基于STM32 單片機的煤礦環境監測及預警系統設計

朱新強，吳溢達，韓穎晴，張睿哲

（中國礦業大學（北京），北京）

引言

在煤礦開采的過程中,安全事故層出不窮,對國家財產和人民生命安全造成了極大的損害, 煤礦安全是事關國家經濟發展和人民生命安全的頭等大事[1]。

近年來,由于井下環境安全檢測系統的日益完善,煤礦事故率明顯下降, 井下安全工作環境得到了顯著的改善[2]。通過研究對于井下影響安全的關鍵環境因素的實時檢測和預警系統, 能夠進一步地提升煤礦生產的安全系數,具有十分重要的現實意義。

瓦斯濃度、煤塵濃度、溫濕度以及風壓風速是煤礦環境安全檢測的關鍵因素, 通過相關傳感器實時檢測, 借助無線通信模塊與PC 端進行實時通信交互,實現數據交互。當PC 端接收到的數據信息不滿足給定的預設值范圍時,向單片機發送預警信號,單片機接收信號后,開啟聲光報警電路。

1 系統總體設計

煤礦環境監測及預警系統設計采用STM32F103ZET6 微處理器為主控模塊,采用3.3 V 的供電電壓,搭配MQ-5 瓦斯傳感器,DHT11 溫濕度傳感器,ZPH01 粉塵傳感器,DP-K022 風壓傳感器, 超聲波風速傳感器, 以實現對煤礦內部各種影響安全的環境因素實時檢測,并通過ESP8266WIFI 模塊進行單片機與PC 機之間的實時數據通信, 控制聲光報警電路,實現報警功能。系統總體設計框圖如圖1 所示。

圖1 系統總體設計框圖

2 系統硬件電路設計

2.1 系統微控制器

煤礦環境監測及預警系統的核心微控制器選用意法半導體的STM32F103ZET6 微控制器,這是一種嵌入式-微控制器的集成電路, 采用ARM Cortex-M3 內核,擁有高達72 MHz 的主頻,芯體尺寸為32 位,速度為72 MHz,程序存儲器容量是256 KB,能夠支持高速運算和復雜計算任務, 同時還具有128 KB 閃存和20KB SRAM,可以存儲大量的程序代碼和數據,能夠及時地處理系統中各個傳感器檢測到的環境信息,并通過ESP8266WIFI 模塊及時傳輸給PC 端, 能夠滿足系統設計的高實時性要求[3]。

2.2 電源電路

STM32F103ZET6 正常工作電壓范圍為2.0 V～3.6 V,為了提高系統的使用壽命和可靠性, 選擇使用3.3 V電源供電。通過設計電源電路實現變壓的功能,圖2 為電源穩壓電路。為防止電壓過大燒壞單片機,電源電路通過AMS1117 穩壓器將5 V 的輸入電壓變為3.3 V電壓穩定輸出,電壓的誤差可以控制在1.5%之內。

圖2 電源穩壓電路

2.3 MQ-5 瓦斯傳感器

煤礦中對安全生產影響最大的因素是瓦斯爆炸。MQ-5 傳感器對于甲烷和丙烷的靈敏度高, 而甲烷是瓦斯氣體最主要的組成成分,它的檢測范圍為300～10 000 ppm,因此MQ-5 能夠很好地滿足瓦斯檢測的要求。圖3 所示為MQ-5 的基本測試電路,該傳感器需要施加2 個電壓:加熱器電壓VH和測試電壓VC。

圖3 MQ-5 基本測試電路

2.4 DHT11 溫濕度傳感器

瓦斯爆炸的最低點火溫度會隨著溫度升高而降低, 瓦斯的爆炸極限溫度介于-20 ℃～+60 ℃之間;瓦斯在空氣中的擴散受到濕度的影響, 空氣濕度會干擾瓦斯擴散,高濕度會增加煤塵聚集的風險,爆炸的相對濕度上限為80%。DHT11 是溫濕度檢測的常用傳感器。濕度精度為±5%RH,溫度精度為±2 ℃,量程為5～95%RH 和-20 ℃～+60 ℃，能夠滿足系統設計的使用要求[4]。

2.5 ZPH01 粉塵傳感器

ZPH01 是一款基于光散射原理的傳感器。可以有效檢測空氣中粉塵濃度。它的工作原理是通過發射激光束,使粉塵將激光散射到周圍,傳感器通過光電檢測器對散射光強度分析獲取粉塵濃度信息。

2.6 DP-K022 風壓傳感器

煤礦中風壓范圍在1.2～2.5 Kpa 之間。DP-K022風壓傳感器是一種高精度微壓傳感器, 可以實現高精度的風壓測量和模擬信號輸出。精度高,具有多種可供選擇的量程,選用大于等于2 Kpa 的滿足設計要求,分辨率達到了0.5%,穩定性高,功耗低,足以滿足系統對于風壓檢測的要求。

2.7 超聲波風速傳感器

煤礦風速的范圍一般在0.5～2.5 m/s,過高或者過低都會影響煤礦安全和生產效率。超音波風速傳感器可以很好地滿足系統對于檢測風速的設計要求。它是一種基于超音波技術為原理的風速檢測傳感器。工作原理是:通過發射超聲波脈沖,檢測經過氣流反射回來的氣流速度計算風速信息。具有較高的精度,不受其他環境因素影響,響應速度高的特點。

