【《基于单片机的煤矿安全检测系统设计》8300字】

目录.绪论我国对于煤矿能源的需求量要比其他国家高很多，虽然我国煤场不少，但是对于采矿技术还没能做到完全机械化代替人工的程度。过去的这些年里，因为在煤炭开采的过程中会释放一种易燃易爆的瓦斯气体，而这种气体的特性，会导致煤炭开采时会发生大爆炸，而工作环境的因素致使工人们很难进行逃离，造成了大量的人员伤亡和重大财产的损失。随着时间的推移，煤炭使用量的逐渐加大，各个矿场开采的范围越来越大，且开采的深度也在渐渐加深，出于对工人安全的考虑不得不去尽量的研发一些器械代替人工，或者通过一些电子产品保障工人的安全。我的想法是如果可以在开采过程中能够把瓦斯气体的浓度控制住，或者提前知悉其浓度，或许就可以减少安全隐患和事故的发生，从而保证煤炭工作的可持续发展。1.1煤矿安全监测系统概述本次设计的检测系统主要功能是通过传感器将空中的待检测气体就是瓦斯气体检测出来，然后将信号数据传递给单片机，单片机接收到数据后进行处理，通过显示模块的LCD显示屏显示其测量的数据；当测量出来的数据超过通过按键面板模块设置的报警值以后，报警模块中的蜂鸣器会发出声音进行报警，同时显示灯进行频闪以达到预警的作用。1.2煤矿气体监测系统的国内外发展状况随着社会的进步和科学的发展，气体传感器的相关技术也越来越成熟。过去的气体检测仪器大部分都是比较笨重不方便携带，而且检测出来的数据误差也比较大，实用性并不高，但是依托相关技术的飞速发展，如今的气体检测仪结构比较简单，功能越来越强大了，对于工人们的工作环境来说，这种便携式的仪器实用性更大，测量出来的数据也更加精确，可以很有效的保证工人们的人身安全。我国的气体检测的相关技术相比国外而言要起步晚很多，许多的核心技术，像是传感器之类的一些行业发展的比较落后，而我国对于这种传感器的需求量又很大，很多时候都需要通过进口的方式去购买，尤其是要求比较高的仪器，存在着不得不向国外购买的一种现象。但是，在不断引进购买的同时，我国的相关研究部门和一些科技公司也在学习他们的技术，从而创新研制出属于我们自己的气体检测系统，如KJ66,KJ75,KJ80等煤矿有害气体监测系统被我国很多的煤炭公司所使用。我国人民自古以来都比较喜欢学习和创新，正是这种性格让我国的科技得到了飞速的发展。1.3本课题的研究意义我国是开采煤炭资源和使用煤炭资源的世界第一大国，因此对于开采这种重要能源的投入和程度是十分受国家重视的。而在开采这种能源的过程中，因为矿井中含有大量的有毒气体，如CO、SO2、CH4等，虽然有一些气体可以有效方便的进行清除，但是像CH4这种难溶于水，且易燃易爆的气体，稍有不慎就会引发重大的安全事故，造成大量的人员伤亡和经济损失。所以，我认为对矿井中瓦斯浓度的准确检测工作和及时的对工人进行预警的相关研究是很重要的。1.4本课题的主要工作内容本课题针对煤矿气体监测系统的现状及发展趋势，阅读了大量文献及资料，研制了煤矿气体监测系统，主要工作包括:首先要根据系统投入工作的使用环境进行硬件的筛选，选用合适的元器件并进行设计，其次要根据工作需要进行功能设计，主要包括一些电路设计和程序设计。最后对其进行电路仿真，测试成功后，焊接成品并进行系统调试。2.煤矿瓦斯监测系统设计的要求及设计原理本次设计的目标是在多种复杂气体共存的环境中准确的检测出甲烷气体的空气含量。煤矿环境是非常恶劣的，当甲烷气体浓度过高时要发出警报，这便要求在本次设计中的模块不仅要耐用，而且要具有较高的灵敏度。2.1系统设计要求2.1.1技术指标要求本课题单片机系统是核心硬件，但甲烷传感器也非常重要，我们要了解该传感器的特性。