基于Arduino的礦井多參數(shù)監(jiān)測儀設(shè)計

王曉丹　陳越超

摘 要：針對煤礦開采過程中，甲烷、一氧化碳和粉塵等有害氣體會不斷積累，濃度不斷增大，引起爆炸或中毒，造成安全隱患。文章結(jié)合傳感器技術(shù)、單片機技術(shù)和通信技術(shù)等技術(shù)，設(shè)計一種基于Arduino的礦井多參數(shù)監(jiān)測儀，實現(xiàn)對礦井下溫度、濕度及粉塵、甲烷、一氧化碳等氣體濃度進行實時測量、顯示。

關(guān)鍵詞：環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)；Arduino；甲烷檢測；一氧化碳檢測

中圖分類號：TD175 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）36-0028-02

我國能源目前仍以煤碳資源為主，而且隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，煤炭資源需求量也在不斷增加，煤礦安全生產(chǎn)就顯得尤為重要，能夠?qū)崟r準(zhǔn)確地監(jiān)測礦井下環(huán)境參數(shù)就顯得尤為重要。煤炭開采過程中，甲烷、一氧化碳和粉塵等有害氣體會不斷積累，濃度不斷增大，可能引起氣體爆炸或人員中毒，造成安全隱患。如何有效、快速、精準(zhǔn)地監(jiān)測礦井下的各項環(huán)境參數(shù)的實時數(shù)值，從而對礦井的安全進行實時預(yù)警處理，已成為礦井安全生產(chǎn)的重要組成部分，本監(jiān)測儀采用Arduino開發(fā)板實現(xiàn)礦井環(huán)境參數(shù)的采集與預(yù)警。

Arduino是源自意大利的一個開源代碼的硬件項目平臺，該平臺包括一塊具備簡單I/O功能的電路板以及一套程序開發(fā)環(huán)境軟件。Arduino有“電子積木”之稱，可以用來開發(fā)交互產(chǎn)品，比如可以讀取大量的開關(guān)量和傳感器信號，并且可以控制電燈、電機和其他物理量；Arduino也可以開發(fā)與PC相連的周邊裝置，也可以購買已經(jīng)組裝好的模塊。Arduino的開發(fā)環(huán)境（Arduino IDE）是完全免費而且是綠色開源的，無需安裝，下載完成并解壓后就可以直接打開使用，Arduino開發(fā)環(huán)境是基于Eclipse的軟件平臺，采用類C的語言進行編程，模塊化的封裝函數(shù)供程序開發(fā)者調(diào)用，同時開發(fā)者可使用USB將編寫好的程序燒制到Arduino開發(fā)板，提高其靈活性。

1 設(shè)計原理

本監(jiān)測儀由Arduino控制模塊、溫濕度檢測模塊、甲烷濃度檢測模塊、一氧化碳檢測模塊顯示模塊等部分構(gòu)成，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。Arduino控制模塊采集各傳感器模塊檢測信號，進行數(shù)據(jù)處理與分析，將實時監(jiān)測數(shù)據(jù)在液晶屏中顯示，并將實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與閾值進行比較，當(dāng)某一個參數(shù)指標(biāo)達到閾值，報警裝置發(fā)出聲光報警，同時將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂剖遥欣诘V井管理人員及時了解礦井安全情況，對生產(chǎn)環(huán)境進行正確評估。

2 硬件設(shè)計

本監(jiān)測儀采用的Arduino Mega2560的核心處理器，具有多達54路數(shù)字I/O口（其中16路可作為PWM輸出），16路模擬輸入，一個電源插座，一個ICSP Header和一個復(fù)位按鈕，一個16MHz晶體振蕩器，一個USB口（便于在線進行程序調(diào)試），4路UART接口。同時能兼容為Arduino UNO設(shè)計的擴展板。本監(jiān)測儀采用5V電壓供電，將甲烷傳感器、一氧化碳傳感器、粉塵傳感器檢測的數(shù)據(jù)傳給Arduino進行A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理與分析，采用DHT11采集溫濕度數(shù)據(jù)，與Arduino數(shù)字端口4相連，聲光報警電路與數(shù)字端口5、6相連、顯示電路采用LCD12864串口方式與數(shù)字端口3、8和9相連，串口電路與TX和RX相連，系統(tǒng)的硬件連接如圖2所示。

2.1 一氧化碳檢測模塊

一氧化碳傳感器采用ME3-CO氣體傳感器，它是三電極電化學(xué)傳感器，由于電化學(xué)傳感器的特性，在未上電時，傳感器的引腳會由于化學(xué)反應(yīng)積攢電荷，因此，本設(shè)計選用P溝道結(jié)型場效應(yīng)管短接參考電極和敏感電極之間，進行放電。

