一種煤礦瓦斯監控系統的研究

王文杰

摘 要：煤礦生產過程中，不可避免的會在礦井中出現大量的甲烷等易燃、易爆氣體，一旦在煤礦中發生瓦斯災害事故，不僅會損毀礦井設備，還會極大地威脅井下工作人員生命安全。因此，實時、準確地監測出煤礦中的甲烷濃度，并且及時地進行報警是非常必要的，可以極大的減輕瓦斯災害造成的損失。該研究以STM32F103ZET6控制芯片為核心，設計了煤礦瓦斯監控系統的總體方案，硬件模塊和軟件模塊，希望通過該研究為煤礦的安全生產提供幫助。

關鍵詞：STM32F103ZET6 煤礦 瓦斯監控系統

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（c）-0013-03

隨著我國經濟的快速發展，煤炭的消費量持續增長，瓦斯事故已經成為制約煤礦安全生產的重要因素。在煤礦的實際生產中，礦難事故不斷發生，而導致礦難產生的原因有很多，目前在我國煤礦安全事故中，瓦斯事故所占的比例已達到80%以上，瓦斯事故對煤礦的人員和財產產生了巨大的威脅，成為了煤礦安全生產的最大障礙。因此，對井下的瓦斯濃度進行實時的檢測并能夠及時準確報警的系統在煤礦安全生產中具有非常重要的意義。

1 系統的總體設計

該研究設計的基于STM32F103ZET6的煤礦瓦斯監控系統總體框圖設計如圖1 所示。

該系統采用以太網的通信方式。由分布在井下各處的瓦斯傳感器時刻采集并監測瓦斯濃度， 如果瓦斯濃度超標則發出聲光報警。因STM32F103ZET6具有強大的通信能力，可以通過以太網通信網關向服務器發送數據，設置在井上的計算機可以實時監測井下瓦斯的濃度，這樣就可以有效的降低瓦斯事故的發生率。

2 硬件設計

煤礦瓦斯監控分站硬件圖如圖2 所示。以STM32F103ZET6為核心，包括了瓦斯傳感器、放大電路、聲光報警、以太網通信電路、數據存儲電路、電源電路、時鐘電路、按鍵電路、液晶顯示電路幾個核心部分構成。

工作時，實際的瓦斯濃度經過瓦斯傳感器采集并轉換為直流電壓信號，然后經過放大后送入微處理器STM32F103ZET6內置的A/D接口。微處理器STM32F103ZET6將轉換結果和設定的報警極限參數值進行實時比較， 若實時數據超過設定值則進行聲光報警。具體的參數、瓦斯的濃度、時間及地區等參數可以通過屏幕顯示， 也可存儲在數據庫中以便分析查看和更新設定。

（1）控制芯片的選型。

該設計將選用的STM32F103ZET6芯片共計擁有144個引腳，各個部分的名稱與參數如表1所示。

此外芯片還具有有多達11個定時器，4個16位的定時器；1個系統時間定時器；具有JTAG接口、5個USART接口、3個SPI接口、1個SDIO接口、1個USB接口和1個CAN接口。

（2）瓦斯傳感器。

傳感器作為自動化系統的“眼睛”，它的可靠性和穩定性，是監控系統能否正確收集被測環境和設備參數以及根據測量數據進行有效控制的關鍵。由于目前在煤礦中使用最普遍、最廣泛的是催化的燃燒型瓦斯傳感器，并已占據了煤礦瓦斯檢測的主導地位。因此該設計選擇的瓦斯傳感器為鄭州煒盛電子生產的MJC4/2.8J催化燃燒式甲烷氣敏傳感器。

（3）電源電路。

該設計選擇了LM1117作為電壓轉換器件，能夠提供1.2 V至37 V的電壓，最大負載電流為1.5 A；其在穩壓精度，紋波抑制比，輸出電壓穩定特性等方面都較好，內部還有過載保護、安全區保護等多種保護電路。為了改善瞬態響應和穩定性，可以在其輸出端接上一個10 uF的鉭電容。

（4）時鐘電路。

該設計采用了外部晶振所產生的頻率為8 MHz的時鐘電路，選擇了20 pF的陶瓷電容作為外接電容。為了能夠減少輸出失真和啟動穩定時間，外部電路應當盡量靠近芯片的OSC_IN和OSC_OUT引腳。

（5）放大電路。

瓦斯傳感器采集到的電壓信號很微小，無法進行正常的A/D轉換識別，所以要經過放大電路放大處理后再進行A/D轉換。該設計選擇了AD8574，它是一種CMOS放大器，可以通過隨機頻率實現高精度的自動調零，由2.7～5V的單電源供電。由于STM32F103ZET6內置了3個12位的模數轉換器，每個ADC有16個外部通道，轉換時間為1 us，能夠實現高速轉換，所以A/D轉換由STM32F103ZET6內部復用AD引腳完成。

（6）聲光報警。

在此次設計中，需要建立聲光報警電路。發光部分采用8050小功率開關三極管，發聲部分采用的蜂鳴器聲音強度為80 d B。

（7）以太網通信電路。

該設計采用主控芯片結合以太網控制芯片ENC28J60來完成信號的網絡傳輸。主控芯片能夠對以太網芯片進行控制，并通過網絡協議進行數據的實時收發通信。

（8）數據存儲電路。

在數據存儲芯片方面，采用的是SD卡。SD卡具有可靠、容量大、體積小、便于攜帶等諸多優點，特別適用于需要長期數據儲存的系統，該設計采用的是8 GB的大容量SD存儲卡。

（9）鍵盤電路。

按鍵電路是整個系統中的輸入模塊，為了保證顯示數據的完整性，輸入模塊選擇了4*4 鍵盤，通過鍵盤可以改變瓦斯的安全預設值。

（10）顯示電路。

顯示電路是整個系統中的輸出模塊，該系統采用了8 位數碼管顯示。

3 軟件設計

軟件系統分為主程序模塊和若干個子模塊。系統開機需要完成對I/O口，寄存器以及相關變量的初始化，然后啟動自帶的定時器，完成信號的采樣與分析。一旦檢測到的瓦斯氣體濃度超標，報警子程序會完成報警操作。

4 結語

該系統采用了STM32F103ZET6作為硬件電路的核心，選用了鄭州煒盛電子生產的MJC4/2.8J型瓦斯傳感器，設計出整個系統的主要電路，并開發出了相應的軟件。該系統成本較低、功能全面、穩定性好、抗干擾能力強、功耗低等多種優點，非常適用于井下環境，并能夠有效地減少煤礦瓦斯事故所帶來的危害。

參考文獻

[1] 孫繼平，宋秋爽.煤礦安全生產綜合監控[M].江蘇：中國礦業大學出版社，2008：63-65.

[2] 王衍生，尹經梅，劉平.監測監控系統在礦井瓦斯管理中的應用[J].礦業安全與環保，2000（S1）：71-72.

[3] 李樹剛.安全監測監控技術[M].江蘇：中國礦業大學出版社，2008.

[4] 王春梅.基于單片機的智能煤礦瓦斯監控系統的設計[J].計算機測量與控制，2009（12）：2458-2460.