矿用电子显示屏设计

矿用电子显示屏设计摘要煤炭资源在我国能源结构中占据核心地位，井下安全生产是煤炭行业发展的核心前提，甲烷气体超限是引发井下安全事故的主要诱因之一。当前井下传统显示设备存在功能单一、数据展示不直观、缺乏联动报警与远程传输能力等问题，无法满足现代化煤矿安全监测的实际需求。基于此，本文设计一款适配井下使用环境的矿用电子显示屏，以STM32F103C8T6单片机作为核心控制载体，搭配MQ-4甲烷检测部件完成井下气体浓度数据采集，借助TFT串口显示屏完成数据可视化展示，通过独立按键实现报警阈值的手动调整，搭配语音播报部件完成超限警示，同时依托ESP8266通信部件接入T-link云平台，实现数据远程存储、波动曲线查看与远程阈值设置。本文完成系统整体方案规划、硬件电路搭建、软件程序编写与系统功能测试，最终实现甲烷浓度实时展示、阈值自定义、超限语音报警、云平台远程监控等全部预设功能。系统整体结构简洁、运行稳定、成本可控，能够适配井下复杂的使用环境，为煤矿井下气体安全监测提供直观的可视化支撑，有效提升井下安全管理的便捷性与时效性。关键词矿用电子显示屏；STM32单片机；甲烷检测；TFT显示；云平台；语音AbstractCoalresourcesoccupyacorepositioninChina'senergystructure,andundergroundsafetyproductionisacoreprerequisiteforthedevelopmentofthecoalindustry.Exceedingthelimitofmethanegasisoneofthemaintriggersofundergroundsafetyaccidents.Atpresent,traditionalundergrounddisplayequipmenthasproblemssuchassinglefunction,unintuitivedatadisplay,lackoflinkedalarmandremotetransmissioncapabilities,whichcannotmeettheactualneedsofmoderncoalminesafetymonitoring.Basedonthis,thispaperdesignsamine-usedelectronicdisplayscreensuitableforundergrounduseenvironment,takingSTM32F103C8T6single-chipmicrocomputerasthecorecontrolcarrier,matchingwithMQ-4methanedetectioncomponenttocompleteundergroundgasconcentrationdatacollection,realizingdatavisualizationdisplaywithTFTserialdisplayscreen,realizingmanualadjustmentofalarmthresholdthroughindependentkeys,completingover-limitwarningwithvoicebroadcastcomponent,andaccessingT-linkcloudplatformthroughESP8266communicationcomponenttorealizeremotedatastorage,fluctuationcurveviewingandremotethresholdsetting.Thispapercompletestheoverallsystemplanning,hardwarecircuitconstruction,softwareprogrammingandsystemfunctiontesting,andfinallyrealizesallpresetfunctionssuchasreal-timedisplayofmethaneconcentration,customthreshold,over-limitvoicealarm,andcloudplatformremotemonitoring.Theoverallsystemstructureissimple,stableinoperationandcontrollableincost,canadapttothecomplexundergrounduseenvironment,provideintuitivevisualsupportforcoalmineundergroundgassafetymonitoring,andeffectivelyimprovetheconvenienceandtimelinessofundergroundsafetymanagement.KeywordsMine-usedelectronicdisplay;STM32MCU;Methanedetection;TFTdisplay;Cloudplatform;Voicealarm目录25080摘要 I17286Abstract II318021绪论 1214931.1研究背景与意义 1147041.2国内外研究现状 2113701.3研究主要内容 2278771.4论文组织结构 351631.5本章小结 313812功能与设计方案 4227872.1系统功能要求 448562.2整体设计方案 416912.3系统硬件选型方案 5182672.3.1主控制器型号选择 5290732.3.2气体检测器件型号选择 6120962.3.3显示器件型号选择 6317912.3.4语音播报部件型号选择 747712.3.5无线通信部件型号选择 7271212.3.6按键控制部件型号选择 873502.3.7电源供电部件型号选择 8692.4本章小结 8123353系统的硬件设计 10261433.1STM32F103单片机 10130493.2MQ-4甲烷检测电路设计 113443.3TFT串口显示屏电路设计 12134763.4语音播报电路设计 13184253.5ESP8266无线通信电路设计 14115163.6按键控制电路设计 15278683.7电源供电电路设计 16155373.7本章小结 17190144系统的软件设计 18266204.1软件介绍 18170014.2AD10电路设计软件介绍 18173124.2软件程序的设计 19197024.2.1主程序流程图 1937664.3甲烷浓度采集程序设计 20251164.4显示屏驱动程序设计 21184744.5按键阈值调节程序设计 22139954.6语音报警程序设计 2312384.7云平台数据传输程序设计 2467154.6本章小结 25132005系统的测试 2639615.1硬件电路调试 2699065.2软件程序调试 26143595.3系统功能测试 27140555.3.1甲烷浓度实时显示测试 27145705.3.2报警阈值手动调节测试 27126005.3.3超限语音报警测试 2882475.3.4云平台数据上传测试 2947875.4本章小结 2926438结论 3126149参考文献 3212722谢辞 3331928附录A 3416401附录B 351绪论1.1研究背景与意义我国能源结构长期以煤炭为主，煤炭产业在工业生产、电力供应、民生保障等领域承担着不可替代的作用。