王文杰

摘 要：煤礦生產(chǎn)過程中，不可避免的會在礦井中出現(xiàn)大量的甲烷等易燃、易爆氣體，一旦在煤礦中發(fā)生瓦斯災(zāi)害事故，不僅會損毀礦井設(shè)備，還會極大地威脅井下工作人員生命安全。因此，實時、準確地監(jiān)測出煤礦中的甲烷濃度，并且及時地進行報警是非常必要的，可以極大的減輕瓦斯災(zāi)害造成的損失。該研究以STM32F103ZET6控制芯片為核心，設(shè)計了煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案，硬件模塊和軟件模塊，希望通過該研究為煤礦的安全生產(chǎn)提供幫助。

關(guān)鍵詞：STM32F103ZET6 煤礦 瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（c）-0013-03

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，煤炭的消費量持續(xù)增長，瓦斯事故已經(jīng)成為制約煤礦安全生產(chǎn)的重要因素。在煤礦的實際生產(chǎn)中，礦難事故不斷發(fā)生，而導(dǎo)致礦難產(chǎn)生的原因有很多，目前在我國煤礦安全事故中，瓦斯事故所占的比例已達到80%以上，瓦斯事故對煤礦的人員和財產(chǎn)產(chǎn)生了巨大的威脅，成為了煤礦安全生產(chǎn)的最大障礙。因此，對井下的瓦斯?jié)舛冗M行實時的檢測并能夠及時準確報警的系統(tǒng)在煤礦安全生產(chǎn)中具有非常重要的意義。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

該研究設(shè)計的基于STM32F103ZET6的煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)總體框圖設(shè)計如圖1 所示。

該系統(tǒng)采用以太網(wǎng)的通信方式。由分布在井下各處的瓦斯傳感器時刻采集并監(jiān)測瓦斯?jié)舛龋?如果瓦斯?jié)舛瘸瑯藙t發(fā)出聲光報警。因STM32F103ZET6具有強大的通信能力，可以通過以太網(wǎng)通信網(wǎng)關(guān)向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，設(shè)置在井上的計算機可以實時監(jiān)測井下瓦斯的濃度，這樣就可以有效的降低瓦斯事故的發(fā)生率。

2 硬件設(shè)計

煤礦瓦斯監(jiān)控分站硬件圖如圖2 所示。以STM32F103ZET6為核心，包括了瓦斯傳感器、放大電路、聲光報警、以太網(wǎng)通信電路、數(shù)據(jù)存儲電路、電源電路、時鐘電路、按鍵電路、液晶顯示電路幾個核心部分構(gòu)成。

工作時，實際的瓦斯?jié)舛冉?jīng)過瓦斯傳感器采集并轉(zhuǎn)換為直流電壓信號，然后經(jīng)過放大后送入微處理器STM32F103ZET6內(nèi)置的A/D接口。微處理器STM32F103ZET6將轉(zhuǎn)換結(jié)果和設(shè)定的報警極限參數(shù)值進行實時比較， 若實時數(shù)據(jù)超過設(shè)定值則進行聲光報警。具體的參數(shù)、瓦斯的濃度、時間及地區(qū)等參數(shù)可以通過屏幕顯示， 也可存儲在數(shù)據(jù)庫中以便分析查看和更新設(shè)定。

（1）控制芯片的選型。

該設(shè)計將選用的STM32F103ZET6芯片共計擁有144個引腳，各個部分的名稱與參數(shù)如表1所示。

此外芯片還具有有多達11個定時器，4個16位的定時器；1個系統(tǒng)時間定時器；具有JTAG接口、5個USART接口、3個SPI接口、1個SDIO接口、1個USB接口和1個CAN接口。

（2）瓦斯傳感器。

傳感器作為自動化系統(tǒng)的“眼睛”，它的可靠性和穩(wěn)定性，是監(jiān)控系統(tǒng)能否正確收集被測環(huán)境和設(shè)備參數(shù)以及根據(jù)測量數(shù)據(jù)進行有效控制的關(guān)鍵。由于目前在煤礦中使用最普遍、最廣泛的是催化的燃燒型瓦斯傳感器，并已占據(jù)了煤礦瓦斯檢測的主導(dǎo)地位。因此該設(shè)計選擇的瓦斯傳感器為鄭州煒盛電子生產(chǎn)的MJC4/2.8J催化燃燒式甲烷氣敏傳感器。