2.1.2系统功能本课题的主要系统功能流程如下：通过按键先手动设定甲烷气体浓度报警值，接通电源后，气体传感器开始检测气体中的CH4浓度，将信号通过AD转换器转换后发送给单片机，单片机处理后将浓度值显示在LED屏幕上。如果浓度大于设定值，便发出蜂鸣器报警和指示灯闪烁报警。2.2设计原理根据系统功能，便可以确定设计原理，也可以清楚的了解需要用到哪些硬件模块。本设计主要由传感器模块、模数转换模块、按键、LED模块、警报模块组成。以下内容便开始介绍各个硬件模块的选择。2.2.1气体传感器的选择气体传感器一般有半导式传感器、电化学式传感器等类型，在现实生活中后一种传感器使用的较多。本次设计打算使用MQ2传感器，该传感器对甲烷气体的灵敏度高，当空气中有可燃气体时，MQ内部的二氧化锡的导电率会发生改变，浓度愈大导电率愈大，根据这一特性，便可以将浓度换算成相应的输出电信号。同时，在选择传感器的时候，一定要考虑到稳定性、耐用度。MQ传感器是气敏传感器其具有很高的灵敏且成本低，寿命长，非常适合本次使用。MQ传感器的电路内部有一加热回路，其功能是提供加热电流，到达给传感器预热的作用。预热的原因是MQ2传感器在不同的温度下，测量准确度是不同的。图2.1MQ-2气体传感器2.2.2单片机型号的选择本次设计单片机是核心硬件，因此要选择最适合这次课题的单片机型号。大学期间主要涉及了AT89C51、STC89C52等类型的单片机，考虑到STC89C52可靠性高、抗静电强、功能多等优点，并且STC型比AT型编程更方便，STC可以按照常规方法进行编程也可以在线编程，便选择了STC89C52为本次设计的核心元器件。考虑到本次设计使用的环境是煤矿巷道，这种环境气体成分较为复杂，气体潮湿，很容易影响到硬件设备，可能导致单片机受损无法工作。因此，我们单片机要具有较强的耐用性、较强的抗干扰性。再次考虑到煤矿通道较长，如果要安装甲烷检测仪，则需要大量的该设备。这边考虑的成本的问题，我们要选用具有高性价比的单片机型号，降低成本，这样才可以大批量的生产该设备。单片机引脚图如图2.2所示。图2.2STC89C52引脚图2.2.3显示模块的选择如今市面上LCD显示屏技术较成熟，并且LCD显示屏显示功能更好，也比较省电。LCD液晶显示模块可以显示字母、数字、符号。数码管显示屏只能显示数字，使用价值较低。由于本次设计不仅要显示浓度值，还有与设定值进行比较，数码管无法完成此工作，所以选择了LCD1602显示模块。液晶显示器LCD1602引脚图如下图所示：图2.3LCD1602引脚图1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如下表所示:表2-11602LCD各引脚接口说明读操作时序图：图2.4读操作时序图写操作时序图：图2.5写操作时序图2.2.4A/D模块的选择因为系统监测的对象是瓦斯气体属于体积变量信号，但是单片机只能处理数字信号，因此我们需要用到A/D模块。具体转换过程为：瓦斯气体先经过传感器，传感器将其转换为电信号，电信号经A/D模块转换为数字信号，最后将数字信号传入到单片机中。ADC0832芯片如图2.6所示。图2.6ADC0832芯片2.3本章小结本课题研究的是一种需要在环境比较恶劣的情况下进行工作的检测系统设计，所以要考虑到元器件在这种情况下能正常的进行工作，最重要是测量出来的数据要精确，只有两者都满足时才能够正常的进行投放使用。因此我选择了灵敏度超高的MQ-2瓦斯气体传感器；具有超强抗干扰的STC89C52单片机和既可以显示数字又可以显示文字的LCD1602显示器作为安全监测系统的核心部件。