随着煤炭开采深度不断增加，井下地质条件、通风环境、气体分布愈加复杂，顶板垮落、透水、瓦斯积聚、爆炸等安全事故仍时有发生。在各类隐患中，甲烷超限积聚是引发重特大事故的最主要因素，具有突发性强、破坏力大、逃生时间短等特点，一旦失控，会对井下作业人员生命安全和企业财产造成难以挽回的损失。因此，对甲烷浓度进行不间断、可视化、可远程监管的实时监测，已成为现代煤矿安全生产体系中最基础、最关键的环节。在传统煤矿作业模式下，井下信息传递方式较为落后，部分工作面仍依靠人工巡检、便携式检测仪读数、电话汇报等方式完成安全监测。这些方式存在明显短板：数据传递滞后、信息不直观、无法连续记录、依赖人员责任心，极易因疏忽、误读、沟通延迟而错过最佳处置时机。同时，现有矿用显示设备大多功能简单，仅能做数值呈现，不支持阈值设置、声光联动报警、远程上传等扩展能力，在昏暗、高粉尘、强噪声的井下环境中，可视性差、警示效果弱、操作不便，难以满足智能化矿山建设的要求。随着嵌入式技术、物联网通信、智能传感技术在矿山领域的快速渗透，矿山安全监测正朝着集成化、可视化、远程化、智能化方向升级。矿用电子显示屏作为井下信息展示的直接入口，承担着数据呈现、状态提示、紧急报警、信息交互等多重功能，其稳定性、易用性、可靠性直接影响现场安全管理效率。研发一款适配井下工况、操作简单、显示清晰、具备本地报警与远程监控能力的专用显示屏，能够有效弥补传统设备的不足，让现场人员第一时间掌握环境参数，让地面管理人员实时掌握井下状态，对提升矿井整体安全水平具有重要价值。本文设计的矿用电子显示屏，正是面向井下实际使用场景推出的一体化监测显示装置。它以稳定采集、清晰显示、及时报警、远程可视为核心目标，可广泛应用于采掘工作面、回风巷、机电硐室等关键位置，实现甲烷浓度可视化、报警阈值可调节、报警信息可联动、历史数据可存储、远程状态可监控。系统投入使用后，能够降低人工巡检压力，减少人为失误，提高异常情况响应速度，为井下作业提供更可靠的安全保障，对推动煤矿安全监测设备升级、加快智能化矿山建设、降低事故发生率具有显著的现实意义与工程应用价值。1.2国内外研究现状国外煤矿安全监测技术起步较早，在矿用电子显示设备的研发与应用上已形成成熟体系。欧美等矿业发达国家注重设备的集成化与智能化，其矿用显示设备多结合高精度传感器、无线通信技术与大数据平台，可实现多参数监测、远程控制、故障预警等功能，设备本身具备完善的防爆、防尘、防水设计，能够长期稳定运行在极端井下环境中。同时，国外设备注重人机交互体验，显示屏采用高亮度、宽视角设计，适配井下昏暗的视觉环境，操作流程简洁，降低现场人员的使用门槛。但国外设备成本较高，售后维护流程复杂，难以在国内中小煤矿企业中大规模推广。国内煤矿安全监测技术近年来发展迅速，众多科研机构与企业针对井下实际需求，研发了多款矿用监测与显示设备。目前国内矿用显示屏多以LED数码管、单色LCD屏为主，成本较低、结构简单，能够满足基础的数据展示需求，在中小煤矿中应用广泛。随着物联网技术的普及，国内部分企业开始推出集成无线通信功能的智能显示设备，可实现数据远程上传与手机APP监控，功能逐步向国外设备靠拢。但国内现有设备仍存在诸多不足，部分设备显示屏可视性差，在井下粉尘、昏暗环境下查看困难；多数设备不支持阈值手动调节，无法适配不同开采区域的安全标准；设备抗干扰能力较弱，在井下复杂电磁环境中易出现数据传输异常、显示卡顿等问题；且设备整体集成度不高，体积较大，安装与维护不便。综合国内外研究现状来看，矿用电子显示屏正朝着集成化、智能化、便携化方向发展，兼顾成本与性能的设备更符合国内煤矿市场需求。本文基于国内煤矿实际使用场景，简化设备结构、优化功能配置，设计一款低成本、易操作、功能完善的矿用电子显示屏，弥补现有设备的不足，推动国内矿用智能显示设备的技术升级。1.3研究主要内容本文围绕矿用电子显示屏的设计与实现展开研究，结合井下使用环境与安全监测需求，完成从方案设计到功能测试的全流程工作，具体研究内容如下：1.明确矿用电子显示屏的功能需求，确定系统整体设计方案，规划硬件组成与软件运行逻辑，选定适配井下环境的核心器件型号。2.完成系统硬件电路设计，包含主控电路、甲烷检测电路、显示屏驱动电路、语音播报电路、按键控制电路、电源供电电路，结合电路原理图完成各部件的接线设计，确保硬件运行稳定、抗干扰能力强。3.搭建系统软件开发环境，编写主程序、甲烷浓度采集、显示屏驱动、按键调节、语音报警、云平台数据传输等程序，实现数据采集、展示、报警、上传的全流程控制。4.开展系统硬件调试与软件调试，排查电路接线、程序运行中的问题，完成系统整体功能测试，验证甲烷浓度显示、阈值调节、语音报警、云平台监控等功能的可行性与稳定性。5.总结系统设计的优势与不足，对矿用电子显示屏的后续优化方向提出建议，为同类矿用电子设备的设计提供参考。1.4论文组织结构本文围绕矿用电子显示屏设计展开撰写，全文共分为五个章节，各章节内容安排如下：第一章为绪论，阐述矿用电子显示屏的研究背景与现实意义，梳理国内外相关技术的研究现状，明确本文的研究主要内容与论文整体组织结构。第二章为系统功能与设计方案，明确系统的核心功能要求，提出整体设计思路，完成主控制器、气体检测、显示部件三大核心器件的型号对比与选择，确定系统最终设计方案。第三章为系统硬件设计，分别对主控电路、甲烷检测电路、显示屏电路、语音播报电路、按键电路、电源电路进行详细设计，结合电路原理图说明各部件的接线方式与工作原理，确保硬件适配井下使用环境。第四章为系统软件设计，介绍软件开发环境，依次阐述主程序、甲烷采集、显示屏驱动、按键调节、语音报警、云平台传输等程序的设计思路与运行逻辑，实现系统全部软件功能。第五章为系统调试与功能测试，开展硬件电路、软件程序的调试工作，对系统各项核心功能进行逐一测试，记录测试结果并分析系统运行效果。最后为结论、参考文献、谢辞与附录，总结全文研究成果，列出研究参考的文献资料，表达致谢之意，附上系统电路原理图与核心程序。1.5本章小结本章明确了矿用电子显示屏的研究背景与应用价值，指出传统矿用显示设备存在的功能缺陷，梳理了国内外相关技术的发展现状与不足。结合煤矿井下安全监测需求，确定了本文的研究主要内容，规划了论文的整体组织结构。