煤礦井下集成檢測裝置的設計

薛偉寧 李鵬

摘要：近年以來，我國煤礦發生的安全事故中，瓦斯爆炸事故尤為頻繁，其爆炸的原因極大部分與井下氣體中的CH4和CO兩種氣體有關，可見這兩種氣體對我們在煤礦的工作生產安全構成極大威脅。所以對這兩種氣體的濃度檢測與監測便顯得尤為重要。能實時準確的測量這兩種氣體在井下每個位置的含量，及時準確的監測到周圍的信息，對提高煤礦的安全生產和提高工人們的安全程度是相當重要的，針對以上的煤礦安全現狀，本文設計了一種在煤礦井下工作的集成多種檢測傳感器的檢測裝置。

關鍵詞：安全事故；氣體檢測；集成；傳感器

近年以來，我國曾多次發生瓦斯爆炸事故，而在我國全部的重大傷亡事件中的總人數中，有超過一半以上死傷事件的都是因為煤礦爆炸事故。2016年11月25日21時04分，四川華鎣山龍灘煤電有限責任公司發生較大瓦斯爆炸事故，造成4人死亡，兩人受傷，直接經濟損失510萬。其爆炸的原因極大部分與井下氣體中的CH4和CO兩種氣體有關，可見這兩種氣體對我們在煤礦的工作生產產生了極大地損失。所以對這兩種氣體的濃度監測便顯得尤為重要。

針對以上情況本文設計了一種基于STM32嵌入式處理器能在煤礦井下隨身攜帶的甲烷與一氧化碳的集成檢測裝置。能實時準確的測量這兩種氣體在井下每個位置的含量，井下工作人員能時刻監測到周圍的信息，對提高煤礦的安全生產和提高工人們的安全程度有著非常重要的意義。

1 系統組成

本設計系統核心主控電路板上集成了三個檢測裝置一氧化碳傳感器、甲烷傳感器以及溫度傳感器這三種傳感器，數據在OLED顯示屏上顯示。報警裝置則是由蜂鳴器和雙色LED指示燈來完成聲光報警 。[2]

整個系統的工作流程是：啟動系統，初始化芯片，將各種參數的預設值通過軟件寫入；預熱傳感器；讀取傳感器參數并與之前預設的各參數的報警閾值對比。根據要求，當高于或低于閾值時發出報警。

系統結構如圖1所示。

2 硬件電路設計

2.1 主電路設計

煤礦井下檢測裝置的核心微處理器選擇使用CortexM3內核的STM32系列的嵌入式處理器STM32F103。由于本次項目使用的煤礦井下便攜式檢測裝置需要使用干電池供電，可能會在井下待機很長時間，所以在能耗控制方面是很有必要的。而CortexM3的內核加入了類似于8位處理器所采用的內核低功耗模式，這樣的設計使得它能支持三種功耗管理模式：1）一條指令立即睡眠模式；2）異常/中斷退出時立即睡眠模式；3）深度睡眠模式。這樣可以讓整個芯片的功耗控制變得更加有效。它的內存和寄存器狀態保持在停機模式時耗電僅為14uA，在這種狀態下啟動時間僅需要7us。而且CortexM3的工作運行功耗同樣也十分低。STM32系列的單片機目前是工業上使用最為普遍而且相對最穩定的一個系列，它相應外設也非常多。

根據我們任務的要求，我們需要實時檢測周圍空氣中的甲烷和一氧化碳兩種危險氣體的濃度以保證人員的安全，同時還要監測環境的溫度并將上面這些數據顯示出來。此次設計最主要的思路是通過各類傳感器采集攜帶者周圍環境當中的各類危險氣體的數據，經過數據的處理后，將相應的數據傳給核心處理器，然后做出相應的處理，并將各類參數在OLED顯示屏上顯示出來。