煤矿瓦斯监测系统的硬件设计3.煤矿瓦斯监测系统的硬件设计本章将介绍基于各个模块的电路原理，各个电路实现的功能。3.1系统原理框图首先电源给单片机模块供电，通过按键将报警值设定为某一确定值，气体传感器开始预热工作，检测气体中的甲烷浓度，将转变后的信号发送给AD转换器，开始AD转换的同时，时钟模块开始工作提供时序信号，然后单片机接收到浓度信号处理后，通过LCD显示屏将浓度显示出来，该浓度值会保存在储存芯片中，并且如果浓度大于限定值就会发出声光报警。系统硬件原理框图如图3.1所示。图3.1系统硬件原理框图3.2系统硬件设计系统硬件原理图为图3.2。图3.2主程序电路图3.2.1系统电源电路设计电源1、2引脚通过控制开关与LED灯、1K的限压电阻连接构成回路，同时，引脚2与VCC相连达到为单片机供电的作用。当电源接通按下开关后，LED点亮就说明已经成功供电。1K电阻的作用是防止电流过大导致LED灯烧坏。图3.3系统电源电路煤矿瓦斯监测系统的软件设计3.2.2气体传感器电路设计（1）设计电路由图3.4可知，传感器引脚4与转换器的CH0引脚相连，用于传输甲烷气体信号，引脚1与单片机的VCC相连，引脚2接地，才可以正常供电。图3.4传感器电路（2）灵敏度调节传感器的越灵敏，测量值越趋于准确。因此，我们要将MQ2的灵敏度调到最合适的值。由传感器内部电路可知，其内部电阻的值对不同气体的最佳灵敏度不同，由图3.5可知，不同气体的灵敏度与电阻成反比，电阻值上升，灵敏度下降。根据此特性，我们可以选择最合适的电阻值，来获取最合适的灵敏度。图3.5MQ-2灵敏度特性曲线根据图3.6可知，在同一温度下，空气中气体成分复杂时，RL上的负载电压变化幅度较大。根据这一特性，我们可以选择合适的输入电压。图3.6负载测试波形图3.2.3A/D转换电路设计ADC0832与单片机的接口有CS、CLK、DO、DI。通过这４个接口便可以和单片机完成数据的传输，CS引脚要与单片机的P1.0口连接，时钟引脚与P1.1相连，DI和DO一般是连接在同一条数据线上，同时与单片机相连。CS引脚的电平非常重要，直接关系到该模块是否工作。当CS为高电平时，AD转换无法启动，CLK引脚的作用是为单片机提供时钟信号，CLK、DI、DO的电平引脚一般没有严格的要求。图3.7ADC0832引脚图3.2.4报警电路设计在大多数单片机系统中，报警电路是必不可少的。因为，如果没有报警系统提醒，我们无法知道电路的工作状态是否正常。而有了报警电路，当电路出现故障时可以及时的发出警报，我们便可以及时的采取应对措施。如图3.8所示，蜂鸣器和LED灯通过一个电阻构成回路，加一个PNP型号的三极管的作用是放大电流。因为单片机的工作电流过小，可能无法使蜂鸣器工作，通过三极管导通使电流强度可供蜂鸣器使用。图3.8报警电路3.2.5液晶显示电路设计显示屏电路的主要功能便是在LCD上显示浓度值即可，而LCD1602屏幕上下都可以显示数据，LCD的8个引脚口要与单片机的I/O口P0口对应相连，以达到数据传输的功能。值得注意的是LCD模块的GND、VO引脚与滑动变阻器相连的作用是控制电压，防止电压过大导致LCD屏幕损坏。显示电路如图3.9所示。图3.9显示电路3.2.6按键电路设计设定按键的好处是可以手动的调整浓度设定值，根据不同环境，调整甲烷浓度最大含量，这样便可以使用与多种不同的环境中。如图3.10所示，按键K2、K3的一端与单片机的INT0、INT1相连接，另一端接地。这两个按键一个控制浓度数值的增加，一个控制浓度数值的减少。