基于STM32 單片機的煤礦環(huán)境監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

朱新強，吳溢達，韓穎晴，張睿哲

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京），北京）

引言

在煤礦開采的過程中,安全事故層出不窮,對國家財產(chǎn)和人民生命安全造成了極大的損害, 煤礦安全是事關(guān)國家經(jīng)濟發(fā)展和人民生命安全的頭等大事[1]。

近年來,由于井下環(huán)境安全檢測系統(tǒng)的日益完善,煤礦事故率明顯下降, 井下安全工作環(huán)境得到了顯著的改善[2]。通過研究對于井下影響安全的關(guān)鍵環(huán)境因素的實時檢測和預(yù)警系統(tǒng), 能夠進一步地提升煤礦生產(chǎn)的安全系數(shù),具有十分重要的現(xiàn)實意義。

瓦斯?jié)舛?、煤塵濃度、溫濕度以及風(fēng)壓風(fēng)速是煤礦環(huán)境安全檢測的關(guān)鍵因素, 通過相關(guān)傳感器實時檢測, 借助無線通信模塊與PC 端進行實時通信交互,實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。當(dāng)PC 端接收到的數(shù)據(jù)信息不滿足給定的預(yù)設(shè)值范圍時,向單片機發(fā)送預(yù)警信號,單片機接收信號后,開啟聲光報警電路。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

煤礦環(huán)境監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計采用STM32F103ZET6 微處理器為主控模塊,采用3.3 V 的供電電壓,搭配MQ-5 瓦斯傳感器,DHT11 溫濕度傳感器,ZPH01 粉塵傳感器,DP-K022 風(fēng)壓傳感器, 超聲波風(fēng)速傳感器, 以實現(xiàn)對煤礦內(nèi)部各種影響安全的環(huán)境因素實時檢測,并通過ESP8266WIFI 模塊進行單片機與PC 機之間的實時數(shù)據(jù)通信, 控制聲光報警電路,實現(xiàn)報警功能。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 系統(tǒng)微控制器

煤礦環(huán)境監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)的核心微控制器選用意法半導(dǎo)體的STM32F103ZET6 微控制器,這是一種嵌入式-微控制器的集成電路, 采用ARM Cortex-M3 內(nèi)核,擁有高達72 MHz 的主頻,芯體尺寸為32 位,速度為72 MHz,程序存儲器容量是256 KB,能夠支持高速運算和復(fù)雜計算任務(wù), 同時還具有128 KB 閃存和20KB SRAM,可以存儲大量的程序代碼和數(shù)據(jù),能夠及時地處理系統(tǒng)中各個傳感器檢測到的環(huán)境信息,并通過ESP8266WIFI 模塊及時傳輸給PC 端, 能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計的高實時性要求[3]。

2.2 電源電路

STM32F103ZET6 正常工作電壓范圍為2.0 V～3.6 V,為了提高系統(tǒng)的使用壽命和可靠性, 選擇使用3.3 V電源供電。通過設(shè)計電源電路實現(xiàn)變壓的功能,圖2 為電源穩(wěn)壓電路。為防止電壓過大燒壞單片機,電源電路通過AMS1117 穩(wěn)壓器將5 V 的輸入電壓變?yōu)?.3 V電壓穩(wěn)定輸出,電壓的誤差可以控制在1.5%之內(nèi)。

圖2 電源穩(wěn)壓電路

2.3 MQ-5 瓦斯傳感器

煤礦中對安全生產(chǎn)影響最大的因素是瓦斯爆炸。MQ-5 傳感器對于甲烷和丙烷的靈敏度高, 而甲烷是瓦斯氣體最主要的組成成分,它的檢測范圍為300～10 000 ppm,因此MQ-5 能夠很好地滿足瓦斯檢測的要求。圖3 所示為MQ-5 的基本測試電路,該傳感器需要施加2 個電壓:加熱器電壓VH和測試電壓VC。

圖3 MQ-5 基本測試電路

2.4 DHT11 溫濕度傳感器

瓦斯爆炸的最低點火溫度會隨著溫度升高而降低, 瓦斯的爆炸極限溫度介于-20 ℃～+60 ℃之間;瓦斯在空氣中的擴散受到濕度的影響, 空氣濕度會干擾瓦斯擴散,高濕度會增加煤塵聚集的風(fēng)險,爆炸的相對濕度上限為80%。DHT11 是溫濕度檢測的常用傳感器。濕度精度為±5%RH,溫度精度為±2 ℃,量程為5～95%RH 和-20 ℃～+60 ℃，能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計的使用要求[4]。

