煤矿井下集成检测装置的设计

薛伟宁 李鹏

摘要：近年以来，我国煤矿发生的安全事故中，瓦斯爆炸事故尤为频繁，其爆炸的原因极大部分与井下气体中的CH4和CO两种气体有关，可见这两种气体对我们在煤矿的工作生产安全构成极大威胁。所以对这两种气体的浓度检测与监测便显得尤为重要。能实时准确的测量这两种气体在井下每个位置的含量，及时准确的监测到周围的信息，对提高煤矿的安全生产和提高工人们的安全程度是相当重要的，针对以上的煤矿安全现状，本文设计了一种在煤矿井下工作的集成多种检测传感器的检测装置。

关键词：安全事故；气体检测；集成；传感器

近年以来，我国曾多次发生瓦斯爆炸事故，而在我国全部的重大伤亡事件中的总人数中，有超过一半以上死伤事件的都是因为煤矿爆炸事故。2016年11月25日21时04分，四川华蓥山龙滩煤电有限责任公司发生较大瓦斯爆炸事故，造成4人死亡，两人受伤，直接经济损失510万。其爆炸的原因极大部分与井下气体中的CH4和CO两种气体有关，可见这两种气体对我们在煤矿的工作生产产生了极大地损失。所以对这两种气体的浓度监测便显得尤为重要。

针对以上情况本文设计了一种基于STM32嵌入式处理器能在煤矿井下随身携带的甲烷与一氧化碳的集成检测装置。能实时准确的测量这两种气体在井下每个位置的含量，井下工作人员能时刻监测到周围的信息，对提高煤矿的安全生产和提高工人们的安全程度有着非常重要的意义。

1 系统组成

本设计系统核心主控电路板上集成了三个检测装置一氧化碳传感器、甲烷传感器以及温度传感器这三种传感器，数据在OLED显示屏上显示。报警装置则是由蜂鸣器和双色LED指示灯来完成声光报警 。[2]

整个系统的工作流程是：启动系统，初始化芯片，将各种参数的预设值通过软件写入；预热传感器；读取传感器参数并与之前预设的各参数的报警阈值对比。根据要求，当高于或低于阈值时发出报警。

系统结构如图1所示。

2 硬件电路设计

2.1 主电路设计

煤矿井下检测装置的核心微处理器选择使用CortexM3内核的STM32系列的嵌入式处理器STM32F103。由于本次项目使用的煤矿井下便携式检测装置需要使用干电池供电，可能会在井下待机很长时间，所以在能耗控制方面是很有必要的。而CortexM3的内核加入了类似于8位处理器所采用的内核低功耗模式，这样的设计使得它能支持三种功耗管理模式：1）一条指令立即睡眠模式；2）异常/中断退出时立即睡眠模式；3）深度睡眠模式。这样可以让整个芯片的功耗控制变得更加有效。它的内存和寄存器状态保持在停机模式时耗电仅为14uA，在这种状态下启动时间仅需要7us。而且CortexM3的工作运行功耗同样也十分低。STM32系列的单片机目前是工业上使用最为普遍而且相对最稳定的一个系列，它相应外设也非常多。

根据我们任务的要求，我们需要实时检测周围空气中的甲烷和一氧化碳两种危险气体的浓度以保证人员的安全，同时还要监测环境的温度并将上面这些数据显示出来。此次设计最主要的思路是通过各类传感器采集携带者周围环境当中的各类危险气体的数据，经过数据的处理后，将相应的数据传给核心处理器，然后做出相应的处理，并将各类参数在OLED显示屏上显示出来。

2.2 传感器电路设计

信号输入模块为各路采集信号的各类传感器，基本上是三种，分别是温度传感器、甲烷传感器和一氧化碳浓度传感器这三种十分常用的传感器。

目前市面上大多数我们经常用的传感器一般都是输出模拟信号来传递信息的，所以需要我们将这些模拟信号转化为合适的、对应的数字信号以方便我们可以对这些信号进行数据处理。这也是我们采用意法公司的STM32F103RBT6芯片的原因之一。因为我们所选用的这种单片机拥有一个精度达到12位的高精度模数转换器的ADC。若采集到的甲烷、一氧化碳任意一个数据浓度高于所设定的警戒线时，将会使用蜂鸣器报警，以提示携带者周围环境的危险或可燃气体浓度超标，以做出合适的处理。

传感器的选择，我们对比过市面上常见的一些气体传感器，包括价格、灵敏度和信号传输方式，相比较而言MQ系列气体传感器具有灵敏度高、体积小、价格相对便宜且信号传输方式简单等优势，其产品十分成熟，市面上产品使用十分广泛，便于我们采购，十分适合在本次设计中使用。所以我们选取了MQ2甲烷传感器，MQ7一氧化碳传感器。温度传感器选择了DS18B20，[3]和MQ系列的气体传感器一样，这款温度传感器应用十分广泛，结构简单，信号传输方式简单且采购价格便宜，大规模使用时能极大地降低成本。至于显示器，因为需要显示的数据不多，并且对于分辨率的要求不高，所以直接选用0.96寸OLED显示器的便足够我们使用。报警处理模块的作用是若检测到环境的温度，甲烷浓度或者一氧化碳浓度高于设定值时，芯片把报警控制信号输出给报警模块。此时蜂鸣器会发出报警声，并且相应的报警指示灯会由绿变红，直到环境温度，甲烷或者一氧化碳的浓度值降低。

