基于單片機的煤礦井下監(jiān)控終端的設(shè)計

王飛　湯嘯

摘要：煤礦井下監(jiān)控終端是煤礦監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分。文章根據(jù)煤礦井下安全生產(chǎn)的需求，設(shè)計了以AT89C52單片機為核心，以RS-485總線為通信方式的監(jiān)控終端裝置。首先搭建了整個系統(tǒng)構(gòu)架，其次進行了硬件電路設(shè)計。最后通過Proteus仿真軟件對設(shè)計電路進行實驗仿真，仿真結(jié)果表明文中設(shè)計的監(jiān)控終端具有一定的可行性和實際應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：單片機； 煤礦； 監(jiān)控終端； Proteus仿真

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：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

我國是煤炭大國，煤炭的產(chǎn)量和消耗量都是居于世界前列。煤炭的安全開采是個重要的問題， 因此煤礦安全監(jiān)控不容小視。煤礦井下安全監(jiān)控終端可以對煤礦安全生產(chǎn)過程中可能發(fā)生的災(zāi)害進行較為可靠的預(yù)測并能夠在災(zāi)害發(fā)生之前進行一定的處理，從而很大程度上保證了井下工作人員的自身安全，防止了事故的擴大化[1]。

煤礦井下監(jiān)控終端是煤礦監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，監(jiān)控終端通常由控制部分與監(jiān)測部分組成，監(jiān)測部分將檢測的數(shù)據(jù)傳送至地面，地面通過指令對系統(tǒng)進行電路的通斷以達預(yù)防的目的。

2 監(jiān)控終端系統(tǒng)的總體設(shè)計

本文設(shè)計的煤礦井下監(jiān)控終端由單片機系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)兩方面構(gòu)成，圖1是該終端裝置的系統(tǒng)框圖，包含中央處理器（CPU）、發(fā)光報警電路、發(fā)聲報警電路、上位機監(jiān)控通信、復(fù)位電路、時鐘電路、模擬量輸入輸出、開關(guān)量輸入輸出、數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)[2]。

硬件電路的設(shè)計是為了通過各種傳感器檢測煤礦井下惡劣環(huán)境的參數(shù)。模擬信號通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后送入單片機進行信號處理，開關(guān)量信號直接送入單片機進行處理（要保證輸入單片機端口的電壓電流符合單片機的要求，否則將導(dǎo)致單片機損壞）。系統(tǒng)一方面將輸出處理后的信號送入液晶顯示屏進行實時數(shù)據(jù)的顯示，另一方面將超過預(yù)先設(shè)定值的一路監(jiān)控參數(shù)進行報警信號送出，驅(qū)動報警器進行報警，從而保證整個井下人員的安全[3]。

2.1 單片機輔助電路的設(shè)計

單片機采用MCS-51 系列單片機AT89C52，單片機輔助電路由三個部分組成：時鐘電路、復(fù)位電路以及P0口的上拉電阻

2.2 監(jiān)控信號采集電路的設(shè)計

監(jiān)控信號采集電路如圖3所示，電路由兩個部分組成：模擬量信號采集電路、開關(guān)量信號采集電路。

2.3 聲光報警電路的設(shè)計

聲光報警電路由發(fā)聲報警燈電路和發(fā)光報警燈電路組成，設(shè)計如圖4所示。當(dāng)傳感器所檢測的模擬量超過預(yù)先設(shè)定的安全值，此時的測量值送入單片機進行處理后，單片機便會輸出一定的信號以驅(qū)動發(fā)光報警，同時驅(qū)動發(fā)聲報警電路報警以提醒工作人員，當(dāng)P1.2～P1.6輸入低電平時，報警燈亮，當(dāng)P1.7口輸入低電平時，經(jīng)反相器則為高電平，以驅(qū)動喇叭（蜂鳴器）報警。

2.4 實時數(shù)據(jù)顯示電路的設(shè)計

實時數(shù)據(jù)顯示電路如圖5所示，電路由ADC0808和三段數(shù)碼管顯示電路組成（實際為8段，仿真只用其中的3段），前兩段用于顯示模擬量輸入信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后所顯示的數(shù)值的大小，第三段用來顯示當(dāng)前所顯示數(shù)據(jù)為哪個通道，如顯示1則為瓦斯監(jiān)控通道，2為一氧化碳監(jiān)控通道，以此類推。

2.5 鍵盤控制電路設(shè)計

煤礦井下控制所需按鍵較少，可以直接用單片機多余的端口來控制，包括4個按鍵，裝置啟動、裝置停止、發(fā)光報警檢測及發(fā)聲報警檢測。

2.6 通信電路設(shè)計endprint

通信接口電路由MAXIM公司生產(chǎn)的芯片MAX3485與單片機的輸出口相連接而成，MAX3485的工作電壓只有3.3V，所以低功耗，使能端[RE]和[DE]需要接在一起，當(dāng)[RE]=1，[DE]=1時，MAX3485處于發(fā)送狀態(tài)；當(dāng)[RE]=0，[DE]=0時，MAX3485處于接收狀態(tài)。

