传感器。高瓦斯和煤（岩）与瓦斯突出矿井的采煤工作面，必须在工作面及其回风巷中设置甲烷传感器，在工作面上隅角设置便携式甲烷检测报警仪。”目前，瓦斯传感器存在着使用寿命短、工作稳定性差和调校频繁的缺点，制约着矿井瓦斯的检测；在研制新型传感器时应充分利用当前的高新技术，提高传感器的智能化程度。智能传感器技术是一门现代综合技术，是当前世界正在快速发展的高新技术，还没有形成规范化的定义。智能传感器的特点是把计算机技术和现代通讯技术融入传感器系统。使传统的传感器能更好的进行信息检测，又能通过软件的控制使传感器具备较强的信息处理和通讯能力，极大地提高传感器系统的性能。

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1.2智能传感器技术在国内外的研究现状

智能传感器技术的概念最初是美国宇航局在开发宇宙飞船的过程中形成的，为了保 证宇宙飞船在整个太空飞行过程中的安全，要求传感器的精度高、响应快、稳定性好， 同时具有一定的数据存储和处理能力，能够实现自诊断、自校准、自补偿及远程通信等 功能；而传统的传感器在功能、性能和数据容量方面显然不能满足这样的要求，于是智 能传感器便应运而生。

1.2.1能传感组成系统

智能传感器以微处理器为核心，扩展了传统传感器的功能；把敏感元件、信号调理 电路，以及微处理器单元集成到一块芯片上。智能传感器具备一定的判断、分析和信息 处理、记忆，逻辑思维能力，能够根据整个系统的工作情况调节各部分与上位计算机的 数据传送，使系统工作在最优低功耗和传送效率优化的状态。

智能传感器的实现结构形式既可以是分离式的，也可以是集成式的，按实现结构形

式的不同，智能传感器可以分为模块式、混合式和集成式三种形式[2]。模块式智能传感 器有许多相互独立的模块组成，是初级的智能传感器；混合式智能传感器将传感器、控 制芯片和数据调理电路等集成到不同的芯片上；集成式智能传感器将一个或多个敏感元1概

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件与微处理器、信号处理电路集成在同一硅片上，集成度较高、体积小，是智能传感器 的发展的方向。智能传感器的组成主要有传感器、微处理器（或计算机）以及相关电路

组成，其基本结构如图1.1所示：

图1.1智能传感器基本结构框图

智能传感器在功能上比传统传感器有极大的拓展，几乎包含仪器仪表的全部功能， 主要表现在以下几点[2]：

(1)逻辑判断和统计处理

智能传感器能够对检测数据进行分析、统计和修正，能进行非线性、温度、噪声、 响应时间、交叉感应以及缓慢漂移等误差补偿，还能根据工作情况调整系统状态，使系 统工作在低功耗和传送效率优化的状态。

(2)自检和自校准

这是智能传感器的标志之一，智能传感器可以通过对环境的判断和自诊断进行零位 和增益等参数的调整。

(3)组态软件

智能传感器设置多种模块化的硬件和软件，用户可以通过操作指令，改变智能传感 器的硬件模块和软件模块的组合形式，已达到不同的应用目的，完成不同的功能，实现 多传感器、多参数的符合测量。

(4)双向通信和标准化数字输出

智能传感器具有数字标准化数据通信接口，能与计算机或总线相连，相互交换信息。

(5)人机对话

智能传感器与仪表等组合在一起，配置各种显示装置和输入键盘，使系统具有灵活 的人机对话功能。西安科技大学硕学位论文

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(6)信息存储与记忆

可以存储各种信息，对检测数据的随时读取，大大加快了信息的处理数据。

目前，根据应用场合的不同，推出的智能传感器选择具有上述全部或者一部分功能， 确保智能传感器具有高的准确性、灵活性和可靠性；同时采用廉价的集成电路工艺和芯 片以及强大软件来实现，提高智能传感器的性价比。