3 软件设计

在软件设计上，我们应该关注如下几点：

（1）在进行软件设计时我们也能用到模块化功能，它能更加有效直觀的反应我们所要用到的某一项功能能否正常使用，它的好处在于能够快速的修改和测试。

（2）为了实现我们所需的更多功能，我们可以预留出一些编译需求，比如测试二氧化碳浓度，水分等。

（3）此次设计中我们从许多高级语言中选择了应用最广的C语言来书写程序。

首先，主控芯片进行自身初始化，然后初始化各传感器模块，再通过程序写入警报值。软件主要来控制传感器采集数据和控制报警。主程序流程图如图2所示。

4 组装与调试

4.1 模块调试

将设计好的PCB板与它的电路原理图相结合，将对应器件焊接在电路板上（焊接时要把握焊锡的量，不要让焊盘上有太多的焊锡。特别要注意的是千万一定不能虚焊和焊短路），然后进行各模块测试，尽可能去修改实验板设计时存在的缺陷，以确保实验板能稳定、正常得工作。

4.1.1 模块硬件检测

（1）断电检查。在上电之前，应该检查电源线与地线是否短接。然后再逐步检查芯片引脚（这一步在焊接芯片是就应该检查）是否有短接、开路等状况存在。

（2）上电检查。接通电源之后，触摸实验板上的各个芯片，查看是否有发热的情况出现，然后具体的查一下电源转换芯片的输出电压和各器件供电线路的输入电压是否满足设计的需要。

4.1.2 模块软件测试

软件的编写可以分模块进行，根据对环境检测控制系统所需的要求进行编写、调试、实现其功能。首先打开编写程序的开发平台Keil MDK软件，根据自己设计的系统要求的功能编出相对应的控制程序，用以实现其具体的功能。编写的程序首先应该按模块进行，然后逐一进行调试。如若都可以满足要求正常工作后，然后再集成调试，做整体调试。环境检测系统软件设计中主要模块有：电源模块、传感器模块、报警模块等。

4.2 系统调试

我们准备工作完成后，可以使用专门的甲烷气体产生装置来进行了温度报警测试和一氧化碳、甲烷浓度报警，通过测试结果，我所完成的本次设计能够正确而灵敏的感知温度，同时确保在偏离我们设定的预设温度时报警装置也能够自己正常的运行。

调试过程中，首先打开开关给系统上电，可以看到工作指示灯亮起，因为DS18B20初始通电时显示温度均为85度，为了直接显示出当前温度，所以延时0.7秒，再让OLED显示屏亮起。然后是系统的初始化过程，因为甲烷和一氧化碳传感器需要预热至少20秒的时间。所以在传感器预热的20秒内，屏幕上所闪动的并不准确我们可以在延时5秒后再显示其数值。系统启动正常后，开始以下功能测试。[4]

首相，进行温度的测试，让环境温度不断升高，到40度时，我们可以看到系统温度的报警指示灯亮起，同时蜂鸣器开始报警。从OLED显示屏幕上可以读取温度传感器每时每刻的实时温度。

其次，进行甲烷浓度测试，让环境中甲烷浓度不断升高，到设定的浓度时时，我们可以看到系统甲烷的报警指示灯亮起，同时蜂鸣器开始报警。从可以OLED显示屏幕上读取甲烷浓度警报位，在正常浓度下该位显示为1，当甲烷浓度超标时显示为0。我们可以通过调节滑动变阻器的大小来改变甲烷传感器的灵敏度，以适应不同环境下对甲烷浓度的要求。

最后，进行一氧化碳的测试。让环境中一氧化碳浓度不断升高，到超过2500PPM时，我们可以看到系统一氧化碳的报警指示灯亮起，同时蜂鸣器开始报警。从可以OLED显示屏幕上读取一氧化碳传感器每一时刻所采集的数据和所转换对应的电压值，[5]因为这些信号是非线性的，不方便计算，所以并没有将其转换成浓度信号.

当软件和硬件都调试完成后，还要集合软硬件调试，主要进行调试的方面有：测试该系统能否实现其各个相应的功能，该系统能否在环境中的稳定和可靠的运行。

5 结论

以STM32F103单片机为系统核心的多功能监测系统它能够实现对周围环境中甲烷、一氧化碳浓度和环境温度进行实时检测。试验验证下，我们的系统是可以实现可靠的工作运行，并且感应十分准确，这次我们用来测量温度和各气体浓度的传感器都是灵敏度非常高，响应速度也非常快，只要周围温度和气体浓度不在规定值之内系统就會立刻报警。通过在实验室模拟真实环境，我们对整个设计的硬件和软件进行了检测和调试，该设计基本实现了任务功能。

后续研究工作是给整个系统添加远程控制及更多的检测传感器（如硫化氢浓度监测，湿度监测等），这将使得它变成一个功能更加强大，更加方便的可以在煤矿井下使用的便携式多功能检测装置。

参考文献：

[1]孙红梅，彭慰先，孙桂娟.二氧化硫光谱检测技术[J].环境监测管理与技术，2004（03）：68.

[2]刘永涛，刘佳，李玉华，夏旭洪，刘浩，霍庆周.基于SIM900A的语音燃气报警装置设计与实现[J].现代电子技术，2017，40（03）：9699.

[3]张雷，吴华夏，胡俊涛，傅勇，吕国强.一种OLED显示参数温度自适应设计[J].光电工程，2011，38（02）：127131.

[4]唐熔.销售企业计算机机房环境监控系统[J].电脑知识与技术，2012，8（14）：32503252.

[5]方天衡，陆俊臻，蔡成航，芦立娟，鲁晓东，张继军.多应用智能排风扇[J].大学物理实验，2016，29（05）：6367.

基金项目：中央高校基本科研业务费资助（3142016008），廊坊市科学技术局资助项目（2017011004）

作者简介：薛伟宁（1978），男，辽宁葫芦岛人，硕士，华北科技学院电子信息工程学院讲师，研究方向：控制科学与工程。