本章为后续系统方案设计、硬件搭建、软件编写与功能测试奠定了基础，明确了研究方向与核心目标，确保整个设计工作围绕井下实际使用需求展开。2功能与设计方案2.1系统功能要求本设计的矿用电子显示屏主要应用于煤矿井下甲烷浓度监测场景，需适配井下封闭、昏暗、多粉尘、电磁干扰强的环境，同时满足现场操作与远程监控的双重需求，系统需实现以下核心功能：设备可持续采集井下环境中的甲烷浓度数据，通过显示屏将数值清晰展示出来，数据更新及时，无明显延迟，确保工作人员能够实时掌握现场气体浓度情况。设备配备物理按键，支持工作人员在现场手动调整甲烷浓度报警阈值，阈值可在合理范围内自由上调或下调，适配不同开采区域、不同作业阶段的安全标准，调节过程简单便捷。当采集到的甲烷浓度超过设定的报警阈值时，设备立即触发语音播报功能，发出清晰的报警提示，同时在显示屏上同步显示报警文字，通过声光结合的方式提醒现场人员及时处置。设备可接入无线网络，将实时甲烷浓度数据、报警状态上传至T-link云平台，云平台自动存储历史数据，生成浓度波动曲线。配套手机APP可远程查看实时数据、历史曲线，支持远程修改报警阈值，实现无人值守的远程监测。设备整体硬件结构紧凑，功耗较低，具备一定的抗干扰、防尘能力，供电方式简单，可直接接入井下常规供电系统，长期运行无故障，无需频繁维护。2.2整体设计方案本文设计的矿用电子显示屏以数据采集、控制处理、显示输出、报警提示、远程传输为核心流程，整体方案采用分层设计思路，分为硬件层与软件层两大部分，两层协同工作实现全部预设功能。硬件层是系统运行的物理基础，由六大核心部分组成，分别为主控部件、甲烷检测部件、显示部件、语音播报部件、按键控制部件、电源供电部件。主控部件作为系统的控制核心，负责接收甲烷检测部件采集的浓度数据，处理数据并发送指令至显示部件与语音播报部件，同时响应按键操作指令，控制数据上传至云平台。甲烷检测部件负责实时采集井下环境中的甲烷浓度，将模拟信号转换为电信号传输至主控部件。显示部件负责将浓度数值、报警阈值、报警状态等信息直观展示出来。语音播报部件在浓度超限时发出报警提示。按键控制部件为现场人员提供手动操作接口，用于切换工作模式与调整报警阈值。电源供电部件为所有硬件部件提供稳定的工作电压，保障系统持续运行。软件层是系统运行的逻辑核心，基于Keil5开发环境编写程序，采用循环运行的逻辑架构，通电后先完成所有硬件部件的初始化，随后进入主循环流程。主循环中依次完成甲烷浓度数据采集、数据处理、显示屏内容刷新、按键指令识别、超限判断、语音报警触发、云平台数据上传等操作。程序设计注重运行效率与稳定性，减少冗余代码，避免数据卡顿与指令延迟，同时适配硬件电路的接线方式，确保软件指令与硬件动作精准匹配。系统整体工作流程为：设备通电启动后，电源部件为所有硬件供电，软件程序初始化完成后，甲烷检测部件持续采集现场浓度数据并传输至主控部件，主控部件处理数据后驱动显示屏实时展示数值。现场人员可通过按键调整报警阈值，当浓度数值超过阈值时，主控部件立即控制语音部件播报报警信息。同时，主控部件通过通信部件将数据上传至T-link云平台，管理人员可通过手机APP远程查看数据与修改阈值。整个系统无需人工干预即可自动运行，结构简洁、功能完善，完全满足矿用安全监测需求。图2.1系统硬件模块工作框图2.3系统硬件选型方案2.3.1主控制器型号选择方案一选用STM32F103C8T6单片机。该器件采用ARMCortexM3内核，最高工作频率72MHz，数据处理速度快，可满足多任务并行运行需求。器件内置多通道ADC、串口、通用IO口，可直接对接传感器、显示屏、语音模块等外部设备，接口资源充足无需额外扩展。器件采用工业级设计，工作温度范围宽，抗干扰能力强，能够适应井下复杂电磁环境。同时开发资料丰富，程序编写与调试难度低，整体功耗低，符合矿用设备长期运行的要求。方案二选用STC89C52单片机。该器件为经典8位控制器，价格低廉、电路简单，适合基础控制场景。但器件主频低、无内置高精度ADC，对接模拟传感器需要额外增加信号调理电路，且不支持多串口同时通信，无法满足显示、语音、无线传输同时工作的需求，环境适应性较弱，难以支撑系统完整功能。综合对比，STM32F103C8T6不仅在运算能力、接口资源上全面领先，其工业级抗干扰特性更能适应井下强电磁、大温差的恶劣工况，后续如需扩展一氧化碳、风速等监测功能也无需更换主控，可有效降低二次开发成本。而STC89C52功能单一、扩展性差，在多模块协同工作时易出现数据丢包、响应延迟等问题，无法满足矿用设备的可靠性要求，因此系统主控制器确定为STM32F103C8T6。2.3.2气体检测器件型号选择方案一选用MQ4甲烷传感器。该器件为甲烷专用检测元件，对甲烷气体灵敏度高、选择性好，受其他气体干扰程度低，适合井下单一气体监测场景。器件输出模拟信号与数字信号，可直接与主控ADC接口连接，电路简单、调试方便。器件使用寿命长、功耗低、价格亲民，适合批量应用，长期工作稳定性强，能够满足井下连续采集需求。方案二选用MQ2烟雾可燃气体传感器。该器件可检测多种气体，通用性强，但对甲烷针对性弱，易受粉尘、油烟等干扰，检测精度偏低。器件功耗较高、发热明显，长期运行会影响数据稳定性，在单一甲烷监测场景中性价比不高。综合对比，MQ-4作为甲烷专用传感器，在井下复杂气体环境中误报率更低，线性响应特性更好，校准周期更长，可减少井下维护频次。而MQ-2对甲烷的检测精度不足，易受井下其他可燃气体和粉尘影响产生虚假报警，可能导致现场人员麻痹大意，存在安全隐患，因此系统气体检测器件确定为MQ4。2.3.3显示器件型号选择方案一选用TFT串口显示屏。该器件采用串口通信，仅需两根信号线即可完成数据传输，布线简洁。显示屏亮度高、可视角度大，在井下昏暗环境中依然清晰可读，支持文字、数值、状态提示同步显示，人机交互友好。器件自带驱动芯片，只需简单指令即可刷新内容，软件编写难度低，运行稳定无卡顿，尺寸适中便于安装。方案二选用OLED单色显示屏。该器件自发光、对比度高、功耗极低，但屏幕尺寸小、可视范围有限，耐温性与抗粉尘能力较弱，长期在井下环境使用易出现老化、显示模糊等问题，不适合作为矿用主显示设备。综合对比，TFT串口显示屏的大尺寸、高亮度特性更适合井下昏暗多尘的视觉环境，即使佩戴安全帽和矿灯也能快速读取数据，且抗振动能力强，不易因井下设备振动出现显示异常。而OLED屏不仅可视面积小，在井下温差变化大的环境中寿命会大幅缩短，维修更换频率高，因此系统显示器件确定为TFT串口显示屏。2.3.4语音播报部件型号选择方案一选用MY168012P语音模块。该模块支持串口指令控制，可预先烧录报警语音，触发响应快、声音清晰。模块工作电压5V，音量适中，可直接驱动扬声器，在井下嘈杂环境中仍可清晰识别。模块体积小巧、接线简单，仅需电源与信号线即可工作，待机功耗低，稳定性强，适合矿用报警场景。