基于单片机的煤矿井下监控终端的设计

王飞　汤啸

摘要：煤矿井下监控终端是煤矿监测监控系统的重要组成部分。文章根据煤矿井下安全生产的需求，设计了以AT89C52单片机为核心，以RS-485总线为通信方式的监控终端装置。首先搭建了整个系统构架，其次进行了硬件电路设计。最后通过Proteus仿真软件对设计电路进行实验仿真，仿真结果表明文中设计的监控终端具有一定的可行性和实际应用价值。

关键词：单片机； 煤矿； 监控终端； Proteus仿真

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）02-0235-03

Design of Coal Mine Monitoring Terminal Based on Single-Chip Microcomputer

WANG Fei1，TANG Xiao2

（1. School of Electrical Engineering & Automation， Jiangsu Normal University， Xuzhou 221116， China； 2. Nanjing CEC Panda FPD Technology Co.，Ltd， Nanjing 210046， China）

Abstract： The monitoring terminal is an important part of coal mine monitoring and control system. According to the actual production safety requirements of coal mines， the paper proposed and designed a monitoring terminal Based on the AT89C52 single-chip micro-computer and RS-485 bus. Firstly， the whole system architecture of monitoring terminal is built. Secondly， the system circuit is designed in details. Finally， the designed circuit is simulated by Proteus simulation software. The simulation results show that the design scheme of monitoring terminal is feasible and practical.

Key word： single chip micro-computer； coal mine； monitoring terminal； Proteus

1 概述

我国是煤炭大国，煤炭的产量和消耗量都是居于世界前列。煤炭的安全开采是个重要的问题， 因此煤矿安全监控不容小视。煤矿井下安全监控终端可以对煤矿安全生产过程中可能发生的灾害进行较为可靠的预测并能够在灾害发生之前进行一定的处理，从而很大程度上保证了井下工作人员的自身安全，防止了事故的扩大化[1]。

煤矿井下监控终端是煤矿监测监控系统的重要组成部分，监控终端通常由控制部分与监测部分组成，监测部分将检测的数据传送至地面，地面通过指令对系统进行电路的通断以达预防的目的。

2 监控终端系统的总体设计

本文设计的煤矿井下监控终端由单片机系统和信号处理系统两方面构成，图1是该终端装置的系统框图，包含中央处理器（CPU）、发光报警电路、发声报警电路、上位机监控通信、复位电路、时钟电路、模拟量输入输出、开关量输入输出、数模/模数转换电路、多路转换开关[2]。

硬件电路的设计是为了通过各种传感器检测煤矿井下恶劣环境的参数。模拟信号通过A/D转换器转换后送入单片机进行信号处理，开关量信号直接送入单片机进行处理（要保证输入单片机端口的电压电流符合单片机的要求，否则将导致单片机损坏）。系统一方面将输出处理后的信号送入液晶显示屏进行实时数据的显示，另一方面将超过预先设定值的一路监控参数进行报警信号送出，驱动报警器进行报警，从而保证整个井下人员的安全[3]。

2.1 单片机辅助电路的设计

单片机采用MCS-51 系列单片机AT89C52，单片机辅助电路由三个部分组成：时钟电路、复位电路以及P0口的上拉电阻

2.2 监控信号采集电路的设计

监控信号采集电路如图3所示，电路由两个部分组成：模拟量信号采集电路、开关量信号采集电路。

2.3 聲光报警电路的设计

声光报警电路由发声报警灯电路和发光报警灯电路组成，设计如图4所示。当传感器所检测的模拟量超过预先设定的安全值，此时的测量值送入单片机进行处理后，单片机便会输出一定的信号以驱动发光报警，同时驱动发声报警电路报警以提醒工作人员，当P1.2～P1.6输入低电平时，报警灯亮，当P1.7口输入低电平时，经反相器则为高电平，以驱动喇叭（蜂鸣器）报警。

2.4 实时数据显示电路的设计

实时数据显示电路如图5所示，电路由ADC0808和三段数码管显示电路组成（实际为8段，仿真只用其中的3段），前两段用于显示模拟量输入信号经A/D转换后所显示的数值的大小，第三段用来显示当前所显示数据为哪个通道，如显示1则为瓦斯监控通道，2为一氧化碳监控通道，以此类推。