1.2.2能传感国内外研究状

作为工业不可缺的重要器件，传感器所承担的任务越来越重，智能传感器已经越来 越受到人们的关注。不论智能传感器是分离式还是集成式的结构形式，其智能化核心都 是微处理器。不仅要具备对数据信息的分析处理能力，还要具有数字标准化数据通信接 口，能与计算机直接或通过接口总线相连，互交信息。它的出现，使人们不再满足传感 器单一的探测信息的功能，而是要求传感器能够将大量的信息分析处理优化，过滤错误 或者干扰产生的数据，将最优的信息传递控制中心或上位机。

随着工业程度的高速发展，越来越多的地方需要智能传感器。这也对传感器的智能 化提出了更高的要求，提高智能传感器的可靠性和抗干扰能力，保证传感器的现场故障 率最低是现在智能传感器的研究重点。微机械电子、人工智能、计算机技术的快速发展， 智能化传感器技术正处于蓬勃发展时期，智能传感器的“智能”含义不断的深化，许多 智能传感器新模式陆续出现。近年来嵌入式智能传感器和阵列式智能传感器成为研究的 热点。阵列式智能传感器为多个传感器排布成若干行列的阵列结构，并行提取检测对象 相关特征信息，并进行处理的新型传感器。阵列中的每个传感器都能测量来自空间不同 位置的输入信号，提供给使用者不同的空间信息。嵌入式智能传感器一般是指应用了嵌 入式系统技术、智能理论（模糊理论和神经网络技术）和传感器技术，具备网络传输功 能，并且集成了多样化外围功能的新型传感器系统。经典智能传感器一般是单片机再加 上控制规则进行工作的，较少涉及智能理论（人工智能技术、神经网络技术和模糊技术

等）。因此，基于嵌入式系统来应用智能理论的嵌入式智能传感器，具有更高智能化程 度。一个完整的嵌入式智能传感器总体结构如图1.2所示

[2]

，有单（多）传感器系统、

嵌入式系统两大部分组成。1概

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图1.2嵌入式智能传感器

我国的智能传感器的生产和发展已经有了一定的突破，但整体实力还比较弱，与发 达国家相比还有很大的差距。但是在发展中国家里，我国是智能传感器行业中最大最齐 全、综合实力最强的国家。智能传感器技术及应用还需要经历一个较为漫长的发展成熟 期，对于国内智能传感器技术及产品开发面临着更大的挑战，这种局面需要国内传感器 行业共同探讨，应对激烈的国际竞争市场。在日益优厚的国家及政府扶持政策下，坚持 产、学、研的密切结合，继续加大国内智能仪表的开发投入。

国外智能传感器占据了传感器国际应用市场的绝大比重。比如美国ST-3000系列智 能变送器和德国斯特曼公司的二维加速度传感器，以及另外一些含有微处理器(MCU) 的单片集成压力传感器、具有多维检测能力的智能传感器和固体图像传感器(SSIS)等。 如何结合目前智能仪表的工业应用经验，并快速跟踪国际智能前沿技术，应用于我国智 能仪表的开发研究成为振兴民族智能仪器仪表的一大突出问题。

智能传感器代表了传感器的发展方向，也符合了传感器未来的发展方向。显然，在 现代化工厂逐步走向智能化的今天，传感器的智能化趋势已越来越明显。

1.3研究的问题

本课题设计的智能瓦斯传感器报警系统，采用理论研究和实验研究相结合的方法；其技术依 据是传感技术和单片机技术，对其进行仿真调试运行。主要工作包括传感器技术和单片机技术的研究，以及系统软硬件的设计。

1.3.1能传感技

随着国家煤矿安全生产的规范管理，煤炭管理部门加强了对煤矿安全生产的监管力 度，要求对所属矿井的安全生产与管理能够实时监控，及时了解与查询现场监测信息。 煤矿安全监控系统得到了快速的发展。目前我国比较有代表性的研究机构有，煤科总院、辽宁工程大学、北京中煤、中国矿业大学、平顶山煤业集团等，国内煤矿装备的监控系 统有数十种，比较成熟的有下列几种：