方案二选用WT588D语音模块。该模块支持多种语音播放模式，可存储多条语音，功能丰富。但模块需要额外配置外部FLASH，电路相对复杂，体积较大，调试步骤较多，成本高于MY168012P，对于仅需单一报警语音的系统来说功能冗余。综合对比，MY1680-12P的一体化设计大幅简化了硬件电路，降低了故障点，在井下电磁干扰环境中语音输出更稳定，且批量烧录语音方便，适合大规模部署。而WT588D电路复杂，外部元件多，在井下潮湿多尘环境中易出现接触不良等问题，维护难度大，因此系统语音播报部件确定为MY168012P。2.3.5无线通信部件型号选择方案一选用ESP8266串口WiFi模块。该模块性价比高、体积小、功耗低，支持TCP/IP协议，可快速接入局域网并连接Tlink云平台。模块通过串口与主控通信，指令简单、传输稳定，可满足数据上传、远程阈值修改等功能需求。模块在工业场合应用广泛，抗干扰能力较强，适合井下有限空间内使用。方案二选用EC01NBIoT模块。该模块可直接接入运营商网络，传输距离远、不受局域网限制，但模块成本高、需要SIM卡、配置流程复杂，对于井下近距离、小数据量传输场景来说性价比低。综合对比，ESP8266可直接利用矿区已部署的WiFi网络，无需额外支付流量费用，数据传输延迟低，能实时同步井下状态，且云平台对接成熟，开发周期短。而NB-IoT在井下巷道深处信号覆盖差，数据传输延迟高，无法满足实时报警的需求，因此系统无线通信部件确定为ESP8266。2.3.6按键控制部件型号选择方案一选用轻触独立按键。按键结构简单、体积小、安装方便，占用空间少，可均匀布置在设备操作面。按键响应灵敏，配合内部上拉模式可准确识别操作，支持佩戴手套操作，适合矿用设备简洁操作的需求。按键成本极低，稳定性高，使用寿命长。方案二选用矩阵薄膜按键。该按键防水防尘效果好，但需要占用多个IO口，电路与软件处理更复杂，对于仅需三个功能按键的系统来说设计冗余，且整体成本更高。综合对比，轻触独立按键操作手感清晰，佩戴橡胶手套也能准确按压，单个按键损坏只需单独更换，不影响其他功能使用，维护成本极低。而矩阵薄膜按键一旦局部损坏就需要整体更换，且按键行程短，井下操作时易出现误触，因此系统按键控制部件确定为轻触独立按键。2.3.7电源供电部件型号选择方案一采用5V直流输入+XC62063.3V稳压组合。外部直接输入井下常用5V电压，通过低压差稳压器将电压转换为3.3V供给主控与传感器，电路结构简单、纹波小、干扰低。搭配470μF电解电容滤波，可有效抑制电源波动，保证系统稳定工作。该方案接线少、效率高、成本低，适配矿用设备供电需求。方案二采用DCDC开关电源方案。开关电源转换效率高，但电路纹波大、电磁干扰较强，可能影响传感器采集精度，且电路元件更多，体积更大，不利于设备小型化设计。综合对比，XC6206线性稳压方案输出电压纯净，无高频纹波干扰，能有效保障MQ-4传感器和ADC采集的精度，且电路元件少，故障率低，在井下电源波动较大的情况下仍能稳定输出。而DC-DC开关电源产生的电磁干扰会影响传感器数据准确性，可能导致误报警，因此系统电源供电部件确定为5V输入+XC6206稳压+470μF滤波电容。2.4本章小结本章明确了矿用电子显示屏的六项核心功能要求，围绕功能需求提出了硬件与软件分层的整体设计方案，规划了系统的工作流程。针对主控制器、气体检测、显示器件三大核心部件，分别设计两种选型方案，从性能、成本、环境适配性、功能匹配度等方面进行对比分析，最终确定选用STM32F103C8T6单片机、MQ-4甲烷传感器、TFT串口显示屏作为核心器件。本章完成了系统方案的整体规划与核心器件选型，为后续硬件电路设计与软件程序编写提供了明确的依据。3系统的硬件设计3.1STM32F103单片机STM32F103C8T6主控电路是整个矿用电子显示屏的控制核心，所有数据处理、指令输出、信号接收都通过该电路完成，电路设计以最小系统为基础，结合外部部件接口需求完成接线配置。主控电路包含供电接口、晶振电路、复位电路与外部通信接口四部分，供电接口接入3.3V工作电压，为单片机内核与外设提供稳定电力，晶振电路采用8MHz无源晶振，搭配两个匹配电容，为单片机提供精准的时钟信号，保障程序运行的时序准确性。复位电路通过复位按键与电容组成，按下按键可实现系统硬件复位，解决运行中出现的卡顿问题。结合电路原理图可知，主控芯片的PA2引脚与PA3引脚分别连接TFT串口显示屏的RX端与TX端，通过串口通信实现数据传输，完成屏幕内容的刷新控制。PB9引脚、PB8引脚、PC14引脚分别连接三个独立按键，用于接收按键操作的电平信号，识别模式切换与阈值调节指令。PC14引脚同时连接MQ-4甲烷传感器的模拟输出端，接收传感器采集的浓度模拟信号，通过芯片内置的ADC通道完成信号转换。PA9引脚连接语音播报部件的通信接口，发送报警指令控制语音播报。芯片的VBAT引脚接入备用电源，防止突然断电导致数据丢失。所有接口均采用直连方式，无复杂转接电路，减少信号衰减与干扰。芯片的GND引脚与所有外部部件的GND端共地，保障电路电位一致，提升抗干扰能力。软件程序中完成GPIO端口、ADC通道、串口通信的初始化配置后，主控电路即可正常接收外部信号、处理数据并输出控制指令。该电路设计简洁，接线数量少，便于井下安装与维护，工业级的工作特性使其能够在井下复杂环境中持续稳定运行，为系统所有功能提供硬件支撑。整个主控电路无冗余部件，成本可控，完全符合矿用设备的设计要求。图3.1STM32F103单片机接线情况3.2MQ-4甲烷检测电路设计MQ-4甲烷检测电路是实现井下气体浓度采集的核心部分，负责将环境中的甲烷浓度转换为电信号传输至主控电路，电路设计围绕传感器本身的接口特性展开，无需复杂的外围调理电路，适配本次设计的采集需求。MQ-4传感器属于半导体气体传感器，通电后需要短暂预热即可进入稳定工作状态，传感器本身配备VCC供电端、GND接地端、DO数字输出端与AO模拟输出端，本次设计采用模拟输出方式完成浓度采集，充分利用主控芯片的ADC通道资源。根据电路原理图可知，MQ-4传感器的VCC端接入3.3V工作电压，GND端与主控电路的GND端共地，保障电路电位平衡，AO模拟输出端直接连接至STM32F103C8T6的PC14引脚，该引脚配置为ADC输入模式，可将传感器输出的模拟电压信号转换为数字浓度数值。DO数字输出端在本次设计中未使用，通过悬空处理避免信号干扰。传感器电路中未添加额外的滤波电容与电阻，依靠传感器本身的信号稳定性与主控电路的抗干扰设计，即可满足井下浓度采集的精度需求。传感器安装在设备的进气位置，确保井下空气能够充分接触传感器感应端，提升采集准确性。传感器与主控电路之间采用短距离接线，减少模拟信号在传输过程中的衰减与电磁干扰。软件程序中通过ADC采集函数持续读取PC14引脚的电压信号，经过简单的校准处理后，得到实际的甲烷浓度数值。