鄧 然，邵鑫宇

（哈爾濱華德學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150025）

0 引言

能源是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主動脈，能源供應(yīng)問題是制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個最為重要的因素，煤炭則是主要的能源之一。而在煤炭的安全生產(chǎn)事故中，瓦斯爆炸、一氧化碳中毒、粉塵爆炸、高溫導(dǎo)致中暑等占絕大多數(shù)，因此提高煤炭的安全生產(chǎn)能力，實際上就是要減少甚至杜絕這些危險?；谏鲜隹紤]，設(shè)計一種能夠?qū)ΦV井內(nèi)環(huán)境實時監(jiān)測的系統(tǒng)具有十分重要的意義 。本文通過對單片機(jī)技術(shù)及傳感器技術(shù)的研究，并結(jié)合煤礦行業(yè)的需求，可以對礦井內(nèi)的瓦斯?jié)舛?、一氧化碳濃度等進(jìn)行監(jiān)測，提高了煤炭作業(yè)過程的安全性與可靠性，降低了事故發(fā)生率。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

該礦井安全系統(tǒng)可以為煤礦工人提供安全保障，減少人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。它可以實時監(jiān)控礦道內(nèi)的甲烷、一氧化碳濃度，當(dāng)超過標(biāo)準(zhǔn)濃度時，發(fā)出聲光報警，并且通過無線傳輸技術(shù)將各個傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄仙衔粰C(jī)，從而保證礦井內(nèi)的安全生產(chǎn)。具體分為三大模塊，分別是檢測模塊、控制模塊和輸出模塊。檢測模塊包括MQ-4甲烷傳感器，MQ-7一氧化碳傳感器，DS18B20溫度傳感器，可以對礦道內(nèi)的氣體含量進(jìn)行監(jiān)測；控制模塊采用AT89C51單片機(jī)作為主控平臺，控制整個系統(tǒng)的運行；輸出模塊包括LCD顯示屏，通過LCD顯示屏可以實時看到當(dāng)前的溫度，甲烷和一氧化碳濃度等數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)值超出閾值時，蜂鳴器會發(fā)出警報，上位機(jī)擁有一個傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺，可以實時監(jiān)測礦道內(nèi)各個傳感器的數(shù)據(jù)，并且可以設(shè)置監(jiān)測參數(shù)的閾值和極限值。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本設(shè)計集成了甲烷信號檢測、一氧化碳信號檢測、溫度信號檢測、射頻發(fā)送與接收、聲光報警等多個功能模塊。本系統(tǒng)應(yīng)用于監(jiān)測礦井下環(huán)境，整個系統(tǒng)是由多個溫度傳感器、甲烷傳感器、一氧化碳傳感器和一個系統(tǒng)主機(jī)構(gòu)成的，可確保井下作業(yè)人員的人身安全。

2.1 主控模塊設(shè)計

本系統(tǒng)的核心控制部件選擇的是AT89C51，其工作電壓是3.3V。AT89C51的作用是完成系統(tǒng)的核心控制功能，其基本工作的最小系統(tǒng)包含3個部分，分別是用于復(fù)位電路、電源電路和晶振電路，晶振電路為系統(tǒng)提供的工作頻率是12MHz[1]。AT89C51一共有40個引腳，其中通用IO口共有32個。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計需求，IO口分別與顯示模塊、溫度傳感器、一氧化碳傳感器、NFR905等部件相連，從而構(gòu)成系統(tǒng)的整個硬件電路。

2.2 溫度傳感器模塊電路

該系統(tǒng)的溫度傳感器采用的是DS18B20。DS18B20除了集成溫度傳感器之外，還包含配置寄存器、64位的ROM以及溫度報警觸發(fā)器TH和TL。用戶可以通過設(shè)置TH和TL來設(shè)置溫度報警的上下限閾值。DS18B20輸出的信號是數(shù)字信號，因此其抗干擾能力相比其他傳感器要更強，其測量范圍為-55℃～125℃，完全符合本系統(tǒng)的設(shè)計需求。由于每個DS18B20內(nèi)部都有唯一的序列號，因此，同一總線上掛接多個DS18B20溫度傳感器也不會引起讀取混亂。

2.3 甲烷檢測模塊電路

礦井內(nèi)最常出現(xiàn)的一種安全問題是瓦斯爆炸，瓦斯是一種混合氣體，組成瓦斯氣體的主要成分就是甲烷，該系統(tǒng)中通過實時檢測甲烷的成分，來達(dá)到預(yù)防瓦斯爆炸的目的。因此，系統(tǒng)中所選的氣體傳感器是甲烷傳感器MQ-4，MQ-4由于其穩(wěn)定性高、使用簡單、方便調(diào)試以及標(biāo)校可靠等特點，被廣泛應(yīng)用在煤礦安全系統(tǒng)中，MQ-4采集到甲烷氣體后輸出的是一個模擬信號，因此需要經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。MQ-4一共包含6個引腳，本系統(tǒng)中，1、3、5引腳連接VCC，2、6引腳連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸入端，4引腳連接GND端。

2.4 一氧化碳檢測模塊電路

礦井中煤炭燃燒以及煤塵的爆炸都會產(chǎn)生一氧化碳?xì)怏w，所以通過監(jiān)測一氧化碳的含量可以檢測礦井中的燃燒和爆炸事故。本系統(tǒng)采用MQ-7氣體傳感器檢測礦井里一氧化碳的濃度，MQ-7具有靈敏度高、壽命長、成本低、驅(qū)動電路簡單等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于對一氧化碳?xì)怏w的檢測環(huán)境中，如家庭用氣體泄漏報警和工業(yè)一氧化碳報警等。MQ-7氣體傳感器包含6個引腳，該傳感器沒有輸入，只有輸出，由于輸出信號為模擬信號，因此輸出需要連接模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。