（3）電源電路。

該設(shè)計選擇了LM1117作為電壓轉(zhuǎn)換器件，能夠提供1.2 V至37 V的電壓，最大負載電流為1.5 A；其在穩(wěn)壓精度，紋波抑制比，輸出電壓穩(wěn)定特性等方面都較好，內(nèi)部還有過載保護、安全區(qū)保護等多種保護電路。為了改善瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性，可以在其輸出端接上一個10 uF的鉭電容。

（4）時鐘電路。

該設(shè)計采用了外部晶振所產(chǎn)生的頻率為8 MHz的時鐘電路，選擇了20 pF的陶瓷電容作為外接電容。為了能夠減少輸出失真和啟動穩(wěn)定時間，外部電路應(yīng)當盡量靠近芯片的OSC_IN和OSC_OUT引腳。

（5）放大電路。

瓦斯傳感器采集到的電壓信號很微小，無法進行正常的A/D轉(zhuǎn)換識別，所以要經(jīng)過放大電路放大處理后再進行A/D轉(zhuǎn)換。該設(shè)計選擇了AD8574，它是一種CMOS放大器，可以通過隨機頻率實現(xiàn)高精度的自動調(diào)零，由2.7～5V的單電源供電。由于STM32F103ZET6內(nèi)置了3個12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，每個ADC有16個外部通道，轉(zhuǎn)換時間為1 us，能夠?qū)崿F(xiàn)高速轉(zhuǎn)換，所以A/D轉(zhuǎn)換由STM32F103ZET6內(nèi)部復(fù)用AD引腳完成。

（6）聲光報警。

在此次設(shè)計中，需要建立聲光報警電路。發(fā)光部分采用8050小功率開關(guān)三極管，發(fā)聲部分采用的蜂鳴器聲音強度為80 d B。

（7）以太網(wǎng)通信電路。

該設(shè)計采用主控芯片結(jié)合以太網(wǎng)控制芯片ENC28J60來完成信號的網(wǎng)絡(luò)傳輸。主控芯片能夠?qū)σ蕴W(wǎng)芯片進行控制，并通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行數(shù)據(jù)的實時收發(fā)通信。

（8）數(shù)據(jù)存儲電路。

在數(shù)據(jù)存儲芯片方面，采用的是SD卡。SD卡具有可靠、容量大、體積小、便于攜帶等諸多優(yōu)點，特別適用于需要長期數(shù)據(jù)儲存的系統(tǒng)，該設(shè)計采用的是8 GB的大容量SD存儲卡。

（9）鍵盤電路。

按鍵電路是整個系統(tǒng)中的輸入模塊，為了保證顯示數(shù)據(jù)的完整性，輸入模塊選擇了4*4 鍵盤，通過鍵盤可以改變瓦斯的安全預(yù)設(shè)值。

（10）顯示電路。

顯示電路是整個系統(tǒng)中的輸出模塊，該系統(tǒng)采用了8 位數(shù)碼管顯示。

3 軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)分為主程序模塊和若干個子模塊。系統(tǒng)開機需要完成對I/O口，寄存器以及相關(guān)變量的初始化，然后啟動自帶的定時器，完成信號的采樣與分析。一旦檢測到的瓦斯氣體濃度超標，報警子程序會完成報警操作。

4 結(jié)語

該系統(tǒng)采用了STM32F103ZET6作為硬件電路的核心，選用了鄭州煒盛電子生產(chǎn)的MJC4/2.8J型瓦斯傳感器，設(shè)計出整個系統(tǒng)的主要電路，并開發(fā)出了相應(yīng)的軟件。該系統(tǒng)成本較低、功能全面、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強、功耗低等多種優(yōu)點，非常適用于井下環(huán)境，并能夠有效地減少煤礦瓦斯事故所帶來的危害。

參考文獻

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