该电路接线简单，安装便捷，传感器灵敏度高，能够快速响应环境中甲烷浓度的变化，且功耗较低，长期运行不会产生过多热量，适配井下连续监测的使用场景，为系统提供精准的浓度数据支撑。图3.2MQ-4甲烷检测电路设计3.3TFT串口显示屏电路设计TFT串口显示屏电路是实现数据可视化展示的关键部分，负责将甲烷浓度、报警阈值、报警状态等信息直观呈现给现场工作人员，电路设计依托串口通信协议，仅需少量接线即可完成数据传输，简化硬件整体结构。TFT串口显示屏属于智能显示部件，自带驱动芯片，无需主控芯片进行复杂的显存控制，只需通过串口发送指定指令，即可完成屏幕内容的刷新与显示，大幅降低软件编写难度。结合电路原理图可知，TFT串口显示屏的供电端接入5V电压，满足显示屏背光与驱动芯片的工作需求，GND端与主控电路共地，避免出现电位差导致的显示异常。显示屏的TX引脚连接至STM32F103C8T6的PA3引脚，RX引脚连接至PA2引脚，形成双向串口通信通道，主控芯片通过该通道发送显示指令与数据，显示屏接收指令后自动完成内容渲染。显示屏的背光控制端采用常亮设计，适配井下昏暗环境，确保工作人员能够清晰查看数据。显示屏固定在设备正面的可视位置，接线采用屏蔽线，减少井下电磁干扰对显示数据的影响。显示屏与主控电路之间的接线长度控制在10厘米以内，避免串口信号传输延迟导致的屏幕卡顿。软件程序中通过串口发送函数向显示屏发送数值显示、文字提示等指令，实时更新甲烷浓度与报警阈值，当浓度超限时，同步发送报警文字显示指令，在屏幕上突出展示报警信息。该电路接口少、布线简洁，显示屏显示清晰、响应迅速，无需复杂调试，通电后即可正常工作，完全满足矿用现场的可视化展示需求。图3.3TFT串口显示屏电路设计3.4语音播报电路设计语音播报电路是实现超限报警提示的重要部分，当甲烷浓度超过设定阈值时，该电路立即发出清晰的语音提示，配合显示屏的文字报警，形成声光双重警示，提醒现场人员及时采取安全措施。本次设计选用MY1680-12P语音播报部件，该部件自带语音存储芯片，支持串口指令控制播报，无需额外编写语音驱动程序，使用便捷，音量可调，适配井下嘈杂的环境。根据电路原理图可知，MY1680-12P语音播报部件的VCC端接入5V工作电压，满足语音放大与播报的功耗需求，GND端与主控电路共地，保障信号传输稳定。部件的TX引脚与RX引脚连接至STM32F103C8T6的PA9引脚，通过串口接收主控芯片发送的报警指令，部件接收到指定指令后，立即播放预设的甲烷超限报警语音。部件的SPK1与SPK2引脚连接扬声器，扬声器采用防水防尘设计，适配井下多粉尘环境，音量输出足够覆盖井下环境噪音，确保报警声音能够被现场人员清晰听到。语音播报部件与扬声器固定在设备侧面，避免显示屏遮挡声音传播，接线采用焊接方式，防止井下振动导致接线松动。部件电路中未添加额外的滤波器件，依靠自身的电源稳压设计，即可避免电压波动导致的语音失真。软件程序中在判断甲烷浓度超限后，立即通过PA9引脚发送语音播报指令，触发部件工作，浓度恢复正常后，自动停止播报。该电路运行稳定，播报声音清晰无杂音，指令响应及时，无延迟现象，且功耗较低，仅在报警时工作，平时处于待机状态，有效降低设备整体功耗，符合矿用设备的使用要求。图3.4语音播报电路设计3.5ESP8266无线通信电路设计ESP8266无线通信电路负责实现设备与T-link云平台的数据交互，是远程监控功能的硬件基础。ESP8266是一款高度集成的WiFiSoC芯片，内置TCP/IP协议栈，支持802.11b/g/n无线标准，传输速率可达150Mbps，能够满足小数据量实时传输需求。芯片采用3.3V供电，待机功耗低于1mA，适合电池供电与长期连续运行场景。根据电路设计，ESP8266模块的VCC引脚接入3.3V电源，GND引脚与系统地相连。TX与RX引脚分别连接至STM32F103C8T6的PB11与PB10引脚，通过串口3实现数据通信，通信波特率设置为9600bps。模块的RST引脚悬空，通过软件复位实现网络重连。模块自带板载陶瓷天线，无需外接天线，体积小巧便于安装，在井下巷道内的有效传输距离可达50米，能够覆盖大多数工作面与回风巷。硬件安装时，模块固定在设备内部上方，天线朝向设备无遮挡的一侧，避免金属壳体屏蔽无线信号。模块与主控之间的接线采用短距离直连，减少信号衰减。电路中在模块电源引脚处并联100μF电解电容，滤除电源波动，保障模块稳定运行。该电路支持自动联网与断线重连功能，网络中断后会自动尝试重新连接，恢复数据传输，确保远程监控的连续性。图3.5ESP8266无线通信电路设计3.6按键控制电路设计按键控制电路是现场人员操作设备的核心接口，用于切换设备工作模式、手动调节甲烷浓度报警阈值，电路设计采用独立按键形式，无复杂的矩阵结构，操作直观，响应精准，避免误触操作。本次设计配备三个独立按键，分别实现模式切换、阈值上调、阈值下调功能，按键采用自锁式设计，按压手感清晰，适配井下佩戴手套操作的场景。结合电路原理图可知，第一个按键K1的一端连接至STM32F103C8T6的PB9引脚，另一端接地，用于切换设备的显示模式与阈值调节模式，按下一次即可完成模式切换。第二个按键K2的一端连接至PB8引脚，另一端接地，在阈值调节模式下，每按下一次，报警阈值自动上调一个单位，持续按压可快速上调阈值。第三个按键K3的一端连接至PC14引脚，另一端接地，在阈值调节模式下，每按下一次，报警阈值自动下调一个单位，持续按压可快速下调阈值。按键电路中未添加外部上拉电阻，依靠主控芯片内部的上拉模式，即可实现按键电平的精准识别。硬件连接时，三个按键均匀分布在设备正面下方，便于工作人员单手操作，按键与主控电路之间的接线采用短距离直连，避免信号干扰导致的按键失灵。按键安装时添加防尘垫片，防止井下粉尘进入按键内部导致接触不良。软件程序中通过按键扫描函数持续检测PB9、PB8、PC14引脚的电平变化，识别按键按压动作，执行对应的模式切换与阈值调节指令，调节后的阈值实时显示在显示屏上，方便工作人员查看。该电路结构简单，操作便捷，按键响应无延迟，误触率低，完全满足矿用现场手动操作的需求。图3.6按键控制电路设计3.7电源供电电路设计电源供电电路是整个矿用电子显示屏稳定运行的基础，负责为所有硬件部件提供匹配的工作电压，电路设计采用单电源输入方案，适配井下常规5V供电系统，无需额外配置电源转换器，使用便捷。电路核心包含电源输入接口、自锁开关、滤波电容三部分，整体结构简洁，无冗余部件，提升电路运行的可靠性。根据电路原理图可知，电源供电电路的输入端采用小型电源座，接入井下5V直流供电电压，自锁开关串联在电源输入回路中，用于控制设备的整体通电与断电，开关拨至闭合状态时，设备通电运行，拨至断开状态时，设备断电停止工作，操作简单，适合井下现场控制。