煤礦安全檢測專家報警系統的研究與設計

◎岳俊華 郭佳珠

（作者單位：吉林建筑大學）

引言：煤炭工業是我國能源工業的重要組成部分。但仍有不少機械化程度較低的礦山企業，特別是對瓦斯、煤礦溫度的檢測和報警仍存在隱患。傳統的煤礦安全監測系統大多采用有線技術進行信息輸送，這種方存在以下缺點：有線方式的運輸會導致系統對于線路更加依賴，布線困難的情況在復雜的礦下環境中時有發生；信息的輸送會用到數模轉換或模數轉換的電路布署，檢測過程繁瑣，細節較多，就導致監測的準確性很難保證，無形中又增加了煤礦開采的成本，在這種傳統的檢測系統中，整個系統地運行很可能會因為一個節點出現故障而不能完成檢測，這樣一來，后期維護的成本也會大大增加。因此急于研究設計一套煤礦安全檢測報警專家系統，這個系統對瓦斯爆炸和煤層自燃的預防以及對煤礦安全管理具有非常現實的意義。

一、系統方案簡要闡述

在本系統中能夠實現的功能包括瓦斯濃度煤礦溫度數值實時顯示，當測量的實際濃度或溫度數值超過傳感器設定的預警值時，觸發聲光報警功能，同時控制排風扇啟動排風以降低濃度含量或降溫。報警觸發的排風功能與以往的人工控制風扇排風相比，在人工控制的基礎上增加了系統自動控制的功能，是利用自動化的手段使煤礦安全檢測報警系統更加智能化，系統采用無線運輸方式來傳輸信號，相較以往的有線運輸方式，大大提高了檢測的準確性以及開采效率。

本設計以單片機為核心硬件控制部分，分別作為瓦斯濃度檢測報警部分和礦下溫度檢測報警部分的控制核心。整個煤礦安全檢測報警系統主要包括瓦斯濃度及礦井溫度檢測及數據顯示部分，A/D 模數轉換和D/A 數模轉換部分及報警排風部分。

二、系統設計

1.硬件設計。

瓦斯傳感器的選擇：選擇了MQ 系列的MQ-4 瓦斯傳感器，這種傳感器具有很高的靈敏度，使用壽命長，更低廉的成本，快速的響應恢復特性，結構穩定可靠，驅動電路簡單等，非常適合本次設計的要求。

溫度傳感器的選擇：選擇了數字式溫度傳感器中DS18B20，支持“一線總線”接口，只需要一個I/O 口就能進行信息傳遞，供電可用數據總線，分辨率為9~12 位，并且可定義報警值設置即可自行設定上下限值。

單片機的選型：選擇AT89S51 單片機，兼容AT89C51 的指令系統和引腳結構，在這基礎上增加了一些功能：S51 支持并行編程和在線編程，抗干擾性更強，實現軟件抗干擾，所以性價比還是很高。

A/D 轉換電路：本設計采用的A/D 轉換芯片為ADC0832 模數轉換器。

D/A 數模轉換電路：本設計采用的D/A 數模轉換芯片為DAC0832。

顯示電路：瓦斯檢測部分和溫度檢測部分的測量數據顯示部分采用的是7 段共陽LED 數碼管掃描電路，瓦斯顯示用到2 組，溫度顯示用到4 組。

報警電路：根據《煤礦安全規程》規定：采掘工作面中瓦斯報警濃度不能超過1.0%；26℃為采煤工作面溫度上限值，30℃為采掘工作面溫度上限值。考慮到煤礦環境的安全性和本系統結構簡單的限制性，現設定煤礦內瓦斯濃度的上限值為1%，礦井溫度的上限值為26℃。報警電路的核心是三極管，三極管基區通過串聯一個電阻來接通單片機，蜂鳴器通過三極管NPN 驅動，溫度檢測控制部分的報警電路與單片機的P1.0 口相連接，瓦斯濃度檢測報警電路與單片機的P1.7 口相連接。當單片機P1.0 或P1.7 口輸出為高電平，即實際測量值超過設定值時，系統自動輸入高電平，此時蜂鳴器響，輸出為低電平時，蜂鳴器不響。

PWM 直流電機電路：隨著電子技術的發展，PWM 脈寬調制是現在比較常用的調速方法。它是通過可調節的數字信號高低電平占空比來控制模擬信號的變化，通常連接三極管配合使用，利用高低電平來導通電路，實現對它的控制。

2.軟件設計。

Keil 開發環境是由編譯器、匯編器、實時操作系統、項目管理器和調試器組成的集成開發環境。編程用到的是匯編器，首先新建一個文件，保存為。asm 后綴文件名的文件類型，然后開始編寫，在程序編寫完成后需要導入單片機，單片機識別的是。hex 后綴的文件類型，這一步在kiel 軟件中轉換即可。程序的編寫是實現系統仿真的關鍵步驟。完成主程序設計、A/D 轉換程序設計、報警程序設計和PWM 電機調速程序設計。

三、仿真結果分析

程序的編寫和格式的轉換在kiel 軟件中進行，在Proteus 中繪制好對應的原理圖后，雙擊單片機芯片添加目標程序文件：。hex 后綴文件，之后點擊左下角的運行仿真按鈕，如果各方面都沒有出現錯誤，就可以在Proteus 原理圖中看到模擬的仿真運行狀態。

本設計的仿真結果分析：當滑動變阻器左拉，即瓦斯濃度信號變大時，模擬電壓變小，導致輸入單片機的數字量變大，數碼管顯示的數值也會相應變大，在超過數值1 即“1%”時，蜂鳴器響，FAN 電機運行，示波器顯示電機轉速，溫度部分DS18B20 傳感器檢測到的信號經由模數轉換顯示在數碼管上，當其數值超過限定地26℃時，蜂鳴器響，FAN 電機運行，示波器A 段顯示電機轉速。

四、結論

本文采用了有別于傳統的有線技術方式的信息輸送——無線傳輸網絡技術，研究設計一套煤礦安全檢測報警專家系統來檢測煤礦內瓦斯濃度和礦下溫度，此系統能夠很好的彌補有線技術監測系統存在的缺陷，同時增加了排風扇的應用，當瓦斯濃度或礦下溫度超過預警值時能夠降溫降低瓦斯含量，大大加強了瓦斯濃度和礦下溫度檢測的準確性，這種無線網絡傳輸方式不會依賴線路，所以一定程度上能夠降低成本，這樣一來開采效率也提高了。這個系統對瓦斯爆炸和煤層自燃的預防以及對煤礦安全管理具有非常現實的意義。