2.5 ZPH01 粉塵傳感器

ZPH01 是一款基于光散射原理的傳感器?？梢杂行z測空氣中粉塵濃度。它的工作原理是通過發(fā)射激光束,使粉塵將激光散射到周圍,傳感器通過光電檢測器對散射光強度分析獲取粉塵濃度信息。

2.6 DP-K022 風(fēng)壓傳感器

煤礦中風(fēng)壓范圍在1.2～2.5 Kpa 之間。DP-K022風(fēng)壓傳感器是一種高精度微壓傳感器, 可以實現(xiàn)高精度的風(fēng)壓測量和模擬信號輸出。精度高,具有多種可供選擇的量程,選用大于等于2 Kpa 的滿足設(shè)計要求,分辨率達到了0.5%,穩(wěn)定性高,功耗低,足以滿足系統(tǒng)對于風(fēng)壓檢測的要求。

2.7 超聲波風(fēng)速傳感器

煤礦風(fēng)速的范圍一般在0.5～2.5 m/s,過高或者過低都會影響煤礦安全和生產(chǎn)效率。超音波風(fēng)速傳感器可以很好地滿足系統(tǒng)對于檢測風(fēng)速的設(shè)計要求。它是一種基于超音波技術(shù)為原理的風(fēng)速檢測傳感器。工作原理是:通過發(fā)射超聲波脈沖,檢測經(jīng)過氣流反射回來的氣流速度計算風(fēng)速信息。具有較高的精度,不受其他環(huán)境因素影響,響應(yīng)速度高的特點。

2.8 聲光報警電路

聲光報警電路如圖4 所示。STM32F103ZET6 接收到來自PC 端發(fā)送的報警信號時, 單片機發(fā)出信號開啟報警電路,將GPIO 引腳設(shè)置為輸出模式,當(dāng)接收到來自單片機的信號時,將GPIO 置于高電平,通過三極管放大電路放大輸入信號,點亮紅色警報燈,開啟蜂鳴報警器。

圖4 聲光報警電路

2.9 ESP8266WIFI 模塊

ESP8266WIFI 模塊作用有兩方面, 一方面是接收來自單片機的環(huán)境信息信號, 并將接收的信號通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給PC 機; 另一方面是接收來自PC機的報警信號, 并將報警信號通過串口通信傳遞給單片機。實現(xiàn)了單片機與PC 機之間的實時交互。STM32F103ZET6 采用AT 命令方式進行通信,單片機通過向ESP8266 發(fā)送AT 指令實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳功能[5]。

通過以上的各個傳感器的選擇與電路的設(shè)計,煤礦環(huán)境檢測系統(tǒng)的硬件電路被完整設(shè)計。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境

STM32F103ZET6 是基于ARM 架構(gòu)的微控制器。適用于STM32F103 系列的嵌入式開發(fā)環(huán)境較多,如Keil uVision5,IAR Embedded Workbench 和Eclipse等開發(fā)環(huán)境均可進行STM32 的軟件開發(fā)。綜合考慮開發(fā)難度,選用Keil uVision5 進行軟件開發(fā)。首先,Keil是目前嵌入式操作與開發(fā)最常用的系統(tǒng), 廣泛地應(yīng)用在各個工業(yè)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計領(lǐng)域,技術(shù)相對成熟。同時,其具備較強的穩(wěn)定性與可靠性,為用戶提供了高效的調(diào)試和仿真工具,為用戶的開發(fā)測試提供了便利;它的圖形界面與編碼界面對用戶相對友好, 編程難度相對較低; 支持多種系列的STM32 芯片開發(fā), 包括STM32F103ZET6 芯片。綜合以上因素,Keil uVision5是最合適的選擇。