2.5 键盘控制电路设计

煤矿井下控制所需按键较少，可以直接用单片机多余的端口来控制，包括4个按键，装置启动、装置停止、发光报警检测及发声报警检测。

2.6 通信电路设计endprint

通信接口电路由MAXIM公司生产的芯片MAX3485与单片机的输出口相连接而成，MAX3485的工作电压只有3.3V，所以低功耗，使能端[RE]和[DE]需要接在一起，当[RE]=1，[DE]=1时，MAX3485处于发送状态；当[RE]=0，[DE]=0时，MAX3485处于接收状态。

3 仿真实验

为了验证所设计的监控终端的可行性，在此采用仿真软件Proteus对所设计的系统进行等效的实验[4]，仅作为井下监控终端功能的实现依据。在使用Proteus进行仿真实验时，传感器部分的模型是没有的，因此可以用电位器来代替它，具体原理是电位器电压的变化等效传感器接收信号浓度的变化，当电位器接入ADC0808模数转换器的电阻量变化时，根据其占参考电压的百分比来输出相应的数字量供单片机识别，并进行信号处理，事先设定好报警阈值，当接收到的数据超过预定的值，单片机则输出报警信号，驱动声光报警电路进行报警。

3.1 模拟量的监测仿真结果

根据煤矿井下安全中的规定，甲烷浓度最大不得超过1.5%，本次设计所采用的甲烷浓度检测传感器的最大量程为4%，仿真中参考电压5V即等效为最大量程，故当等效为甲烷传感器的电位器接入电压大于1.875V时便需要发生超标报警，经计算，阈值为1.5%÷4%×255=96，该值为10进制下的数，而A/D转换输出的为16进制的数，故10进制的96等于16进制的60，所以甲烷超标的阈值定为60H，图中前两位数码管显示值82H，后一个显示1，表明1号通道的甲烷浓度目前处于超标状态，同时甲烷浓度对应的报警灯发光，报警电路发声。

类似的，一氧化碳的浓度需要低于0.0024%，本次所用传感器的最大测量值为0.1%，故阈值定为6H；风速需要低于4m/s，本次所用传感器最大测量值为15m/s，故阈值定为44H；风压需要低于0.3MPa，本次所用传感器最大测量值为6MPa，故阈值定为0DH；温度需要低于35℃，本次所用传感器最大测量值为85℃，故阈值定为69H。不管选中哪路通道，只要单片机检测到该通道的测量值超过阈值即报警，检测值低于阈值自动消除报警。

3.2 开关量的监测仿真结果

开关量是由对应发光二极管的亮灭来监测，如图9所示，此时风门处于開启状态（风门开闭传感器输出1），而机电设备处于启动状态（机电设备开停传感器输出1），故风门开闭指示灯处于亮的状态，机电设备开停指示灯处于亮的状态。

4 结束语

本文从煤矿井下监控系统的实际需求出发，设计实现了基于AT89C52单片机的煤矿井下监控终端。首先，选择主控芯片AT89C52单片机，然后对硬件电路进行了系统设计，包括单片机辅助电路、信号监控电路、外部数据信号锁存电路等。最后，将已设计好的电路通过仿真软件Proteus进行仿真。仿真实验结果能够模拟井下监控终端系统的功能，该井下监控终端的设计能够较好地达到预期的目的，仿真实验成功。因此本次设计能够实现预期的煤矿井下安全监控终端的要求，具有一定的可行性。

参考文献：

[1] 陈平，煤矿安全生产调度监测管理信息系统建设[J].电脑知识与技术， 2009， 5 （8）：2013-2015.

[2] 张涛.煤矿井下安全监控分站的设计与仿真实现[J].计算机测量与控制，2015， 23（1）：86-89.

[3] 王旭波，李广红.煤矿井下供电安全监控系统的设计及应用[J].电子设计工程，2014，22（14）：81-83.

[4] 王海燕，杨艳华.Protues和Keil 软件在单片机实验教学中的应用[J].实验室研究与探索， 2012，31（5）：88-91.endprint