一种煤矿瓦斯检测系统的设计与实现

韦晓虎

摘要：矿井中瓦斯的主要成分是甲烷，做好矿井中甲烷气体浓度的实时检测能为安全生产提供准确判断依据，对煤矿生产有着十分重要的意义。设计了一种基于红外吸收原理的甲烷浓度检测仪，检测仪由PC上位机，RS485通讯中间层以及以STM32单片机为核心的检测下位机，实验结果表明，该系统运行可靠，精度能够达到实用要求，可有效实现对矿井中的甲烷进行检测。

关键词：瓦斯检测 实时监控 RS485 总线通讯

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）09-0173-01

瓦斯爆炸一直是煤矿生产的重大威胁，为避免由于瓦斯爆炸而引发的安全事故，对煤矿中瓦斯浓度进行实时监控显得异常重要。甲烷（CH4）是矿井中瓦斯的主要成分，约占83%～89%，实时监测矿井中甲烷气体浓度能为安全生产提供判断依据，可减少伤亡事故发生次数，对煤矿完全生产意义重大。按检测原理，目前常用煤矿甲烷检测仪大致可分为光干涉型、热导型、气敏半导体型和红外型等。通过分析比较当前已有技术，设计了一种基于红外吸收原理的甲烷检测仪，该检测仪以PC为上位机，以STM32单片机集成相关传感器构成为下位机，上位机与下位机通过RS485总线通讯传输数据实现同时对多点进行监控，测试结果表明，该系统运行可靠，精度能够达到实用要求，可有效实现对矿井中的甲烷进行检测。

1 检测仪的工作原理

监测系统由上位机监控部分、通讯中间层以及下位机三部分组成。上位机为部署在监控办公室普通PC，中间层是通讯层，负责上位机与下位机的通讯，通讯部分通过RS232接口与上位机连接，通过RS485总线与下位机连接，在通讯层中实现RS485信号到RS232的信号转换，从而实现远距离监控。数据采集部分作为下位机，在多个监测点进行部署，实现对矿井中的气体进行实时监测，每一个监测点都以STM32 MCU为核心，再连接相应的检测传感器。

下位机检测仪核心为STM32单片机，系统启动后下位机驱动电路控制红外光源发出一定波长的红外光，发光头与红外探测器探头分别位于气室两端，发出的红外光经过充满被检测气体的气室到达红外光探测器，由于气室中不同浓度的甲烷气体对红外光的吸收率不同，于是在红外光探测器将产生与气室浓度相关的不同大小电压信号，通过该电压信号就可以计算出检测气体的浓度，同时下位机温度传感器检测出气室温度；由红外传感器以及问题传感器获得电压信号和温度信号比较微弱，需要通过放大滤波电路放大后才能传回处理核心单片机；下位机对接收到的信号进行数字滤波、温度补偿和A/D转换等处理后再通过中间层向上位机发送。上位机获得数据后，对检测数据进行相应分析处理然后就可转换成对应的气体浓度，通过与预设值的比较，判断出该监测点甲烷浓度值是否正常，并对数据进行存储、显示，如果检测到的浓度值大于预设值就立即发出浓度超标警报声。根据煤矿生产作业要求，如果矿井中瓦斯浓度超过1%就必须停工，根据甲烷占所占比重，故设置甲烷浓度阈值为0.8%，系统一旦检测到浓度超预定值，将及时发出报警信号并启动相关操作，通知生产人员立即停止生产。

2 检测仪设计与实现

2.1 探测器设计

气体探测器与温度传感器均为非接触式器件，红外探测器探头由透镜、光纤束、光电管以及放大器等机构组成。红外光源发出的红外线穿过气室后，光线的辐射能量通过探测器透镜由光纤束传输到达光电管，从而实现将光信号转换为电压信号。具体实现时通过采用双色光电管来提高能量的集成度，通过使用光纤束来降低了对准的难度。在煤矿瓦斯监测系统中，使用了2层滤光片，对两种不同波长的光都具有良好的透过性，可实现对2路光线的选择，选择出的波长一路作为探测波长，另一路作为参考波长，两路光信号经过光电管后最终转化为2路电信号输出。

