王大雷，張國豪，韓育

(宿州學(xué)院 機(jī)械與電子工程學(xué)院，安徽 宿州 234000)

近年來發(fā)生多起煤礦爆炸事故，如2019 年1 月12 日陜西百吉礦業(yè)發(fā)生重大煤塵爆炸事故，造成21人遇難，經(jīng)濟(jì)損失3788 萬元，其主要原因是企業(yè)管理不善，煤塵檢測等方面存在問題[1]。當(dāng)煤塵顆粒濃度達(dá)到一定程度，隨著周圍環(huán)境溫度升高時(shí)，將可能會發(fā)生煤塵爆炸。它不僅會給礦井工人的生命安全帶來危險(xiǎn)，也給企業(yè)帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[2-3]。

針對目前煤塵檢測方法較為傳統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種基于STM32 的智能煤塵顆粒實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)的關(guān)鍵研究內(nèi)容：1）研究STM32 與煤塵傳感器之間的通信關(guān)系；2）利用GSM 通信模塊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程提醒功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由STM32[4]主控模塊、煤塵傳感器模塊、液晶顯示模塊、GSM[5]通信模塊及報(bào)警系統(tǒng)等組成，設(shè)計(jì)了一種智能煤塵顆粒濃度實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)。PC機(jī)主要功能是系統(tǒng)的軟件編程與修改，可以及時(shí)下載到單片機(jī)STM32 中進(jìn)行調(diào)試，系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)圖，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總計(jì)設(shè)計(jì)框圖

該系統(tǒng)的整體運(yùn)行思路如下：首先，利用煤塵傳感器對煤礦中的煤塵顆粒濃度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并送入STM32 主控模塊；其次，STM32 對采集的煤塵顆粒濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并將采集的煤塵顆粒濃度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在液晶顯示屏中；接著，STM32 單片機(jī)會對采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與設(shè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行比較處理，若超過設(shè)定預(yù)設(shè)值，系統(tǒng)則會啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，以提示在場的工作人員，同時(shí)啟動(dòng)GSM 通信模塊，將煤塵顆粒濃度信息第一時(shí)間發(fā)送至預(yù)設(shè)工作人員手機(jī)上，以更快地了解礦井煤塵濃度情況。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件電路主要由STM32 控制模塊、煤塵傳感器模塊、液晶顯示模塊、GSM 通信模塊及報(bào)警系統(tǒng)等模塊組成。

2.1 STM32 控制模塊

根據(jù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性要求，本系統(tǒng)選擇單片機(jī)為ARM Cortex 系列的STM32F103C8T6，主要因?yàn)樗?7 個(gè)通用I/O 口，功能易于擴(kuò)展，處理速度快，系統(tǒng)的時(shí)鐘最高可達(dá)72M，能夠滿足實(shí)時(shí)信息傳送要求。系統(tǒng)的工作溫度范圍為-40℃～85℃，可以滿足復(fù)雜的工作環(huán)境。綜合考慮選擇此單片機(jī)芯片。STM32 最小系統(tǒng)電路如圖2 所示。

圖2 STM32 最小系統(tǒng)電路

2.2 GSM 通信模塊

本系統(tǒng)的GSM 通信模塊選擇為WF-SIM900A芯片，其硬件電路如圖3 所示。GSM 通信模塊與STM32 控制模塊通過PA9 和PA10 這2 個(gè)I/O 口進(jìn)行連接進(jìn)行工作，數(shù)據(jù)通過GSM 通信模塊實(shí)時(shí)發(fā)送到用戶[6]。在本系統(tǒng)中，若檢測煤塵濃度高于預(yù)設(shè)值時(shí)，則系統(tǒng)啟動(dòng)GSM 通信模塊，將檢測結(jié)果通過該模塊第一時(shí)間發(fā)送到值班人員手機(jī)上。

圖3 GSM 模塊電路

2.3 顯示模塊

顯示模塊選擇為3.5 寸的TFT (Thin Film Transistor)液晶顯示器，該顯示器具有響應(yīng)速度快、功能強(qiáng)大、分辨率高及性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，其與STM32 主控模塊外接電路如圖4 所示。該模塊與STM32 主控模塊的I/O 口PA0-PA7 和PB10-PB14進(jìn)行連接，其功能實(shí)時(shí)顯示煤塵濃度數(shù)據(jù)。

圖4 顯示模塊電路

2.4 煤塵傳感器模塊

本系統(tǒng)選擇芯片為GP2Y1010AU0F 的煤塵傳感器。該模塊信號線與STM32 主控模塊的I/O 口PB8 相連，完成對煤塵濃度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，其外接電路如圖5 所示。

圖5 煤塵傳感器模塊電路

2.5 報(bào)警系統(tǒng)

該模塊選擇有源蜂鳴器，供電壓VCC 為3.3V，其硬件電路圖如6 所示。該模塊的信號線與STM32主控模塊的I/O 口PA12 進(jìn)行連接，當(dāng)系統(tǒng)檢測煤塵顆粒濃度高于預(yù)設(shè)值時(shí)，三極管Q1 基極的低電平使三極管飽和導(dǎo)通，使蜂鳴器發(fā)聲，系統(tǒng)報(bào)警。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的整體軟件設(shè)計(jì)思路如下：首先，系統(tǒng)初始化，設(shè)置煤塵的濃度參數(shù)的預(yù)設(shè)值。其次，利用煤塵傳感器對煤礦煤塵濃度進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，通過STM32 主控模塊對采集的信號進(jìn)行濾波處理，再利用3.5 寸TFT 液晶顯示屏進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示煤塵的濃度；最后，將實(shí)時(shí)采集的煤塵濃度數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)定的煤塵濃度閾值進(jìn)行比較，若實(shí)時(shí)煤塵濃度數(shù)據(jù)大于預(yù)設(shè)值時(shí)，則系統(tǒng)會立刻啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，同時(shí)也啟動(dòng)GSM通信模塊，將煤塵濃度數(shù)據(jù)信息立即發(fā)送至預(yù)設(shè)手機(jī)的工作人員。系統(tǒng)的總體流程圖，如圖7 所示。

圖6 報(bào)警系統(tǒng)模塊電路

圖7 系統(tǒng)總體流程圖

4 結(jié)語

利用STM32 單片機(jī)、煤塵傳感器、液晶顯示、GSM 通信及報(bào)警系統(tǒng)等模塊設(shè)計(jì)了一種智能煤塵顆粒濃度檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件電路功能穩(wěn)定、性能可靠，抗擾能力強(qiáng)；利用GSM 通信模塊，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線通信，為作業(yè)人員提供安全保障。該系統(tǒng)采用STM32 單片機(jī)，在軟件編程上開發(fā)速度較快，且易于擴(kuò)展新功能等。本系統(tǒng)智能化程度較高，電路穩(wěn)定且可靠，成本低，易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，具有很好的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。