电路中配备一个470uf电解电容，电容的正极连接5V输入电压，负极接地，用于滤除电源中的纹波与干扰信号，避免电压波动导致设备运行异常，保障所有硬件部件获得稳定的工作电压。电源电路的输出端分别连接至主控电路、甲烷检测电路、显示屏电路、语音播报电路、按键电路，为各部件提供对应的5V或3.3V电压，其中3.3V电压通过主控芯片内部稳压电路提供，无需额外设计降压电路，简化硬件结构。硬件连接时，电源座与自锁开关固定在设备侧面，便于接线与操作，电容采用卧式安装，节省设备内部空间。该电路供电稳定，滤波效果良好，能够抵御井下轻微的电压波动，且功耗控制优秀，所有部件同时工作时总功耗较低，不会对井下供电系统造成负担，适配矿用设备长期连续运行的需求。图3.7电源供电电路设计3.7本章小结本章完成了矿用电子显示屏的全部硬件电路设计，分别对STM32F103C8T6主控电路、MQ-4甲烷检测电路、TFT串口显示屏电路、语音播报电路、按键控制电路、电源供电电路进行详细设计，结合电路原理图明确了各部件的接线方式、工作原理与硬件特性。所有电路设计均围绕井下使用环境展开，注重结构简洁性、运行稳定性与抗干扰能力，无复杂外围电路，便于安装与维护。各电路之间协同工作，为数据采集、显示、报警、调节、传输等功能提供硬件支撑。本章完成的硬件设计完全符合系统功能需求，为后续软件程序编写与系统调试奠定了坚实的硬件基础。

4系统的软件设计4.1软件介绍本次矿用电子显示屏的软件程序基于Keil5开发环境编写完成，该环境是针对ARM内核单片机的专业开发工具，适配STM32F103C8T6单片机的程序编写、编译、下载与调试，界面简洁，操作便捷，功能完善，能够满足本次设计的软件开发需求。Keil5开发环境包含代码编辑器、编译器、调试器、下载器等多个工具模块，代码编辑器支持语法高亮、自动补全、错误提示等功能，可有效减少程序编写中的语法错误，提升开发效率。编译器能够将编写的C语言代码转换为单片机可识别的二进制文件，编译速度快，代码优化效果好，可减小程序体积，提升程序运行效率。调试器支持在线调试功能，可实时查看程序运行中的变量数值、指令执行情况，快速定位程序中的逻辑错误，便于程序优化与问题排查。下载器通过串口下载线将编译好的程序烧录至STM32F103C8T6单片机中，下载速度快，稳定性强，无需复杂配置即可完成程序烧录。在开发前期，需要在Keil5中配置STM32F103C8T6单片机的型号、时钟频率、中断优先级等参数，匹配硬件电路的设计特性。程序编写采用C语言，语法简洁，可读性强，便于后期维护与修改。开发过程中，采用分模块编写思路，将不同功能的程序分开编写，最后整合到主程序中，提升程序的逻辑性与可维护性。整个软件开发流程简单，无需专业的编程基础，即可完成全部程序的编写与调试，适配本次矿用电子显示屏的设计需求。图4.1Keil_5软件界面4.2AD10电路设计软件介绍AD10是Altium公司推出的一体化电子电路设计软件，是目前电子工程领域应用最广泛的专业设计工具之一，能够为硬件电路开发提供从原理图绘制、PCB布局布线到电路仿真、元器件库管理的全流程解决方案。本次矿用电子显示屏的所有硬件电路设计工作均基于AD10完成，软件内置丰富的工业级元器件库，包含STM32F103C8T6单片机、MQ-4传感器、MY1680语音模块等本次设计用到的全部核心器件的原理图符号与PCB封装，无需手动绘制基础封装，大幅缩短了设计周期。软件支持分层原理图设计，可将主控、检测、显示等不同功能电路分开绘制，提升图纸的可读性与可维护性；同时具备强大的自动布线与手动布线功能，能够根据井下设备的抗干扰要求，优化布线走向与线宽设置，减少电磁干扰对信号传输的影响。设计完成后，软件可自动执行设计规则检查，排查短路、开路、线宽不足等常见错误，生成标准的Gerber文件与BOM清单，为电路板的制作与元器件采购提供准确依据，保障了硬件电路的制作精度与调试效率。4.2软件程序的设计4.2.1主程序流程图图4.2系统流程图系统主程序是软件运行的核心框架，负责统筹所有功能程序的执行顺序，保障系统按照预设逻辑稳定运行。主程序采用无限循环的运行模式，通电启动后先完成所有硬件部件的初始化，随后进入循环流程，依次执行数据采集、指令识别、数据显示、报警判断、数据上传等操作，循环周期短，数据更新及时，无明显延迟。设备通电后，主程序首先运行初始化函数，依次完成系统时钟、GPIO端口、ADC采集通道、串口通信、定时器等硬件参数的配置，确保所有硬件部件进入正常工作状态。初始化完成后，程序向TFT串口显示屏发送启动指令，屏幕显示设备名称与初始浓度数值，完成开机引导。随后程序进入主循环，第一步执行甲烷浓度采集程序，获取当前环境的浓度数值；第二步执行按键识别程序，判断是否有按键操作，更新工作模式与报警阈值；第三步执行显示屏驱动程序，将最新的浓度数值与阈值刷新至屏幕；第四步执行超限判断程序，对比浓度数值与阈值，判断是否需要触发语音报警；第五步执行云平台数据传输程序，将实时数据上传至云端。主程序设计注重运行效率，减少冗余指令与等待时间，所有功能程序均采用非阻塞式设计，避免单个程序占用过多运行时间。程序中添加异常处理逻辑，当数据采集异常、通信中断时，自动执行复位操作，保障系统持续稳定运行。主程序的运行逻辑与硬件电路的工作流程完全匹配，软件指令与硬件动作精准同步，确保系统所有功能有序执行，满足矿用现场的实时监测需求。4.3甲烷浓度采集程序设计甲烷浓度采集程序负责获取MQ-4传感器输出的模拟信号，将其转换为可显示的浓度数值，是系统实现气体监测的核心软件部分。程序依托STM32F103C8T6单片机的ADC采集通道编写，采用多次采样取平均值的方式，提升采集数据的准确性，避免瞬时干扰导致的数值波动。程序启动后，先初始化ADC采集通道，配置PC14引脚为模拟输入模式，设置采样精度与采样周期，适配MQ-4传感器的信号输出特性。进入采集流程后，程序连续多次读取ADC通道的电压数值，去除最大值与最小值后计算平均值，减少环境干扰与信号波动带来的误差。采集到的电压数值经过校准处理，转换为对应的甲烷浓度数值，校准参数根据传感器的检测特性设定，确保数值与实际浓度一致。为了适配井下环境的变化，程序中添加数值限制逻辑，当采集到的浓度数值低于0时，自动将其修正为0，避免出现无效数值。采集程序的运行周期与主循环同步，每执行一次主循环，完成一次浓度采集与数值更新，确保显示屏上的数值与现场实际浓度保持一致。程序运行时不占用过多系统资源，功耗较低，长期运行稳定性强，能够持续为系统提供精准的浓度数据，为报警判断与数据展示提供支撑。图4.3甲烷浓度采集程序设计4.4显示屏驱动程序设计显示屏驱动程序负责将甲烷浓度、报警阈值、报警状态等信息传输至TFT串口显示屏，完成数据可视化展示，程序采用串口指令驱动方式，无需复杂的显存操作，编写简单，运行稳定。程序初始化时，先配置串口通信参数，匹配显示屏的串口波特率，建立稳定的通信连接。