图3.10按键电路3.2.7晶振电路单片机产生时钟信号为各项操作提供一定的基准，时钟信号产生的方式有内部时钟和外部时钟。本设计经过成本的考虑，采用内部时钟方式。89C52内部已有一个振荡电路，因此在单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接晶振Y1构成自激振荡器。其中所用电容C2，C3均为22pF电容，振荡电路的连接方法如图3.11所示。电路的具体连接为：单片机的18、19引脚与石英晶体相连，再和两个电容并联同时接地线。这样便可以产生时钟信号。图3.113.2.8复位电路系统开始工作时需要通过复位来实现处于确定的初始状态，89C52的复位方法有手动按钮复位和自动复位，本设计选择自动复位与上电复位相结合的方式来进行复位操作。复位电路与单片机9脚相连，外接电容C3，并有一个10K的电阻与GND相连。在单片机开始上电后，通过电容放电给RST引脚提供一个高电平信号，并且随着电容的充电来使高电平信号不断回落，因此RST端的高电平时间长短主要与电容的充电时间相关。复位电路如图3-12所示。当单片机正常通电后，该电路会首先进行一次上电复位为单片机提供初始状态，防止电路出现故障。当需要人为的使电路复位时，只需按下复位按键K1。图3.123.3本章小结在本章设计中，首先根据系统原理图我了解到了本次设计需要哪些功能，根据所需功能我绘制了电源电路、传感器电路、AD转换电路、报警电路、LCD显示电路、晶振电路、复位电路的相关电路图并阐述其工作原理。在AD转换电路的设计过程中，没有注意到输入阻抗，是否会对运算放大器造成干扰，选择了一个较大的电阻造成很大的分压，也导致测量的电压不精准。因此在设计电路时，一定要注意模块重要参数，防止芯片工作不稳定。在晶振电路电路设计中因为选用了电容值较大的电容，导致晶振电路工作效果差，经过查找资料，得知22μF的电容是较稳定的，经过更换后晶振电路得以正常工作。在电路板焊接的过程中，由于没有注意到焊接顺序的问题，导致电路板没有合理的利用好布线空间，在后期对电路导线连接的检查过程中十分复杂，添加的巨大的工作量，也很容易出错。在AD画图软件中绘制电路图时，由于以前的知识不牢固，导致部分元器件的名称不熟悉，在绘图时花费了大量的时间去找元器件，在元器件库中没有我需要用到的元器件。在老师的帮助和指导下重新学习巩固了重建元件库的相关知识。对以上所述的相关问题，在经过相关资料的查找和老师的帮助下得以解决，通过本次设计我加强了之前没有学好的绘图能力和焊接能力。4.煤矿瓦斯监测系统的软件设计本次软件的设计部分，主要包括各模块初始化、气体浓度分析计算、报警、数据储存等。4.1主程序设计主程序实现的功能主要是，调用各个模块的子程序达到预计的功能。大致步骤如下：首先单片机等各模块初始化，传感器开始检测空气中甲烷的浓度，经过处理信号传入单片机中，经过单片机的操作后，将浓度值储存在储存芯片中，同时显示在LCD屏幕上。再判断浓度值是否大于报警值，若大于便发出声光报警。主程序流程图如图4.1所示。在编写代码时，我们可以添加计时程序，控制一段时间检测一次，这样记录的浓度值更具有说服性。初始化数据采集及处理显示报警初始化数据采集及处理显示报警关闭警报>报警限NY图4.1主程序流程图4.2A/D转换程序流程图AD转换如图所示，ADC0832首先初始化，启动AD芯片，启动EOC通道接受浓度信号，开始进行AD转换，读取转换后的数据，用BCD编码压缩数据存储到单片机中，该程序结束，等待下一次数据转换。图4.2A/D转换程序流程图4.3报警程序流程图电源接通，报警模块处于待工作状态，当单片机计算到准确的浓度值时，若浓度过大，蜂鸣器开始报警。