◎岳俊華 郭佳珠

（作者單位：吉林建筑大學(xué)）

引言：煤炭工業(yè)是我國(guó)能源工業(yè)的重要組成部分。但仍有不少機(jī)械化程度較低的礦山企業(yè)，特別是對(duì)瓦斯、煤礦溫度的檢測(cè)和報(bào)警仍存在隱患。傳統(tǒng)的煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多采用有線技術(shù)進(jìn)行信息輸送，這種方存在以下缺點(diǎn)：有線方式的運(yùn)輸會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)于線路更加依賴(lài)，布線困難的情況在復(fù)雜的礦下環(huán)境中時(shí)有發(fā)生；信息的輸送會(huì)用到數(shù)模轉(zhuǎn)換或模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路布署，檢測(cè)過(guò)程繁瑣，細(xì)節(jié)較多，就導(dǎo)致監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性很難保證，無(wú)形中又增加了煤礦開(kāi)采的成本，在這種傳統(tǒng)的檢測(cè)系統(tǒng)中，整個(gè)系統(tǒng)地運(yùn)行很可能會(huì)因?yàn)橐粋€(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障而不能完成檢測(cè)，這樣一來(lái)，后期維護(hù)的成本也會(huì)大大增加。因此急于研究設(shè)計(jì)一套煤礦安全檢測(cè)報(bào)警專(zhuān)家系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)對(duì)瓦斯爆炸和煤層自燃的預(yù)防以及對(duì)煤礦安全管理具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義。

一、系統(tǒng)方案簡(jiǎn)要闡述

在本系統(tǒng)中能夠?qū)崿F(xiàn)的功能包括瓦斯?jié)舛让旱V溫度數(shù)值實(shí)時(shí)顯示，當(dāng)測(cè)量的實(shí)際濃度或溫度數(shù)值超過(guò)傳感器設(shè)定的預(yù)警值時(shí)，觸發(fā)聲光報(bào)警功能，同時(shí)控制排風(fēng)扇啟動(dòng)排風(fēng)以降低濃度含量或降溫。報(bào)警觸發(fā)的排風(fēng)功能與以往的人工控制風(fēng)扇排風(fēng)相比，在人工控制的基礎(chǔ)上增加了系統(tǒng)自動(dòng)控制的功能，是利用自動(dòng)化的手段使煤礦安全檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)更加智能化，系統(tǒng)采用無(wú)線運(yùn)輸方式來(lái)傳輸信號(hào)，相較以往的有線運(yùn)輸方式，大大提高了檢測(cè)的準(zhǔn)確性以及開(kāi)采效率。

本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心硬件控制部分，分別作為瓦斯?jié)舛葯z測(cè)報(bào)警部分和礦下溫度檢測(cè)報(bào)警部分的控制核心。整個(gè)煤礦安全檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)主要包括瓦斯?jié)舛燃暗V井溫度檢測(cè)及數(shù)據(jù)顯示部分，A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換和D/A 數(shù)模轉(zhuǎn)換部分及報(bào)警排風(fēng)部分。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.硬件設(shè)計(jì)。

瓦斯傳感器的選擇：選擇了MQ 系列的MQ-4 瓦斯傳感器，這種傳感器具有很高的靈敏度，使用壽命長(zhǎng)，更低廉的成本，快速的響應(yīng)恢復(fù)特性，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單等，非常適合本次設(shè)計(jì)的要求。

溫度傳感器的選擇：選擇了數(shù)字式溫度傳感器中DS18B20，支持“一線總線”接口，只需要一個(gè)I/O 口就能進(jìn)行信息傳遞，供電可用數(shù)據(jù)總線，分辨率為9~12 位，并且可定義報(bào)警值設(shè)置即可自行設(shè)定上下限值。

單片機(jī)的選型：選擇AT89S51 單片機(jī)，兼容AT89C51 的指令系統(tǒng)和引腳結(jié)構(gòu)，在這基礎(chǔ)上增加了一些功能：S51 支持并行編程和在線編程，抗干擾性更強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)軟件抗干擾，所以性?xún)r(jià)比還是很高。

A/D 轉(zhuǎn)換電路：本設(shè)計(jì)采用的A/D 轉(zhuǎn)換芯片為ADC0832 模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

D/A 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路：本設(shè)計(jì)采用的D/A 數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片為DAC0832。

顯示電路：瓦斯檢測(cè)部分和溫度檢測(cè)部分的測(cè)量數(shù)據(jù)顯示部分采用的是7 段共陽(yáng)LED 數(shù)碼管掃描電路，瓦斯顯示用到2 組，溫度顯示用到4 組。