(1)传统煤矿监控系统。如重庆安仪厂的AYJ-I瓦斯遥测系统、上海电表厂的ABD-2

瓦斯遥测系统和西安煤矿仪表厂生产的MJC-100煤矿集中检测系统等，技术成熟，功能 简单适合中小型煤矿使用。

(2)国外引进系统。“六五”期间我国引入了多种国外煤炭监控系统，如美国的FECO、 英国的MINOS、法国的CTT等系统，技术先进，能够适应现代化矿井的要求，但是价 格昂贵，在某些方面与我国矿井环境并不兼容。

(3)新开发的系统。在借鉴与消化引进国外煤矿监控系统的基础上，我国开发了一系 列煤矿监控系统，比如：航天航空部634所开发的KJ4煤矿安全生产监测系统和天地科 技有限责任公司常州分公司开发的KFl、KJ2、AI、A2、KJ95、系统和TF200、HI—MASS 等。这些监控系统较好地解决了先进技术与煤矿落后生产条件的矛盾，比较适合我国国 情，但尚需进一步完善。比如：目前国内普遍使用的KJ95煤矿综合监控系统，仍然采 用电信号传输方式为主的传感器。

在煤矿安全监控系统中，传感器是处于现场级的设备，对矿井环境参数进行采集。 传统的传感器通常由敏感元件、转化元件和转换电路组成；将表征环境的物理量转换成

可使用的电量（电流、电压、频率等）。这种传感器只能进行简单的探测信息功能，有 的传感器能进行简单的数据处理功能。目前国产监控系统的配套传感器，主要存在两大 问题：一是品种不全，用于监测环境参数的传感器较多，而用于监测生产设备工作运行 状况参数的传感器少；二是现有的传感器不同程度存在精度差、可靠性不高的缺陷[3]。 特别是用于瓦斯综合治理和灾害预测的甲烷传感器，一直存在使用寿命短、工作稳定性 差和调校频繁等缺点，严重制约着矿井瓦斯的实时检测。

随着人们对传感器各方面性能要求的不断增高，在研制新型传感器时应本着高起

点、高智能化，应充分利用微处理器的优点，做到自诊断、自校正、自调零、配置标准 远程接口，统一传感器的输出信号，以提高传输的可靠性、数据简单性和传感器的互换 性。随着计算机技术和网络技术的发展，智能传感器开始逐渐得到人们的青睐[4]。智能 传感器具有更高的安全性、更方便的可操作性以及更强的恶劣环境的适应能力；还具有 一定的数据判断、分析和信息处理能力，能够根据整个系统的工作情况调节各部分与上 位机的数据传输，使系统工作在最优低功耗状态和传送效率优化的状态；发展配置齐全、 高可靠性的矿用智能传感器是监控系统发展的关键技术之一。

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瓦斯报警系统以微处理器为核心，加入传感器的功能；把敏感元件、信号调理

电路，以及微处理器单元集成到一个系统上。系统具备一定的判断、分析和信息

处理、记忆，逻辑思维能力，能够根据整个系统的工作情况调节各部分与上位计算机的 数据传送，使系统工作在最优低功耗和传送效率优化的状态。

瓦斯报警系统的实现结构形式既可以是分离式的，也可以是集成式的，按实现结构形

式的不同，瓦斯报警系统可以分为模块式、混合式和集成式三种形式。模块式瓦斯报警系统有许多相互独立的模块组成，是初级的瓦斯报警系统；混合式瓦斯报警系统将传感器、控 制芯片和数据调理电路等集成到不同的芯片上；集成式瓦斯报警系统将一个或多个敏感元件与微处理器、信号处理电路集成在同一硅片上，集成度较高、体积小，是智能传感器 的发展的方向。瓦斯报警系统的组成主要有传感器、微处理器（或计算机）以及相关电路 组成，其基本结构如图1.1所示：

