一種煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的研究

王文杰

摘 要：煤礦生產(chǎn)過程中，不可避免的會(huì)在礦井中出現(xiàn)大量的甲烷等易燃、易爆氣體，一旦在煤礦中發(fā)生瓦斯災(zāi)害事故，不僅會(huì)損毀礦井設(shè)備，還會(huì)極大地威脅井下工作人員生命安全。因此，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)出煤礦中的甲烷濃度，并且及時(shí)地進(jìn)行報(bào)警是非常必要的，可以極大的減輕瓦斯災(zāi)害造成的損失。該研究以STM32F103ZET6控制芯片為核心，設(shè)計(jì)了煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案，硬件模塊和軟件模塊，希望通過該研究為煤礦的安全生產(chǎn)提供幫助。

關(guān)鍵詞：STM32F103ZET6 煤礦 瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）07（c）-0013-03

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，煤炭的消費(fèi)量持續(xù)增長(zhǎng)，瓦斯事故已經(jīng)成為制約煤礦安全生產(chǎn)的重要因素。在煤礦的實(shí)際生產(chǎn)中，礦難事故不斷發(fā)生，而導(dǎo)致礦難產(chǎn)生的原因有很多，目前在我國(guó)煤礦安全事故中，瓦斯事故所占的比例已達(dá)到80%以上，瓦斯事故對(duì)煤礦的人員和財(cái)產(chǎn)產(chǎn)生了巨大的威脅，成為了煤礦安全生產(chǎn)的最大障礙。因此，對(duì)井下的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)并能夠及時(shí)準(zhǔn)確報(bào)警的系統(tǒng)在煤礦安全生產(chǎn)中具有非常重要的意義。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

該研究設(shè)計(jì)的基于STM32F103ZET6的煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)總體框圖設(shè)計(jì)如圖1 所示。

該系統(tǒng)采用以太網(wǎng)的通信方式。由分布在井下各處的瓦斯傳感器時(shí)刻采集并監(jiān)測(cè)瓦斯?jié)舛龋?如果瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)則發(fā)出聲光報(bào)警。因STM32F103ZET6具有強(qiáng)大的通信能力，可以通過以太網(wǎng)通信網(wǎng)關(guān)向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，設(shè)置在井上的計(jì)算機(jī)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下瓦斯的濃度，這樣就可以有效的降低瓦斯事故的發(fā)生率。

2 硬件設(shè)計(jì)

煤礦瓦斯監(jiān)控分站硬件圖如圖2 所示。以STM32F103ZET6為核心，包括了瓦斯傳感器、放大電路、聲光報(bào)警、以太網(wǎng)通信電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、電源電路、時(shí)鐘電路、按鍵電路、液晶顯示電路幾個(gè)核心部分構(gòu)成。

工作時(shí)，實(shí)際的瓦斯?jié)舛冉?jīng)過瓦斯傳感器采集并轉(zhuǎn)換為直流電壓信號(hào)，然后經(jīng)過放大后送入微處理器STM32F103ZET6內(nèi)置的A/D接口。微處理器STM32F103ZET6將轉(zhuǎn)換結(jié)果和設(shè)定的報(bào)警極限參數(shù)值進(jìn)行實(shí)時(shí)比較， 若實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)超過設(shè)定值則進(jìn)行聲光報(bào)警。具體的參數(shù)、瓦斯的濃度、時(shí)間及地區(qū)等參數(shù)可以通過屏幕顯示， 也可存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中以便分析查看和更新設(shè)定。

（1）控制芯片的選型。

該設(shè)計(jì)將選用的STM32F103ZET6芯片共計(jì)擁有144個(gè)引腳，各個(gè)部分的名稱與參數(shù)如表1所示。

此外芯片還具有有多達(dá)11個(gè)定時(shí)器，4個(gè)16位的定時(shí)器；1個(gè)系統(tǒng)時(shí)間定時(shí)器；具有JTAG接口、5個(gè)USART接口、3個(gè)SPI接口、1個(gè)SDIO接口、1個(gè)USB接口和1個(gè)CAN接口。

（2）瓦斯傳感器。

傳感器作為自動(dòng)化系統(tǒng)的“眼睛”，它的可靠性和穩(wěn)定性，是監(jiān)控系統(tǒng)能否正確收集被測(cè)環(huán)境和設(shè)備參數(shù)以及根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行有效控制的關(guān)鍵。由于目前在煤礦中使用最普遍、最廣泛的是催化的燃燒型瓦斯傳感器，并已占據(jù)了煤礦瓦斯檢測(cè)的主導(dǎo)地位。因此該設(shè)計(jì)選擇的瓦斯傳感器為鄭州煒盛電子生產(chǎn)的MJC4/2.8J催化燃燒式甲烷氣敏傳感器。