報(bào)警電路：根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：采掘工作面中瓦斯報(bào)警濃度不能超過(guò)1.0%；26℃為采煤工作面溫度上限值，30℃為采掘工作面溫度上限值。考慮到煤礦環(huán)境的安全性和本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的限制性，現(xiàn)設(shè)定煤礦內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊纳舷拗禐?%，礦井溫度的上限值為26℃。報(bào)警電路的核心是三極管，三極管基區(qū)通過(guò)串聯(lián)一個(gè)電阻來(lái)接通單片機(jī)，蜂鳴器通過(guò)三極管NPN 驅(qū)動(dòng)，溫度檢測(cè)控制部分的報(bào)警電路與單片機(jī)的P1.0 口相連接，瓦斯?jié)舛葯z測(cè)報(bào)警電路與單片機(jī)的P1.7 口相連接。當(dāng)單片機(jī)P1.0 或P1.7 口輸出為高電平，即實(shí)際測(cè)量值超過(guò)設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)輸入高電平，此時(shí)蜂鳴器響，輸出為低電平時(shí)，蜂鳴器不響。

PWM 直流電機(jī)電路：隨著電子技術(shù)的發(fā)展，PWM 脈寬調(diào)制是現(xiàn)在比較常用的調(diào)速方法。它是通過(guò)可調(diào)節(jié)的數(shù)字信號(hào)高低電平占空比來(lái)控制模擬信號(hào)的變化，通常連接三極管配合使用，利用高低電平來(lái)導(dǎo)通電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)它的控制。

2.軟件設(shè)計(jì)。

Keil 開(kāi)發(fā)環(huán)境是由編譯器、匯編器、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、項(xiàng)目管理器和調(diào)試器組成的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。編程用到的是匯編器，首先新建一個(gè)文件，保存為。asm 后綴文件名的文件類(lèi)型，然后開(kāi)始編寫(xiě)，在程序編寫(xiě)完成后需要導(dǎo)入單片機(jī)，單片機(jī)識(shí)別的是。hex 后綴的文件類(lèi)型，這一步在kiel 軟件中轉(zhuǎn)換即可。程序的編寫(xiě)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)仿真的關(guān)鍵步驟。完成主程序設(shè)計(jì)、A/D 轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)、報(bào)警程序設(shè)計(jì)和PWM 電機(jī)調(diào)速程序設(shè)計(jì)。

三、仿真結(jié)果分析

程序的編寫(xiě)和格式的轉(zhuǎn)換在kiel 軟件中進(jìn)行，在Proteus 中繪制好對(duì)應(yīng)的原理圖后，雙擊單片機(jī)芯片添加目標(biāo)程序文件：。hex 后綴文件，之后點(diǎn)擊左下角的運(yùn)行仿真按鈕，如果各方面都沒(méi)有出現(xiàn)錯(cuò)誤，就可以在Proteus 原理圖中看到模擬的仿真運(yùn)行狀態(tài)。

本設(shè)計(jì)的仿真結(jié)果分析：當(dāng)滑動(dòng)變阻器左拉，即瓦斯?jié)舛刃盘?hào)變大時(shí)，模擬電壓變小，導(dǎo)致輸入單片機(jī)的數(shù)字量變大，數(shù)碼管顯示的數(shù)值也會(huì)相應(yīng)變大，在超過(guò)數(shù)值1 即“1%”時(shí)，蜂鳴器響，F(xiàn)AN 電機(jī)運(yùn)行，示波器顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速，溫度部分DS18B20 傳感器檢測(cè)到的信號(hào)經(jīng)由模數(shù)轉(zhuǎn)換顯示在數(shù)碼管上，當(dāng)其數(shù)值超過(guò)限定地26℃時(shí)，蜂鳴器響，F(xiàn)AN 電機(jī)運(yùn)行，示波器A 段顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速。

四、結(jié)論

本文采用了有別于傳統(tǒng)的有線技術(shù)方式的信息輸送——無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，研究設(shè)計(jì)一套煤礦安全檢測(cè)報(bào)警專(zhuān)家系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)煤礦內(nèi)瓦斯?jié)舛群偷V下溫度，此系統(tǒng)能夠很好的彌補(bǔ)有線技術(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的缺陷，同時(shí)增加了排風(fēng)扇的應(yīng)用，當(dāng)瓦斯?jié)舛然虻V下溫度超過(guò)預(yù)警值時(shí)能夠降溫降低瓦斯含量，大大加強(qiáng)了瓦斯?jié)舛群偷V下溫度檢測(cè)的準(zhǔn)確性，這種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式不會(huì)依賴(lài)線路，所以一定程度上能夠降低成本，這樣一來(lái)開(kāi)采效率也提高了。這個(gè)系統(tǒng)對(duì)瓦斯爆炸和煤層自燃的預(yù)防以及對(duì)煤礦安全管理具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義。