2.2 傳感器電路設計

信號輸入模塊為各路采集信號的各類傳感器，基本上是三種，分別是溫度傳感器、甲烷傳感器和一氧化碳濃度傳感器這三種十分常用的傳感器。

目前市面上大多數我們經常用的傳感器一般都是輸出模擬信號來傳遞信息的，所以需要我們將這些模擬信號轉化為合適的、對應的數字信號以方便我們可以對這些信號進行數據處理。這也是我們采用意法公司的STM32F103RBT6芯片的原因之一。因為我們所選用的這種單片機擁有一個精度達到12位的高精度模數轉換器的ADC。若采集到的甲烷、一氧化碳任意一個數據濃度高于所設定的警戒線時，將會使用蜂鳴器報警，以提示攜帶者周圍環境的危險或可燃氣體濃度超標，以做出合適的處理。

傳感器的選擇，我們對比過市面上常見的一些氣體傳感器，包括價格、靈敏度和信號傳輸方式，相比較而言MQ系列氣體傳感器具有靈敏度高、體積小、價格相對便宜且信號傳輸方式簡單等優勢，其產品十分成熟，市面上產品使用十分廣泛，便于我們采購，十分適合在本次設計中使用。所以我們選取了MQ2甲烷傳感器，MQ7一氧化碳傳感器。溫度傳感器選擇了DS18B20，[3]和MQ系列的氣體傳感器一樣，這款溫度傳感器應用十分廣泛，結構簡單，信號傳輸方式簡單且采購價格便宜，大規模使用時能極大地降低成本。至于顯示器，因為需要顯示的數據不多，并且對于分辨率的要求不高，所以直接選用0.96寸OLED顯示器的便足夠我們使用。報警處理模塊的作用是若檢測到環境的溫度，甲烷濃度或者一氧化碳濃度高于設定值時，芯片把報警控制信號輸出給報警模塊。此時蜂鳴器會發出報警聲，并且相應的報警指示燈會由綠變紅，直到環境溫度，甲烷或者一氧化碳的濃度值降低。

3 軟件設計

在軟件設計上，我們應該關注如下幾點：

（1）在進行軟件設計時我們也能用到模塊化功能，它能更加有效直觀的反應我們所要用到的某一項功能能否正常使用，它的好處在于能夠快速的修改和測試。

（2）為了實現我們所需的更多功能，我們可以預留出一些編譯需求，比如測試二氧化碳濃度，水分等。

（3）此次設計中我們從許多高級語言中選擇了應用最廣的C語言來書寫程序。

首先，主控芯片進行自身初始化，然后初始化各傳感器模塊，再通過程序寫入警報值。軟件主要來控制傳感器采集數據和控制報警。主程序流程圖如圖2所示。

4 組裝與調試

4.1 模塊調試

將設計好的PCB板與它的電路原理圖相結合，將對應器件焊接在電路板上（焊接時要把握焊錫的量，不要讓焊盤上有太多的焊錫。特別要注意的是千萬一定不能虛焊和焊短路），然后進行各模塊測試，盡可能去修改實驗板設計時存在的缺陷，以確保實驗板能穩定、正常得工作。

4.1.1 模塊硬件檢測

（1）斷電檢查。在上電之前，應該檢查電源線與地線是否短接。然后再逐步檢查芯片引腳（這一步在焊接芯片是就應該檢查）是否有短接、開路等狀況存在。

（2）上電檢查。接通電源之后，觸摸實驗板上的各個芯片，查看是否有發熱的情況出現，然后具體的查一下電源轉換芯片的輸出電壓和各器件供電線路的輸入電壓是否滿足設計的需要。

4.1.2 模塊軟件測試

軟件的編寫可以分模塊進行，根據對環境檢測控制系統所需的要求進行編寫、調試、實現其功能。首先打開編寫程序的開發平臺Keil MDK軟件，根據自己設計的系統要求的功能編出相對應的控制程序，用以實現其具體的功能。編寫的程序首先應該按模塊進行，然后逐一進行調試。如若都可以滿足要求正常工作后，然后再集成調試，做整體調試。環境檢測系統軟件設計中主要模塊有：電源模塊、傳感器模塊、報警模塊等。