（3）電源電路。

該設(shè)計(jì)選擇了LM1117作為電壓轉(zhuǎn)換器件，能夠提供1.2 V至37 V的電壓，最大負(fù)載電流為1.5 A；其在穩(wěn)壓精度，紋波抑制比，輸出電壓穩(wěn)定特性等方面都較好，內(nèi)部還有過載保護(hù)、安全區(qū)保護(hù)等多種保護(hù)電路。為了改善瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性，可以在其輸出端接上一個(gè)10 uF的鉭電容。

（4）時(shí)鐘電路。

該設(shè)計(jì)采用了外部晶振所產(chǎn)生的頻率為8 MHz的時(shí)鐘電路，選擇了20 pF的陶瓷電容作為外接電容。為了能夠減少輸出失真和啟動(dòng)穩(wěn)定時(shí)間，外部電路應(yīng)當(dāng)盡量靠近芯片的OSC_IN和OSC_OUT引腳。

（5）放大電路。

瓦斯傳感器采集到的電壓信號(hào)很微小，無法進(jìn)行正常的A/D轉(zhuǎn)換識(shí)別，所以要經(jīng)過放大電路放大處理后再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。該設(shè)計(jì)選擇了AD8574，它是一種CMOS放大器，可以通過隨機(jī)頻率實(shí)現(xiàn)高精度的自動(dòng)調(diào)零，由2.7～5V的單電源供電。由于STM32F103ZET6內(nèi)置了3個(gè)12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，每個(gè)ADC有16個(gè)外部通道，轉(zhuǎn)換時(shí)間為1 us，能夠?qū)崿F(xiàn)高速轉(zhuǎn)換，所以A/D轉(zhuǎn)換由STM32F103ZET6內(nèi)部復(fù)用AD引腳完成。

（6）聲光報(bào)警。

在此次設(shè)計(jì)中，需要建立聲光報(bào)警電路。發(fā)光部分采用8050小功率開關(guān)三極管，發(fā)聲部分采用的蜂鳴器聲音強(qiáng)度為80 d B。

（7）以太網(wǎng)通信電路。

該設(shè)計(jì)采用主控芯片結(jié)合以太網(wǎng)控制芯片ENC28J60來完成信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)傳輸。主控芯片能夠?qū)σ蕴W(wǎng)芯片進(jìn)行控制，并通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)收發(fā)通信。

（8）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路。

在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片方面，采用的是SD卡。SD卡具有可靠、容量大、體積小、便于攜帶等諸多優(yōu)點(diǎn)，特別適用于需要長(zhǎng)期數(shù)據(jù)儲(chǔ)存的系統(tǒng)，該設(shè)計(jì)采用的是8 GB的大容量SD存儲(chǔ)卡。

（9）鍵盤電路。

按鍵電路是整個(gè)系統(tǒng)中的輸入模塊，為了保證顯示數(shù)據(jù)的完整性，輸入模塊選擇了4*4 鍵盤，通過鍵盤可以改變瓦斯的安全預(yù)設(shè)值。

（10）顯示電路。

顯示電路是整個(gè)系統(tǒng)中的輸出模塊，該系統(tǒng)采用了8 位數(shù)碼管顯示。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)分為主程序模塊和若干個(gè)子模塊。系統(tǒng)開機(jī)需要完成對(duì)I/O口，寄存器以及相關(guān)變量的初始化，然后啟動(dòng)自帶的定時(shí)器，完成信號(hào)的采樣與分析。一旦檢測(cè)到的瓦斯氣體濃度超標(biāo)，報(bào)警子程序會(huì)完成報(bào)警操作。

4 結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)采用了STM32F103ZET6作為硬件電路的核心，選用了鄭州煒盛電子生產(chǎn)的MJC4/2.8J型瓦斯傳感器，設(shè)計(jì)出整個(gè)系統(tǒng)的主要電路，并開發(fā)出了相應(yīng)的軟件。該系統(tǒng)成本較低、功能全面、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低等多種優(yōu)點(diǎn)，非常適用于井下環(huán)境，并能夠有效地減少煤礦瓦斯事故所帶來的危害。

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