ME3-CO氣體傳感器輸出為電流信號，且當(dāng)一氧化碳濃度從0ppm～500ppm變化時，電流的變化為0μA～35μA，屬于微小電流信號，單片機無法處理，因此信號處理電路設(shè)計了I/V轉(zhuǎn)換電路和電壓放大電路兩部分。一氧化碳檢測模塊電路原理圖如圖3所示。

U1B完成電流-電壓轉(zhuǎn)換功能：

U1=I×Rf-0.5

式中：I為傳感器輸出電流值；Rf為運算放大器U1B的反饋電阻，且Rf=R6；U1為運算放大器U1B的輸出電壓。

U1C完成電壓放大功能：

式中：Uo為運算放大器U1C的輸出電壓，即檢測模塊輸出電壓。

2.2 甲烷濃度檢測模塊

甲烷傳感器采用MJC4/3.0L氣體傳感器，它是催化燃燒式傳感器，具有快速的響應(yīng)和良好的重復(fù)性、選擇性，橋路輸出電壓呈線性等特點，由于傳感器輸出信號較強，所以本設(shè)計采用一級放大電路對傳感器輸出信號進行放大。甲烷濃度檢測模塊電路原理圖如圖4所示。圖中R4、R13與傳感器的敏感元件、參考元件組成惠斯登電橋，輸出電壓分別為U12和U11，R3=R14，R7=R9，Uo1為甲烷濃度檢測模塊輸出電壓。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計由上位機軟件和下位機兩部分組成。

下位機軟件設(shè)計：

下位機采用“自上向下”“模塊化”的程序設(shè)計思想對各模塊進行設(shè)計，實現(xiàn)過程如下圖5所示，系統(tǒng)主程序包括初始化模塊、數(shù)據(jù)采集子模塊、數(shù)據(jù)處理子模塊、顯示及報警模塊、通信模塊等，串口初始化和波特率設(shè)置構(gòu)成初始化模塊，數(shù)據(jù)采集子模塊包括通過AD采集甲烷、一氧化碳、粉塵氣體濃度和數(shù)字溫濕度檢測，數(shù)據(jù)處理子模塊包括數(shù)字濾波和補償算法，顯示及報警模塊包括LCD顯示模塊和聲光報警模塊，通信模塊包括數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送等。

下位機軟件設(shè)計使用Arduino IDE編寫，該軟件基于C語言開放環(huán)境。下位機軟件包括各種傳感器的數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)處理程序、顯示程序及串口發(fā)送程序。初始化程序中設(shè)置波特率、端口模式，初始化串口，運行EEPROM測試程序等。傳感器測量程序測量溫濕度、甲烷、一氧化碳和粉塵等環(huán)境信息，對比個各參數(shù)的報警限，超出報警線，進行聲光報警，最后按照一定協(xié)議通過串口發(fā)送給上位機，數(shù)據(jù)發(fā)送的時間間隔為30s。

上位機軟件采用LabXIEW編寫，通過接受串口數(shù)據(jù)，經(jīng)過解碼協(xié)議進行解碼，然后將數(shù)據(jù)在顯示控件實時顯示，繪制成曲線圖顯示，超出報警線時可以發(fā)出報警。

LabXIEW（實驗室虛擬儀器工程工作臺）是NI（美國國家儀器公司）推出的圖形化開發(fā)軟件。是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言（G語言）。采用數(shù)據(jù)流的編程方式，程序框圖中節(jié)點之間的數(shù)據(jù)流向決定了函數(shù)的執(zhí)行順序。圖形化的編程方法使編程變得簡單、生動有趣并且易于理解和掌握。LabXIEW軟件開發(fā)的工作流程：確定功能要求→建立LabXIEW工程→設(shè)計流程圖→設(shè)計前面板→使用虛擬串口和串口助手調(diào)試VI→生成規(guī)范→完成設(shè)計。

4 結(jié)束語

本監(jiān)測儀與其他的監(jiān)測系統(tǒng)存在較大的不同，它可以通過粉塵濃度、甲烷濃度、一氧化碳濃度、溫度、濕度的集成檢測完成礦井多參數(shù)檢測；通過液晶顯示器使礦井下工作人員能夠掌握實時參數(shù)數(shù)據(jù)，并在超出報警線時通過蜂鳴和指示燈發(fā)出聲光報警，發(fā)出安全警示，同時將檢測數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給控制室，對于提升礦井的實時安全狀態(tài)評價具有一定的意義。

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