4.2 系統調試

我們準備工作完成后，可以使用專門的甲烷氣體產生裝置來進行了溫度報警測試和一氧化碳、甲烷濃度報警，通過測試結果，我所完成的本次設計能夠正確而靈敏的感知溫度，同時確保在偏離我們設定的預設溫度時報警裝置也能夠自己正常的運行。

調試過程中，首先打開開關給系統上電，可以看到工作指示燈亮起，因為DS18B20初始通電時顯示溫度均為85度，為了直接顯示出當前溫度，所以延時0.7秒，再讓OLED顯示屏亮起。然后是系統的初始化過程，因為甲烷和一氧化碳傳感器需要預熱至少20秒的時間。所以在傳感器預熱的20秒內，屏幕上所閃動的并不準確我們可以在延時5秒后再顯示其數值。系統啟動正常后，開始以下功能測試。[4]

首相，進行溫度的測試，讓環境溫度不斷升高，到40度時，我們可以看到系統溫度的報警指示燈亮起，同時蜂鳴器開始報警。從OLED顯示屏幕上可以讀取溫度傳感器每時每刻的實時溫度。

其次，進行甲烷濃度測試，讓環境中甲烷濃度不斷升高，到設定的濃度時時，我們可以看到系統甲烷的報警指示燈亮起，同時蜂鳴器開始報警。從可以OLED顯示屏幕上讀取甲烷濃度警報位，在正常濃度下該位顯示為1，當甲烷濃度超標時顯示為0。我們可以通過調節滑動變阻器的大小來改變甲烷傳感器的靈敏度，以適應不同環境下對甲烷濃度的要求。

最后，進行一氧化碳的測試。讓環境中一氧化碳濃度不斷升高，到超過2500PPM時，我們可以看到系統一氧化碳的報警指示燈亮起，同時蜂鳴器開始報警。從可以OLED顯示屏幕上讀取一氧化碳傳感器每一時刻所采集的數據和所轉換對應的電壓值，[5]因為這些信號是非線性的，不方便計算，所以并沒有將其轉換成濃度信號.

當軟件和硬件都調試完成后，還要集合軟硬件調試，主要進行調試的方面有：測試該系統能否實現其各個相應的功能，該系統能否在環境中的穩定和可靠的運行。

5 結論

以STM32F103單片機為系統核心的多功能監測系統它能夠實現對周圍環境中甲烷、一氧化碳濃度和環境溫度進行實時檢測。試驗驗證下，我們的系統是可以實現可靠的工作運行，并且感應十分準確，這次我們用來測量溫度和各氣體濃度的傳感器都是靈敏度非常高，響應速度也非常快，只要周圍溫度和氣體濃度不在規定值之內系統就會立刻報警。通過在實驗室模擬真實環境，我們對整個設計的硬件和軟件進行了檢測和調試，該設計基本實現了任務功能。

后續研究工作是給整個系統添加遠程控制及更多的檢測傳感器（如硫化氫濃度監測，濕度監測等），這將使得它變成一個功能更加強大，更加方便的可以在煤礦井下使用的便攜式多功能檢測裝置。

參考文獻：

[1]孫紅梅，彭慰先，孫桂娟.二氧化硫光譜檢測技術[J].環境監測管理與技術，2004（03）：68.

[2]劉永濤，劉佳，李玉華，夏旭洪，劉浩，霍慶周.基于SIM900A的語音燃氣報警裝置設計與實現[J].現代電子技術，2017，40（03）：9699.

[3]張雷，吳華夏，胡俊濤，傅勇，呂國強.一種OLED顯示參數溫度自適應設計[J].光電工程，2011，38（02）：127131.

[4]唐熔.銷售企業計算機機房環境監控系統[J].電腦知識與技術，2012，8（14）：32503252.

[5]方天衡，陸俊臻，蔡成航，蘆立娟，魯曉東，張繼軍.多應用智能排風扇[J].大學物理實驗，2016，29（05）：6367.

基金項目：中央高校基本科研業務費資助（3142016008），廊坊市科學技術局資助項目（2017011004）

作者簡介：薛偉寧（1978），男，遼寧葫蘆島人，碩士，華北科技學院電子信息工程學院講師，研究方向：控制科學與工程。