国外煤矿监测监控技术根据信息传输技术的进步划分为四个阶段第一阶段:采用空分制来传输信息，60年代中期英国和日本煤矿中的控制机大都采用这种技术。典型代表有法国的CTrT63/40煤矿监测系统，它可测瓦斯、一氧化碳、风速和温度等参数。

第二阶段:采用频分制信号传输方式，它是伴随着以晶体管电路为主的信息传输技术的发展而出现的，这种传输方式使传输信道的电缆芯数大大减少，很快就取代了空分制系统。典型代表有Siemens公司的TST系统和F+H公司的TFZOO系统，其中TST系统对今天的煤矿安全监控系统仍有影响。

第三阶段:采用时分制信号传输方式，它是伴随着集成电路的出现发展起来的，其结构简单、配置灵活、抗干扰能力强，但是通信规程比较严格。在当时的英国这个技术被普及，具有代表性的系统是以时分制为基础的MINOS煤矿监控系统。时分制的出现开创了煤矿自动化技术和煤矿监控技术发展的新局面，今天国内外各种监控系统的整体结构还是和那时没有太大变化，只是在功能和技术先进性上有了较大的提高。

第四阶段:在这个阶段信号的传输方式还是属于时分制范畴，但以分布式微处理机为基础，综合利用了计算机技术、大规模集成电路技术、数据通信技术等现代高新科技技术，开发了全矿井综合自动化监控系统，集语音通信、数据处理、图像识别于一体，融监测、控制、通信功能、无线接入技术于一网，兼容各种专用监控系统功能，覆盖全

矿井各生产和生产辅助环节，实现了对综采工作面和矿并运输、通风、排水、供电等设备工况参数以及矿井瓦斯浓度等环境参数的自动化监测和控制。其中有代表性的是美国MSA公司DAN6400系统。

我国煤矿监测监控技术起步于20世纪80年代，开始由原煤炭部组织了对国外煤矿监控技术进行大规模考察，然后从波兰、法国、德国、英国和美国引进了一批安全监控系统来装备部分煤矿。随后几十年内在引进国外先进技术的同时，消化、吸收并结合我国煤矿的实际情况，研制出一批如KL95、KJ90等具有世界先进水平的监控系统。我国目前装备的安全监控系统大约有30多种，主要存在以下几点不足:

a)通用性差

现有煤矿安全监控系统大多针对某一监控对象(如环境安全、提升运输、设备开停等)开发，各设备生产厂家缺乏统一标准，从而造成设备、配件互不通用，系统扩展和升级能力差。 b)兼容性差

现有煤矿安全监控系统的通信协议和传输设备物理层协议缺乏统一的标准。我国绝大部分监控系统采用RS485串行通信总线的传输方式，监控系统大多是主从结构，无法构建多主冗余系统;现有的各种现场分站采用各自现场总线的专用通信协议，很难相互兼容。

C)智能程度低

现有监控软件均为某一监控目的而开发，难以通过简单的操作实现多方面监控的目的，多数监控系统局限于参数的监测，缺少监控能力，更无监管功能，很难实现煤矿安全集中监控和全矿区的监管。

为了满足现代煤矿安全生产和信息管理的要求，煤矿监控系统朝着网络化、标准化、智能化的方向发展，并从单一监控功能向性能可靠、功能强大的全矿井综合监控信息系统发展。 a)网络化

b)标准化

c)智能化

本研究课题是基于单片机构建瓦斯报警系统。由传感器、微处理器和显示模块组成，有害气体传感器实时检测周围环境参数，检测微处理器电路控制传感器，并将传感器测得的数据通过LED显示及报警

因此本课题研究

的主要内容有以下几个方面:

l)煤矿安全系统的总体设计:包含系统概述、系统设计原则、系统构成;

2)硬件设计:包括CPU即89C51的外围电路设计、显示模块设计和报警电路的设计;

3)软件设计:主要是单片机软件设计等。

参观实习，查阅有关资料。

熟悉理解题目。设计出初步研究方案，书写开题报告。

方案论证、总体设计。

仿真实验并进行结果分析。

撰写毕设论文。

准备答辩。

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