2.2 信号采集与处理

STM32F系列单片机是意法半导体公司生产的基于ARM内核的单片机。该系列分为基本型和增强型，STM32F103R8Z6属于增强型，工作在72MHz，内部带有1μs的双12位ADC，4兆位/秒的UART，18兆位/秒的SPI，18MHz的T/O传输速度，有7路工作在72MHz的DMA，能够快速处理存储器和外围设备之间的数据转换，片内带有RAM并且拥有丰富的各种外设，可应用于大量不同场合。由于红外探测器最先获得的电压信号较小，需要做好输入输出端抗干扰屏蔽避免信号不准。由于光电管产生的电压信号过小信号需要经过信号放大电路进行放大，系统设计时在信号放大器中运用程控增益放大电路并加入差动放大电路，提高了信号的共模抑制比以及抗干扰能力。在监测端，经过气室的红外线都经过采集转换成两路电压信号最终传至增益放大电路进行增益调节，如果检测某一路A/D信号出现饱和就切换到放大倍数较小的电路，可以减少因为信号饱和而导致的误判。

2.3 信号通信

RS485总线技术成熟，通用性好并且具有极高的性价比，已广泛应用于各种工业控制信号的传输中，RS485是一种单机发送多机接收的单向平衡传输规范，适用于单主机多从机的多点监测系统应用场合。RS485接口电路由低功耗的半双工RS485收发器与SP3485组成，数据传输速率最高可达10Mbps可以满足大部分监控系统的数据传输要求。STM32单片机使用USART串口与RS485串口总线相连接，在本系统设计中，下位机通过RS485总线组成的通信中间层将数据传输给上位机，在通讯层中需要实现RS485到RS232的转换，转换后采集到的数据就可以传输到上位机。在这里使用芯片MAX232来实现RS485到RS232的转换，MAXMIN公司生产的RS232收发器工作于半双工状态，用于实现RS485总线和PC机RS232总线接口的转换。

3 监测系统上位机程序设计

上位机软件设计包含系统初始化模块、数据采集与处理模块、配置信息读取与状态判断模块；系统启动后上位机首先进行系统初始化，初始化包括初始化系统时钟和通用I/O接口，然后自检系统是否工作正常。本系统中上位机软件主要对各监测点传送上来的数据进行判断与处理，并提供图形界面来显示监测点环境的温度、甲烷气体的浓度以及传感器状态，并且在检测到甲烷浓度超限时实现报警等功能；通过上位机图形用户界面可以对检测仪进行阈值设置、实现浓度曲线绘制、系统复位以及校准等操作。在测试过程中，使用多组标准气体进行了测试，实验结果表明检测仪模块能顺畅通过通信模块与上位机PC机实现正常的数据通信功能；检测气体在0～10%浓度范围内的绝对误差小于或等于0.01%，系统响应时间小于2s，检测稳定时间小于5s，表明所设计的监测系统在监测精度以及响应时间上基本满足生产要求。

4 结语

本文设计了一种基于STM32单片机的煤矿瓦斯监测系统。实验测试表明该系统工作稳定可靠，可有效实现煤矿瓦斯的监测，能准确检测出矿井中甲烷气体的浓度，测量精度以及响应时间能满足煤矿生产中对瓦斯浓度监测的需要，硬件施工简单，维修方便，具有一定的实用推广价值。

参考文献

[1]周克良，郭金妹.基于STM32F电气火灾无线红外测温系统的设计与实现[J].计算机测量与控制，2014（22）：3108-3110.

[2]黎冠，马婕，卜祥丽.STM32单片机在室内环境监测系统中的应用[J].自动化仪表，2014（7）：29-31.