该子程序是一个无限循环的过程。图4.3报警子程序流程图4.4显示软件设计显示程序的主要工作过程如下：通电初始化，接受到浓度值后，将其显示在屏幕上，然后通过程序判断数据是否发送完毕，如果没有发送完毕，继续发送，发送结束后，显示程序便关闭。具体流程图如图4.4所示。关显示控制发送数据是否完毕?关显示控制发送数据是否完毕?图4.4显示程序流程图4.5本章小结因为本次设计的系统模块较多，如果通过整体来编写代码会比较繁琐，所以本章的主要内容是将整体设计分为主程序设计、A/D转换程序设计、报警程序设计和显示软件设计四个小模块并设计相关流程图。当编写代码时，通过流程图的辅助可以使自己思路清晰，有序的编写出相应的代码。在用主程序去调用各个模块的子程序的代码时，可以使这些代码更高效的运行。代码选用高级C语言进行编写，因为C语言是一种语句少但是灵活度高，代码执行效率也高，移植性也好，而汇编语言不方便移植，程序脚麻烦，非结构化，不方便阅读，条理性也差，开发周期也大。因此选用了C语言进行编写。虽然在本次编写过程中遇见了一些小问题，但是经过查找资料和老师的指导下，很轻松的完成了本次软件部分的程序编写内容。让我对之前的所学知识也加深了巩固，相信此次设计过程对于我未来的工作来说是一份很好的经历。致谢5.调试和安装5.1硬件安装和焊接本次设计焊接过程中，首先焊接单片机，围绕单片机再焊接其他模块，这是我的整体思路。LCD和89C52的引脚较多，焊接过程中比较麻烦，石英晶体、开关、蜂鸣器等小模块的引脚较短，焊接的时候易出现虚焊的情况。实物具体焊接图见图5.1。图5.1焊接实物图5.2系统调试首先，我在仿真软件上进行了电路测试，通过第四章的软件流程图，我逐个模块的编写代码，最后将代码汇总烧入单片机中，进行了仿真测试。如图5.2所示，电路正常工作，当前浓度值和设定值都清晰的显示了出来。仿真成功后，我便将代码写入了之前焊好的实物中。但在测试过程中，显示屏的亮度总是比较暗淡，数值也不是很清楚，经过检查发现，是LCD的引脚与单片机相连的地方出现了漏焊的情况。这提醒我要加强焊接的能力，最后，经过老师的帮忙我完善了所有出错的地方。成功运行的硬件图见图5.3、5.4所示。图5.2系统电路软件调试图5.3液晶显示硬件调试图5.4气体传感器硬件调试6.总结与展望6.1研究工作总结在本次课题的研究过程中，我了解到了煤炭资源对于我国社会发展和经济发展的重要性，以及煤矿开采的困难，煤矿工人们的辛苦付出，他们为了我国的发展做出了巨大的贡献。瓦斯爆炸对于工人们的威胁是最大的，因此，我也想通过我自己的一份努力为他们贡献一点力量，为我的国家建设贡献一份力量，所以我认为我的课题设计是非常有必要的。在本次煤矿安全系统检测系统的设计过程中遇到了许多困难，选择哪种传感器让我十分困扰，但经过不断地查询相关资料，多个传感器进行对比，最终选择了更适合我这个设计功能的MQ2传感器。在选择传感器的过程中由于粗心没有注意到传感器的灵敏度，在调试环节出现了一些问题，指导老师给予了我很大的帮助，帮我一起在实验室测试最佳灵敏度值。通过本次设计增强了自身的学习能力，使自己更加积极主动的去学习新知识。6.2研究设计展望对于本次设计我有如下展望：我此次设计的是一种针对于煤矿施工环境的检测系统，试想一下如果我的设计可以加一个GSM模块，当手动测试瓦斯的时候，如果瓦斯浓度过高会发送短信到手机上。这样便可以提高他的使用范围，例如将其安装在厨房中，当煤气泄漏时，机器可以检测到有毒气体浓度过高时，可以发送短信到主人手机中达到预警的功能，为我们的生命安全提供了很大的保障。参考文献参