3 仿真實驗

為了驗證所設(shè)計的監(jiān)控終端的可行性，在此采用仿真軟件Proteus對所設(shè)計的系統(tǒng)進行等效的實驗[4]，僅作為井下監(jiān)控終端功能的實現(xiàn)依據(jù)。在使用Proteus進行仿真實驗時，傳感器部分的模型是沒有的，因此可以用電位器來代替它，具體原理是電位器電壓的變化等效傳感器接收信號濃度的變化，當(dāng)電位器接入ADC0808模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電阻量變化時，根據(jù)其占參考電壓的百分比來輸出相應(yīng)的數(shù)字量供單片機識別，并進行信號處理，事先設(shè)定好報警閾值，當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)超過預(yù)定的值，單片機則輸出報警信號，驅(qū)動聲光報警電路進行報警。

3.1 模擬量的監(jiān)測仿真結(jié)果

根據(jù)煤礦井下安全中的規(guī)定，甲烷濃度最大不得超過1.5%，本次設(shè)計所采用的甲烷濃度檢測傳感器的最大量程為4%，仿真中參考電壓5V即等效為最大量程，故當(dāng)?shù)刃榧淄閭鞲衅鞯碾娢黄鹘尤腚妷捍笥?.875V時便需要發(fā)生超標(biāo)報警，經(jīng)計算，閾值為1.5%÷4%×255=96，該值為10進制下的數(shù)，而A/D轉(zhuǎn)換輸出的為16進制的數(shù)，故10進制的96等于16進制的60，所以甲烷超標(biāo)的閾值定為60H，圖中前兩位數(shù)碼管顯示值82H，后一個顯示1，表明1號通道的甲烷濃度目前處于超標(biāo)狀態(tài)，同時甲烷濃度對應(yīng)的報警燈發(fā)光，報警電路發(fā)聲。

類似的，一氧化碳的濃度需要低于0.0024%，本次所用傳感器的最大測量值為0.1%，故閾值定為6H；風(fēng)速需要低于4m/s，本次所用傳感器最大測量值為15m/s，故閾值定為44H；風(fēng)壓需要低于0.3MPa，本次所用傳感器最大測量值為6MPa，故閾值定為0DH；溫度需要低于35℃，本次所用傳感器最大測量值為85℃，故閾值定為69H。不管選中哪路通道，只要單片機檢測到該通道的測量值超過閾值即報警，檢測值低于閾值自動消除報警。

3.2 開關(guān)量的監(jiān)測仿真結(jié)果

開關(guān)量是由對應(yīng)發(fā)光二極管的亮滅來監(jiān)測，如圖9所示，此時風(fēng)門處于開啟狀態(tài)（風(fēng)門開閉傳感器輸出1），而機電設(shè)備處于啟動狀態(tài)（機電設(shè)備開停傳感器輸出1），故風(fēng)門開閉指示燈處于亮的狀態(tài)，機電設(shè)備開停指示燈處于亮的狀態(tài)。

4 結(jié)束語

本文從煤礦井下監(jiān)控系統(tǒng)的實際需求出發(fā)，設(shè)計實現(xiàn)了基于AT89C52單片機的煤礦井下監(jiān)控終端。首先，選擇主控芯片AT89C52單片機，然后對硬件電路進行了系統(tǒng)設(shè)計，包括單片機輔助電路、信號監(jiān)控電路、外部數(shù)據(jù)信號鎖存電路等。最后，將已設(shè)計好的電路通過仿真軟件Proteus進行仿真。仿真實驗結(jié)果能夠模擬井下監(jiān)控終端系統(tǒng)的功能，該井下監(jiān)控終端的設(shè)計能夠較好地達到預(yù)期的目的，仿真實驗成功。因此本次設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的煤礦井下安全監(jiān)控終端的要求，具有一定的可行性。

參考文獻：

[1] 陳平，煤礦安全生產(chǎn)調(diào)度監(jiān)測管理信息系統(tǒng)建設(shè)[J].電腦知識與技術(shù)， 2009， 5 （8）：2013-2015.

[2] 張濤.煤礦井下安全監(jiān)控分站的設(shè)計與仿真實現(xiàn)[J].計算機測量與控制，2015， 23（1）：86-89.

[3] 王旭波，李廣紅.煤礦井下供電安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用[J].電子設(shè)計工程，2014，22（14）：81-83.

[4] 王海燕，楊艷華.Protues和Keil 軟件在單片機實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗室研究與探索， 2012，31（5）：88-91.endprint