一种煤矿瓦斯监控系统的研究

王文杰

摘 要：煤矿生产过程中，不可避免的会在矿井中出现大量的甲烷等易燃、易爆气体，一旦在煤矿中发生瓦斯灾害事故，不仅会损毁矿井设备，还会极大地威胁井下工作人员生命安全。因此，实时、准确地监测出煤矿中的甲烷浓度，并且及时地进行报警是非常必要的，可以极大的减轻瓦斯灾害造成的损失。该研究以STM32F103ZET6控制芯片为核心，设计了煤矿瓦斯监控系统的总体方案，硬件模块和软件模块，希望通过该研究为煤矿的安全生产提供帮助。

关键词：STM32F103ZET6 煤矿 瓦斯监控系统

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）07（c）-0013-03

随着我国经济的快速发展，煤炭的消费量持续增长，瓦斯事故已经成为制约煤矿安全生产的重要因素。在煤矿的实际生产中，矿难事故不断发生，而导致矿难产生的原因有很多，目前在我国煤矿安全事故中，瓦斯事故所占的比例已达到80%以上，瓦斯事故对煤矿的人员和财产产生了巨大的威胁，成为了煤矿安全生产的最大障碍。因此，对井下的瓦斯浓度进行实时的检测并能够及时准确报警的系统在煤矿安全生产中具有非常重要的意义。

1 系统的总体设计

该研究设计的基于STM32F103ZET6的煤矿瓦斯监控系统总体框图设计如图1 所示。

该系统采用以太网的通信方式。由分布在井下各处的瓦斯传感器时刻采集并监测瓦斯浓度， 如果瓦斯浓度超标则发出声光报警。因STM32F103ZET6具有强大的通信能力，可以通过以太网通信网关向服务器发送数据，设置在井上的计算机可以实时监测井下瓦斯的浓度，这样就可以有效的降低瓦斯事故的发生率。

2 硬件设计

煤矿瓦斯监控分站硬件图如图2 所示。以STM32F103ZET6为核心，包括了瓦斯传感器、放大电路、声光报警、以太网通信电路、数据存储电路、电源电路、时钟电路、按键电路、液晶显示电路几个核心部分构成。

工作时，实际的瓦斯浓度经过瓦斯传感器采集并转换为直流电压信号，然后经过放大后送入微处理器STM32F103ZET6内置的A/D接口。微处理器STM32F103ZET6将转换结果和设定的报警极限参数值进行实时比较， 若实时数据超过设定值则进行声光报警。具体的参数、瓦斯的浓度、时间及地区等参数可以通过屏幕显示， 也可存储在数据库中以便分析查看和更新设定。

（1）控制芯片的选型。

该设计将选用的STM32F103ZET6芯片共计拥有144个引脚，各个部分的名称与参数如表1所示。

此外芯片还具有有多达11个定时器，4个16位的定时器；1个系统时间定时器；具有JTAG接口、5个USART接口、3个SPI接口、1个SDIO接口、1个USB接口和1个CAN接口。

（2）瓦斯传感器。

传感器作为自动化系统的“眼睛”，它的可靠性和稳定性，是监控系统能否正确收集被测环境和设备参数以及根据测量数据进行有效控制的关键。由于目前在煤矿中使用最普遍、最广泛的是催化的燃烧型瓦斯传感器，并已占据了煤矿瓦斯检测的主导地位。因此该设计选择的瓦斯传感器为郑州炜盛电子生产的MJC4/2.8J催化燃烧式甲烷气敏传感器。

（3）电源电路。

该设计选择了LM1117作为电压转换器件，能够提供1.2 V至37 V的电压，最大负载电流为1.5 A；其在稳压精度，纹波抑制比，输出电压稳定特性等方面都较好，内部还有过载保护、安全区保护等多种保护电路。为了改善瞬态响应和稳定性，可以在其输出端接上一个10 uF的钽电容。

（4）时钟电路。

该设计采用了外部晶振所产生的频率为8 MHz的时钟电路，选择了20 pF的陶瓷电容作为外接电容。为了能够减少输出失真和启动稳定时间，外部电路应当尽量靠近芯片的OSC_IN和OSC_OUT引脚。

（5）放大电路。

瓦斯传感器采集到的电压信号很微小，无法进行正常的A/D转换识别，所以要经过放大电路放大处理后再进行A/D转换。该设计选择了AD8574，它是一种CMOS放大器，可以通过随机频率实现高精度的自动调零，由2.7～5V的单电源供电。由于STM32F103ZET6内置了3个12位的模数转换器，每个ADC有16个外部通道，转换时间为1 us，能够实现高速转换，所以A/D转换由STM32F103ZET6内部复用AD引脚完成。

（6）声光报警。

在此次设计中，需要建立声光报警电路。发光部分采用8050小功率开关三极管，发声部分采用的蜂鸣器声音强度为80 d B。

（7）以太网通信电路。

该设计采用主控芯片结合以太网控制芯片ENC28J60来完成信号的网络传输。主控芯片能够对以太网芯片进行控制，并通过网络协议进行数据的实时收发通信。

（8）数据存储电路。

在数据存储芯片方面，采用的是SD卡。SD卡具有可靠、容量大、体积小、便于携带等诸多优点，特别适用于需要长期数据储存的系统，该设计采用的是8 GB的大容量SD存储卡。

（9）键盘电路。

按键电路是整个系统中的输入模块，为了保证显示数据的完整性，输入模块选择了4*4 键盘，通过键盘可以改变瓦斯的安全预设值。

（10）显示电路。

显示电路是整个系统中的输出模块，该系统采用了8 位数码管显示。

3 软件设计

软件系统分为主程序模块和若干个子模块。系统开机需要完成对I/O口，寄存器以及相关变量的初始化，然后启动自带的定时器，完成信号的采样与分析。一旦检测到的瓦斯气体浓度超标，报警子程序会完成报警操作。

4 结语

该系统采用了STM32F103ZET6作为硬件电路的核心，选用了郑州炜盛电子生产的MJC4/2.8J型瓦斯传感器，设计出整个系统的主要电路，并开发出了相应的软件。该系统成本较低、功能全面、稳定性好、抗干扰能力强、功耗低等多种优点，非常适用于井下环境，并能够有效地减少煤矿瓦斯事故所带来的危害。

参考文献

[1] 孙继平，宋秋爽.煤矿安全生产综合监控[M].江苏：中国矿业大学出版社，2008：63-65.

[2] 王衍生，尹经梅，刘平.监测监控系统在矿井瓦斯管理中的应用[J].矿业安全与环保，2000（S1）：71-72.

[3] 李树刚.安全监测监控技术[M].江苏：中国矿业大学出版社，2008.

[4] 王春梅.基于单片机的智能煤矿瓦斯监控系统的设计[J].计算机测量与控制，2009（12）：2458-2460.