煤矿安全检测专家报警系统的研究与设计

◎岳俊华 郭佳珠

（作者单位：吉林建筑大学）

引言：煤炭工业是我国能源工业的重要组成部分。但仍有不少机械化程度较低的矿山企业，特别是对瓦斯、煤矿温度的检测和报警仍存在隐患。传统的煤矿安全监测系统大多采用有线技术进行信息输送，这种方存在以下缺点：有线方式的运输会导致系统对于线路更加依赖，布线困难的情况在复杂的矿下环境中时有发生；信息的输送会用到数模转换或模数转换的电路布署，检测过程繁琐，细节较多，就导致监测的准确性很难保证，无形中又增加了煤矿开采的成本，在这种传统的检测系统中，整个系统地运行很可能会因为一个节点出现故障而不能完成检测，这样一来，后期维护的成本也会大大增加。因此急于研究设计一套煤矿安全检测报警专家系统，这个系统对瓦斯爆炸和煤层自燃的预防以及对煤矿安全管理具有非常现实的意义。

一、系统方案简要阐述

在本系统中能够实现的功能包括瓦斯浓度煤矿温度数值实时显示，当测量的实际浓度或温度数值超过传感器设定的预警值时，触发声光报警功能，同时控制排风扇启动排风以降低浓度含量或降温。报警触发的排风功能与以往的人工控制风扇排风相比，在人工控制的基础上增加了系统自动控制的功能，是利用自动化的手段使煤矿安全检测报警系统更加智能化，系统采用无线运输方式来传输信号，相较以往的有线运输方式，大大提高了检测的准确性以及开采效率。

本设计以单片机为核心硬件控制部分，分别作为瓦斯浓度检测报警部分和矿下温度检测报警部分的控制核心。整个煤矿安全检测报警系统主要包括瓦斯浓度及矿井温度检测及数据显示部分，A/D 模数转换和D/A 数模转换部分及报警排风部分。

二、系统设计

1.硬件设计。

瓦斯传感器的选择：选择了MQ 系列的MQ-4 瓦斯传感器，这种传感器具有很高的灵敏度，使用寿命长，更低廉的成本，快速的响应恢复特性，结构稳定可靠，驱动电路简单等，非常适合本次设计的要求。

温度传感器的选择：选择了数字式温度传感器中DS18B20，支持“一线总线”接口，只需要一个I/O 口就能进行信息传递，供电可用数据总线，分辨率为9~12 位，并且可定义报警值设置即可自行设定上下限值。

单片机的选型：选择AT89S51 单片机，兼容AT89C51 的指令系统和引脚结构，在这基础上增加了一些功能：S51 支持并行编程和在线编程，抗干扰性更强，实现软件抗干扰，所以性价比还是很高。

A/D 转换电路：本设计采用的A/D 转换芯片为ADC0832 模数转换器。

D/A 数模转换电路：本设计采用的D/A 数模转换芯片为DAC0832。

显示电路：瓦斯检测部分和温度检测部分的测量数据显示部分采用的是7 段共阳LED 数码管扫描电路，瓦斯显示用到2 组，温度显示用到4 组。

报警电路：根据《煤矿安全规程》规定：采掘工作面中瓦斯报警浓度不能超过1.0%；26℃为采煤工作面温度上限值，30℃为采掘工作面温度上限值。考虑到煤矿环境的安全性和本系统结构简单的限制性，现设定煤矿内瓦斯浓度的上限值为1%，矿井温度的上限值为26℃。报警电路的核心是三极管，三极管基区通过串联一个电阻来接通单片机，蜂鸣器通过三极管NPN 驱动，温度检测控制部分的报警电路与单片机的P1.0 口相连接，瓦斯浓度检测报警电路与单片机的P1.7 口相连接。当单片机P1.0 或P1.7 口输出为高电平，即实际测量值超过设定值时，系统自动输入高电平，此时蜂鸣器响，输出为低电平时，蜂鸣器不响。

PWM 直流电机电路：随着电子技术的发展，PWM 脉宽调制是现在比较常用的调速方法。它是通过可调节的数字信号高低电平占空比来控制模拟信号的变化，通常连接三极管配合使用，利用高低电平来导通电路，实现对它的控制。

2.软件设计。

Keil 开发环境是由编译器、汇编器、实时操作系统、项目管理器和调试器组成的集成开发环境。编程用到的是汇编器，首先新建一个文件，保存为。asm 后缀文件名的文件类型，然后开始编写，在程序编写完成后需要导入单片机，单片机识别的是。hex 后缀的文件类型，这一步在kiel 软件中转换即可。程序的编写是实现系统仿真的关键步骤。完成主程序设计、A/D 转换程序设计、报警程序设计和PWM 电机调速程序设计。

三、仿真结果分析

程序的编写和格式的转换在kiel 软件中进行，在Proteus 中绘制好对应的原理图后，双击单片机芯片添加目标程序文件：。hex 后缀文件，之后点击左下角的运行仿真按钮，如果各方面都没有出现错误，就可以在Proteus 原理图中看到模拟的仿真运行状态。

本设计的仿真结果分析：当滑动变阻器左拉，即瓦斯浓度信号变大时，模拟电压变小，导致输入单片机的数字量变大，数码管显示的数值也会相应变大，在超过数值1 即“1%”时，蜂鸣器响，FAN 电机运行，示波器显示电机转速，温度部分DS18B20 传感器检测到的信号经由模数转换显示在数码管上，当其数值超过限定地26℃时，蜂鸣器响，FAN 电机运行，示波器A 段显示电机转速。

四、结论

本文采用了有别于传统的有线技术方式的信息输送——无线传输网络技术，研究设计一套煤矿安全检测报警专家系统来检测煤矿内瓦斯浓度和矿下温度，此系统能够很好的弥补有线技术监测系统存在的缺陷，同时增加了排风扇的应用，当瓦斯浓度或矿下温度超过预警值时能够降温降低瓦斯含量，大大加强了瓦斯浓度和矿下温度检测的准确性，这种无线网络传输方式不会依赖线路，所以一定程度上能够降低成本，这样一来开采效率也提高了。这个系统对瓦斯爆炸和煤层自燃的预防以及对煤矿安全管理具有非常现实的意义。