随后向显示屏发送初始化指令，清除屏幕残留内容，设置显示字体大小与颜色，优化显示效果。进入显示流程后，程序根据当前的浓度数值与报警阈值，生成对应的显示指令，将数值以ppm为单位展示在屏幕指定位置，同时显示当前设定的报警阈值。当设备处于阈值调节模式时，程序自动切换显示内容，突出展示阈值数值，方便工作人员查看调节效果。当甲烷浓度超过报警阈值时，程序立即向显示屏发送报警文字显示指令，在屏幕醒目位置显示报警提示，与语音播报形成联动。显示程序采用实时刷新模式，每更新一次浓度数值，同步刷新一次屏幕内容，无数据延迟与卡顿现象。程序中添加显示格式优化逻辑，根据数值的位数自动调整显示位置，保证屏幕内容整齐美观。显示屏驱动程序与硬件电路的接线方式完全匹配，串口通信稳定，指令响应及时，能够满足矿用现场实时展示的需求。图4.4显示屏驱动程序设计4.5按键阈值调节程序设计按键阈值调节程序负责识别现场人员的按键操作，实现工作模式切换与报警阈值调整，程序采用电平扫描方式，精准识别按键按压动作，避免误触与漏识别，操作逻辑简单易懂。程序运行时，持续扫描PB9、PB8、PC14三个引脚的电平状态，当检测到PB9引脚电平拉低时，判定为模式切换按键被按压，程序自动在正常显示模式与阈值调节模式之间切换。当设备处于阈值调节模式时，检测到PB8引脚电平拉低，判定为阈值上调按键被按压，报警阈值自动增加一个单位；检测到PC14引脚电平拉低，判定为阈值下调按键被按压，报警阈值自动减少一个单位。程序中添加阈值限制逻辑，将报警阈值控制在合理范围内，避免调节至无效数值。每次完成阈值调节后，程序立即更新阈值数值，并同步刷新至显示屏，方便工作人员确认调节结果。按键程序采用消抖处理，消除按键按压时的电平抖动，确保指令识别精准，无连续触发现象。程序运行时响应迅速，按压按键后立即执行对应操作，无延迟，适配井下快速操作的需求，为现场人员提供便捷的阈值调节方式。图4.5按键阈值调节程序设计4.6语音报警程序设计语音报警程序负责判断甲烷浓度是否超限，并控制语音播报部件发出报警提示，程序采用实时对比逻辑，一旦检测到浓度超标，立即触发报警，响应迅速，警示效果明显。程序运行时，实时获取采集到的甲烷浓度数值与设定的报警阈值，将两者进行对比。当浓度数值大于阈值时，程序立即通过串口向语音播报部件发送报警指令，语音部件接收到指令后，播放预设的甲烷超限报警语音。同时，程序标记报警状态，在浓度未恢复至安全范围之前，持续保持报警状态，避免报警中断。当浓度数值降低至阈值以下时，程序自动发送停止报警指令，语音部件停止播报，设备恢复正常运行状态。程序中添加报警优先级逻辑，语音报警的优先级高于其他普通指令，确保报警指令能够立即执行，无延迟。为了避免频繁触发报警，程序添加轻微的延时判断，只有浓度持续超标时才触发报警，忽略瞬时波动导致的虚假报警。语音报警程序与硬件电路协同工作，指令传输稳定，播报声音清晰，能够在井下嘈杂环境中有效提醒现场人员，提升设备的安全警示能力。图4.6语音报警程序设计4.7云平台数据传输程序设计云平台数据传输程序负责将系统的实时数据上传至T-link云平台，实现远程监控与数据存储，程序依托ESP8266通信部件编写，采用串口通信方式，连接便捷，传输稳定。程序初始化时，先配置ESP8266通信部件的参数，完成无线网络连接，接入指定网络后，自动与T-link云平台建立连接。进入传输流程后，程序按照固定周期将甲烷浓度数值、报警状态、当前阈值打包为数据格式，通过串口发送至ESP8266部件，由部件上传至云平台。云平台接收数据后，自动存储历史数据，生成浓度波动曲线，方便管理人员查看数据变化趋势。程序中添加断线重连逻辑，当无线网络中断时，程序自动尝试重新连接网络，恢复数据传输。数据传输采用加密方式，保障数据传输的安全性，避免数据泄露。程序运行时不影响系统其他功能的执行，采用后台传输模式，不占用主程序的运行时间。云平台数据传输程序实现了远程监控的功能，管理人员无需到达井下现场，即可通过手机APP查看实时数据与修改阈值，提升井下安全监测的智能化水平。图4.7云平台数据传输程序设计4.6本章小结本章完成了矿用电子显示屏的全部软件程序设计，基于Keil5开发环境编写了系统主程序、甲烷浓度采集程序、显示屏驱动程序、按键阈值调节程序、语音报警程序、云平台数据传输程序。所有程序围绕硬件电路的工作特性展开，采用C语言编写，逻辑清晰，运行高效，无冗余代码。软件程序与硬件电路精准匹配，实现了数据采集、显示、调节、报警、远程传输等全部预设功能。本章完成的软件设计注重稳定性与抗干扰能力，适配井下复杂的运行环境，为系统整体功能的实现提供了软件支撑。5系统的测试5.1硬件电路调试硬件电路调试是保障系统稳定运行的基础，调试工作在软件程序下载前完成，主要包含通电测试、接线检查、部件功能测试三部分，排查电路中的接线错误、短路、部件损坏等问题。首先进行通电测试，将5V电源接入设备的电源座，打开自锁开关，观察电源指示灯是否亮起，用万用表测量各部件的供电电压，确认主控芯片、显示屏、传感器、语音部件的供电电压符合设计要求，无电压过低、过高现象。测量各电路的GND端电位，确认所有部件共地良好，无电位差导致的干扰问题。随后进行接线检查，对照电路原理图逐一检查各部件的接线，重点查看串口通信线、ADC采集线、按键接线是否连接正确，无接反、虚焊、短路现象。检查滤波电容的正负极是否接反，避免电容损坏导致滤波失效。检查扬声器、显示屏的接线是否牢固，无松动现象。最后进行部件功能测试，单独给每个硬件部件供电，测试其是否能够正常工作。测试MQ-4传感器是否能够正常输出模拟信号，TFT显示屏是否能够正常点亮，语音播报部件是否能够响应指令，按键是否能够正常触发电平变化。经过调试，所有硬件部件均能正常工作，电路接线无错误，供电稳定，抗干扰能力符合设计要求，为软件程序运行与系统功能测试提供了硬件保障。5.2软件程序调试软件程序调试在硬件电路调试完成后进行，主要包含程序编译、下载、运行调试、功能逻辑调试四部分，解决程序中的语法错误、逻辑错误、指令延迟等问题，确保程序运行稳定。首先进行程序编译调试，在Keil5开发环境中导入编写好的程序，点击编译按钮，查看编译结果。针对编译提示的语法错误、变量未定义、函数未声明等问题，逐一修改代码，消除所有错误与警告，确保程序能够成功编译，生成可下载的二进制文件。随后进行程序下载调试，通过串口下载线将电脑与主控芯片连接，配置下载参数，将编译好的程序烧录至STM32F103C8T6单片机中，观察下载进度，确保程序下载成功，无下载中断、芯片无法识别等问题。然后进行程序运行调试，设备通电后，观察程序是否能够正常启动，显示屏是否能够正常显示初始内容，传感器是否能够正常采集数据。通过在线调试功能，实时查看程序运行中的变量数值，确认浓度采集、阈值读取、指令执行等功能正常。