2.5 報警電路設(shè)計

當(dāng)按鍵設(shè)置好甲烷濃度、一氧化碳濃度、溫度的上限值，單片機(jī)就進(jìn)行循環(huán)監(jiān)測，時刻監(jiān)測溫度、甲烷濃度和一氧化碳濃度，并和報警上限進(jìn)行比較。本次報警電路主要分為兩部分，分別是蜂鳴器報警和燈光報警。聲音報警電路采用的是蜂鳴器，在正常供電的情況下，蜂鳴器就可以發(fā)出報警的響動。本系統(tǒng)中的報警電路由3部分構(gòu)成，分別是電阻，PNP型三極管和蜂鳴器，PNP型三級管的作用是為了放大單片機(jī)所提供的電平信號，以保證蜂鳴器能夠正常工作。

2.6 通信模塊電路設(shè)計

礦井下和地面上的無線通信是通過NRF905無線通信模塊完成的，NRF905包含兩部分，分別是數(shù)據(jù)發(fā)送端和數(shù)據(jù)接收端[2]。該模塊通過串口SPI和核心控制器單片機(jī)AT89C51相連，NRF905的工作電壓為3.3 V，一共包含32個引腳，其中用于配置NRF905的工作模式的引腳分別是TRX_CE和TX_EN。NRF905一共包含4種工作模式，分別是典型ShockBurst TX模式、典型ShockBurst RX模式、掉電模式和STANDBY模式，ShockBurst TX模式、典型ShockBurst RX模式分別用于完成NFR905數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收過程。NRF905在工作過程中，數(shù)據(jù)包的具體情況可通過配置TX-Payload和TX-Payload完成。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件系統(tǒng)設(shè)計部分主要介紹系統(tǒng)各個功能模塊的軟件工作流程，軟件設(shè)計是整個系統(tǒng)功能實現(xiàn)的基本保證，根據(jù)系統(tǒng)需求和不同硬件電路采取不同的算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，確定每個模塊的輸入、輸出和實現(xiàn)過程。

3.1 甲烷濃度檢測程序設(shè)計

當(dāng)甲烷傳感器采集到當(dāng)前的數(shù)據(jù)后，會將當(dāng)前的甲烷濃度信息通過轉(zhuǎn)換顯示在LCD顯示屏上，通過設(shè)置甲烷濃度的報警上限，來進(jìn)行甲烷濃度的閾值檢測報警，當(dāng)甲烷濃度超過上限時，開啟蜂鳴器然后進(jìn)行報警，繼電器開始工作，控制所連接的設(shè)備開關(guān)進(jìn)行開啟，NRF905發(fā)送數(shù)據(jù)。

3.2 一氧化碳濃度檢測程序設(shè)計

系統(tǒng)上電復(fù)位后，一氧化碳傳感器內(nèi)部先進(jìn)行初始化，然后檢查有無外部中斷產(chǎn)生，若有中斷，處理外部中斷，若無則開始采集數(shù)據(jù)。當(dāng)一氧化碳傳感器采集到當(dāng)前的數(shù)據(jù)后，會將當(dāng)前的一氧化碳濃度信息通過轉(zhuǎn)換顯示在LCD顯示屏上，通過設(shè)置一氧化碳濃度的報警上限，來進(jìn)行一氧化碳濃度的閾值檢測報警，當(dāng)一氧化碳濃度超過上限時，開啟蜂鳴器然后進(jìn)行報警，繼電器開始工作，控制所連接的設(shè)備開關(guān)進(jìn)行開啟，NRF905發(fā)送數(shù)據(jù)。

3.3 溫度檢測程序設(shè)計

開啟開關(guān)電源后，溫度傳感器開始工作，首先將溫度傳感器放置在空氣中，然后進(jìn)入溫度監(jiān)測子程序中，溫度傳感器將空氣中的溫度轉(zhuǎn)換成電信號進(jìn)行輸出，單片機(jī)接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行計算，之后顯示在LCD1602液晶顯示器上。DS18B20數(shù)字溫度測溫模塊首先初始化，然后讀取DS18B20數(shù)字溫度測溫模塊序列號，之后進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，隨后復(fù)位DS18B20數(shù)字溫度測溫模塊，若無中斷，則讀取數(shù)據(jù)，若有中斷則繼續(xù)回歸到復(fù)位操作。

3.4 無線通信程序設(shè)計

首先各個硬件開始初始化，先進(jìn)行NRF905通信模塊的初始化，然后初始化各傳感器，之后各個模塊開始工作，實時檢測溫度、氣體濃度，并進(jìn)行相應(yīng)的報警操作。數(shù)據(jù)發(fā)送成功后，清零發(fā)送使能位，進(jìn)入下一次數(shù)據(jù)發(fā)送循環(huán)。數(shù)據(jù)接收部分的程序負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)，接收到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到上位機(jī)中進(jìn)行存儲和處理。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)主要用來實時監(jiān)測礦井內(nèi)的作業(yè)環(huán)境，可及時發(fā)現(xiàn)礦井中一氧化碳濃度、甲烷氣體等超標(biāo)問題，若發(fā)生上述問題，可通過無線通信方式快速通知礦井上人員，及時作出相關(guān)救援。本系統(tǒng)操作簡單，快速有效。此外，本設(shè)計還存在著一些不足之處。例如：可以改進(jìn)無線通信方式，據(jù)調(diào)查顯示，自2018年起，井下已有手機(jī)信號，可通過GSM技術(shù)發(fā)送短信給地面救援部隊。2019年井下已經(jīng)實現(xiàn)WiFi覆蓋，連接WiFi也可以與地面上位機(jī)進(jìn)行通信。