2.8 聲光報警電路

聲光報警電路如圖4 所示。STM32F103ZET6 接收到來自PC 端發送的報警信號時, 單片機發出信號開啟報警電路,將GPIO 引腳設置為輸出模式,當接收到來自單片機的信號時,將GPIO 置于高電平,通過三極管放大電路放大輸入信號,點亮紅色警報燈,開啟蜂鳴報警器。

圖4 聲光報警電路

2.9 ESP8266WIFI 模塊

ESP8266WIFI 模塊作用有兩方面, 一方面是接收來自單片機的環境信息信號, 并將接收的信號通過無線網絡發送給PC 機; 另一方面是接收來自PC機的報警信號, 并將報警信號通過串口通信傳遞給單片機。實現了單片機與PC 機之間的實時交互。STM32F103ZET6 采用AT 命令方式進行通信,單片機通過向ESP8266 發送AT 指令實現數據的上傳功能[5]。

通過以上的各個傳感器的選擇與電路的設計,煤礦環境檢測系統的硬件電路被完整設計。

3 系統軟件設計

3.1 系統軟件開發環境

STM32F103ZET6 是基于ARM 架構的微控制器。適用于STM32F103 系列的嵌入式開發環境較多,如Keil uVision5,IAR Embedded Workbench 和Eclipse等開發環境均可進行STM32 的軟件開發。綜合考慮開發難度,選用Keil uVision5 進行軟件開發。首先,Keil是目前嵌入式操作與開發最常用的系統, 廣泛地應用在各個工業嵌入式系統開發設計領域,技術相對成熟。同時,其具備較強的穩定性與可靠性,為用戶提供了高效的調試和仿真工具,為用戶的開發測試提供了便利;它的圖形界面與編碼界面對用戶相對友好, 編程難度相對較低; 支持多種系列的STM32 芯片開發, 包括STM32F103ZET6 芯片。綜合以上因素,Keil uVision5是最合適的選擇。

3.2 系統軟件總體設計

3.2.1 單片機運行流程

系統流程設計采用內部循環的結構, 軟件流程如圖5 所示。主程序運行時首先進行初始化,將STM32F103ZET6 做初始化設置,同時將MQ-5 瓦斯傳感器,DHT11 溫濕度傳感器,ZPH01 粉塵傳感器,DPK022 風壓傳感器,超聲波風速傳感器,聲光報警電路以及ESP8266WIFI 模塊初始化。運行時,由各個傳感器收集的環境信息數據,經過A/D 轉換(將模擬量轉化為數字量)之后送入單片機內部進行數據處理,單片機將接收到的數據實時的通過串口通信傳輸給ESP8266WIFI 模塊,ESP8266 將接收的數據通過無線網絡實時上傳到PC 端。單片機此時檢測是否接收到來自PC 端的報警信號, 若未接收到循環至環境信息收集環節繼續循環。若接收到,則開啟聲光報警電路,繼續進行環境信息收集,A/D 轉換, 以及數據上傳的工作,并檢測是否有來自于PC 端口的復位信號,若未接收到則保持聲光報警電路開啟狀態, 循環至上一級的環境收集環節;若接收到則循環至初始化環節。

圖5 單片機流程

3.2.2 PC 端軟件流程

PC 端軟件流程整體設計采用循環結構,程序主要工作原理是:軟件開啟后進行系統的初始化,接收來自于ESP8266WIFI 模塊通過無線通信的發送的單片機收集的環境信息數據。系統將接收到數據進行處理,顯示在PC 機的液晶顯示屏上, 以便工作人員能夠及時觀察和獲取環境信息; 判斷接收數據是否滿足給定的預設值范圍, 若未滿足返回上一級接收數據處理數據環節執行循環; 若不滿足, 則立即通過無線網絡向ESP8266WIFI 模塊發送報警信號。報警信號發出后,繼續接收處理數據, 并判斷數據是否滿足給定的預設值范圍,若不滿足,返回上一級循環繼續執行數據接收與處理的操作,直到數據信息回歸到預設值范圍之內,向ESP8266WIFI 模塊發送復位信號, 進入初始化再次執行循環。

4 系統測試結果

為了驗證煤礦環境監測及預警系統設計的可行性與實用性,在實驗室內搭建完整的系統,人為制造模擬煤礦內部的瓦斯濃度、溫濕度、粉塵濃度、風速風壓等環境條件,實驗測試系統對于環境信息的收集情況,以及電路報警情況。經過測試,驗證了煤礦環境檢測與預警系統檢測數據可靠,數據信息準確,誤差均在合理的范圍內,預警及時準確,系統運行穩定,實時性強,穩定性高,滿足了設計系統的預期目標。

5 結論

與傳統煤礦環境檢測系統相比, 本系統對于環境信息的檢測更加全面,集成了多種環境檢測功能,可以滿足企業對于環境檢測的需求。通過應用無線通信的功能,實現了PC 機與單片機的遠程交互,操作人員可以通過遠程交互獲得礦井內部的環境檢測信息, 提升了煤礦的無人化程度和安全性, 簡易的報警電路具有較高的抗干擾性。此煤礦環境檢測系統還具有安裝便捷、成本低廉、安全可靠等優點。

本設計仍存在可以進一步優化的內容, 值得進一步完善:第一,增加攝像頭傳感器,實現圖像數據的處理與檢測, 在一定程度上不僅可以完成對于礦井內部情況的實時視頻檢測,也可以代替監控器功能,為煤礦企業進一步節約成本。第二,PC 端軟件的設計應該增加對于環境信息數據的實時記錄, 并將其保存上傳到數據庫中,以便必要時進行復檢復查工作。