最后进行功能逻辑调试，测试按键调节、超限报警、云平台传输等逻辑是否正确，修改阈值后是否能够立即生效，浓度超标时是否能够及时触发报警，数据是否能够正常上传至云平台。经过调试，所有程序均能正常运行，功能逻辑正确，指令响应及时，无卡顿与延迟现象，软件设计符合系统需求。5.3系统功能测试5.3.1甲烷浓度实时显示测试设备通电运行后，TFT串口显示屏立即显示实时甲烷浓度数值，数值随环境浓度变化实时刷新，无延迟与卡顿。在不同浓度环境下测试，显示屏显示数值与实际浓度一致，显示清晰，在昏暗环境下可视性良好，满足实时监测需求。图5.1甲烷浓度实时显示测试5.3.2报警阈值手动调节测试按下模式切换按键进入调节模式，通过上调、下调按键调整报警阈值，显示屏同步更新阈值数值，调节响应及时，无漏触、误触现象。阈值可在设定范围内自由调整，调节后立即生效，符合现场手动操作需求。图5.2报警阈值手动调节测试5.3.3超限语音报警测试将甲烷浓度提升至超过报警阈值，设备立即触发语音报警，扬声器发出清晰的报警提示，同时显示屏显示报警文字。浓度降低至安全范围后，报警自动停止，声光联动警示效果明显，能够有效提醒现场人员。图5.3超限语音报警测试5.3.4云平台数据上传测试设备连接无线网络后，实时数据自动上传至T-link云平台，手机APP可查看实时浓度、历史波动曲线，支持远程修改报警阈值，数据传输稳定，无中断现象，远程监控功能正常运行。图5.4云平台数据上传测试5.4本章小结本章完成了矿用电子显示屏的硬件电路调试、软件程序调试与系统功能测试。硬件调试确认所有电路接线正确、供电稳定、部件工作正常；软件调试消除了程序中的错误与逻辑问题，保障程序稳定运行；功能测试验证了甲烷浓度显示、阈值调节、语音报警、云平台远程监控等全部功能均能正常实现，测试结果符合设计要求。系统整体运行稳定，功能完善，适配煤矿井下使用环境，达到了本次设计的预期目标。结论本文针对煤矿井下甲烷浓度监测的实际需求，设计了一款集成数据采集、实时显示、阈值调节、语音报警、远程监控于一体的矿用电子显示屏，完成了从方案设计、硬件搭建、软件编写到功能测试的全流程工作。系统以STM32F103C8T6单片机为控制核心，搭配MQ-4甲烷传感器完成浓度采集，通过TFT串口显示屏实现数据可视化，借助独立按键完成阈值调节，利用语音播报部件实现超限警示，依托ESP8266部件接入T-link云平台实现远程监控。本文完成的主要工作与成果如下：明确矿用电子显示屏的功能需求，完成系统整体方案设计与核心器件选型，确定硬件与软件分层的设计思路，适配井下复杂使用环境。完成六大硬件电路设计，所有电路接线简洁、运行稳定，抗干扰能力强，无需复杂维护，符合矿用设备小型化、低成本的设计要求。基于Keil5开发环境编写全部软件程序，实现数据采集、显示、调节、报警、远程传输等功能，程序运行高效、逻辑清晰，无冗余代码。完成系统调试与功能测试，所有硬件部件与软件程序均能正常工作，各项功能均达到预设目标，系统整体运行稳定，满足井下安全监测需求。本次设计的矿用电子显示屏具有成本低、操作简、功能全、稳定性强的优势，可直接应用于煤矿井下甲烷浓度监测场景，弥补传统显示设备的功能缺陷，提升井下安全管理的智能化水平。但设计仍存在一定不足，设备未加入防水、防爆强化设计，数据传输仅支持无线网络，后续可进一步优化硬件防护结构，增加有线通信方式，提升设备的环境适配性与通信稳定性。参考文献[1]曾伟.矿用便携式激光甲烷检测报警仪[J].煤矿安全,2018,49(7):75-77.[2]周子昂,徐坤,吴定允.一种便携式井下多参数监控系统的设计及实现[J].河南理工大学学报(自然科学版),2017,36(2):99-104.[3]郝天轩,陈旭阳,张赞旺.基于FreeRTOS的无线便携式多气体检测仪设计[J].中国矿业,2024,33(5):123-128.[4]杨鹏,田坤,张继军.基于STM32的煤矿激光瓦斯遥测系统设计[J].煤矿机械,2026,47(3):38-42.[5]蓝升传,陶干强,房智恒,等.基于LoRa和物联网技术的矿井环境监测系统设计[J].黄金科学技术,2023,31(1):144-152.[6]庞杭州,神东方,张涛.煤矿井下采空区多参数环境监测系统设计与研究[J].陕西煤炭,2025,44(10):180-184.[7]袁亮,薛生,郑晓亮,等.煤矿井下空气质量革命技术现状与展望[J].工矿自动化,2023,49(6):32-40.[8]梁运涛,田富超,冯文彬,等.我国煤矿气体检测技术研究进展[J].煤炭学报,2021,46(6):1701-1714.[9]王海波.低功耗甲烷传感器研究进展[J].工矿自动化,2021,47(5):16-23.[10]王晓蕾,袁印,陈鄢.中国矿井瓦斯浓度检测技术现状及发展趋势[J].科学技术与工程,2020,20(23):9255-9262.[11]陈明.矿用智能显示设备的设计与实现[J].机械工程与自动化,2021(5):189-190.[12]郑强.TFT串口显示屏在嵌入式设备中的应用[J].电子技术应用,2020,46(S1):78-80.[13]吴浩.矿用电子设备抗干扰技术研究[J].矿业安全与环保,2021,48(4):112-115.[14]周明.煤矿井下物联网监测系统设计[J].煤炭工程,2022,54(2):45-48.[15]刘波.嵌入式系统软件开发与调试[M].北京:清华大学出版社,2019.[16]李丽.STM32单片机原理及应用设计[M].北京:电子工业出版社,2020.[17]张磊.物联网技术在煤矿安全监测中的应用[J].工矿自动化,2022,48(3):89-92.[18]王强.煤矿井下气体监测技术及应用研究[J].煤炭科学技术,2021,49(S1):123-125.[19]冯宇宸,陆子晴,冯硕.基于STM32F407和LoRa的井下智能环境检测系统[J].今日制造与升级,2021(4):28-29,36.[20]国家安全生产监督管理总局.煤矿安全规程[Z].北京:应急管理出版社,2022.谢辞时光荏苒，本次矿用电子显示屏的设计工作即将完成，从最初的方案构思到最终的系统实现，一路走来收获颇丰。在此，我谨向所有给予我指导与帮助的老师、同学与家人表达最诚挚的谢意。首先感谢我的指导老师，老师以严谨的治学态度、丰富的专业知识，为我的设计工作指明方向。在方案设计、硬件调试、软件编写的过程中，老师耐心解答我的疑惑，提出针对性的优化建议，帮助我解决设计中遇到的难题，确保设计工作顺利完成。感谢身边的同学，在系统调试与功能测试过程中，同学们给予我诸多帮助，与我交流设计思路，分享开发经验，让我在学习中不断进步。同时感谢学校提供的实验设备与开发环境，为本次设计提供了良好的实践条件。最后感谢我的家人，他们的理解、支持与鼓励，是我完成本次设计的坚强后盾，让我能够全身心投入到设计工作中。本次设计让我收获了专业知识与实践