3.2 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計

3.2.1 單片機運行流程

系統(tǒng)流程設(shè)計采用內(nèi)部循環(huán)的結(jié)構(gòu), 軟件流程如圖5 所示。主程序運行時首先進行初始化,將STM32F103ZET6 做初始化設(shè)置,同時將MQ-5 瓦斯傳感器,DHT11 溫濕度傳感器,ZPH01 粉塵傳感器,DPK022 風(fēng)壓傳感器,超聲波風(fēng)速傳感器,聲光報警電路以及ESP8266WIFI 模塊初始化。運行時,由各個傳感器收集的環(huán)境信息數(shù)據(jù),經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換(將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量)之后送入單片機內(nèi)部進行數(shù)據(jù)處理,單片機將接收到的數(shù)據(jù)實時的通過串口通信傳輸給ESP8266WIFI 模塊,ESP8266 將接收的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)實時上傳到PC 端。單片機此時檢測是否接收到來自PC 端的報警信號, 若未接收到循環(huán)至環(huán)境信息收集環(huán)節(jié)繼續(xù)循環(huán)。若接收到,則開啟聲光報警電路,繼續(xù)進行環(huán)境信息收集,A/D 轉(zhuǎn)換, 以及數(shù)據(jù)上傳的工作,并檢測是否有來自于PC 端口的復(fù)位信號,若未接收到則保持聲光報警電路開啟狀態(tài), 循環(huán)至上一級的環(huán)境收集環(huán)節(jié);若接收到則循環(huán)至初始化環(huán)節(jié)。

圖5 單片機流程

3.2.2 PC 端軟件流程

PC 端軟件流程整體設(shè)計采用循環(huán)結(jié)構(gòu),程序主要工作原理是:軟件開啟后進行系統(tǒng)的初始化,接收來自于ESP8266WIFI 模塊通過無線通信的發(fā)送的單片機收集的環(huán)境信息數(shù)據(jù)。系統(tǒng)將接收到數(shù)據(jù)進行處理,顯示在PC 機的液晶顯示屏上, 以便工作人員能夠及時觀察和獲取環(huán)境信息; 判斷接收數(shù)據(jù)是否滿足給定的預(yù)設(shè)值范圍, 若未滿足返回上一級接收數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)環(huán)節(jié)執(zhí)行循環(huán); 若不滿足, 則立即通過無線網(wǎng)絡(luò)向ESP8266WIFI 模塊發(fā)送報警信號。報警信號發(fā)出后,繼續(xù)接收處理數(shù)據(jù), 并判斷數(shù)據(jù)是否滿足給定的預(yù)設(shè)值范圍,若不滿足,返回上一級循環(huán)繼續(xù)執(zhí)行數(shù)據(jù)接收與處理的操作,直到數(shù)據(jù)信息回歸到預(yù)設(shè)值范圍之內(nèi),向ESP8266WIFI 模塊發(fā)送復(fù)位信號, 進入初始化再次執(zhí)行循環(huán)。

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

為了驗證煤礦環(huán)境監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計的可行性與實用性,在實驗室內(nèi)搭建完整的系統(tǒng),人為制造模擬煤礦內(nèi)部的瓦斯?jié)舛?、溫濕度、粉塵濃度、風(fēng)速風(fēng)壓等環(huán)境條件,實驗測試系統(tǒng)對于環(huán)境信息的收集情況,以及電路報警情況。經(jīng)過測試,驗證了煤礦環(huán)境檢測與預(yù)警系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)可靠,數(shù)據(jù)信息準(zhǔn)確,誤差均在合理的范圍內(nèi),預(yù)警及時準(zhǔn)確,系統(tǒng)運行穩(wěn)定,實時性強,穩(wěn)定性高,滿足了設(shè)計系統(tǒng)的預(yù)期目標(biāo)。

5 結(jié)論

與傳統(tǒng)煤礦環(huán)境檢測系統(tǒng)相比, 本系統(tǒng)對于環(huán)境信息的檢測更加全面,集成了多種環(huán)境檢測功能,可以滿足企業(yè)對于環(huán)境檢測的需求。通過應(yīng)用無線通信的功能,實現(xiàn)了PC 機與單片機的遠程交互,操作人員可以通過遠程交互獲得礦井內(nèi)部的環(huán)境檢測信息, 提升了煤礦的無人化程度和安全性, 簡易的報警電路具有較高的抗干擾性。此煤礦環(huán)境檢測系統(tǒng)還具有安裝便捷、成本低廉、安全可靠等優(yōu)點。

本設(shè)計仍存在可以進一步優(yōu)化的內(nèi)容, 值得進一步完善:第一,增加攝像頭傳感器,實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的處理與檢測, 在一定程度上不僅可以完成對于礦井內(nèi)部情況的實時視頻檢測,也可以代替監(jiān)控器功能,為煤礦企業(yè)進一步節(jié)約成本。第二,PC 端軟件的設(shè)計應(yīng)該增加對于環(huán)境信息數(shù)據(jù)的實時記錄, 并將其保存上傳到數(shù)據(jù)庫中,以便必要時進行復(fù)檢復(fù)查工作。