【正文】 哈 爾 濱 理 工 大 學畢 業(yè) 設 計 題 目： 基于MSP430礦山通風實時監(jiān)控系統(tǒng) 院、 系： 測通學院 測控技術及儀器系 姓 名： 張 虎 指導教師： 施云波 系 主 任： 劉 泊 2011 年 6 月 24 日 哈爾濱理工大學學士學位論文基于MSP430礦山通風實時監(jiān)控系統(tǒng)摘 要 煤炭是我國的第一能源，在一次性能源結構中占70%以上。但是，由于開采條件的復雜性，使得礦山瓦斯、煤塵、水、火、頂底板事故的隱患無處不在。這些事故中，絕大部分是通風不良而引起。通風是礦山安全生產中的一個重要環(huán)節(jié)，通風監(jiān)控系統(tǒng)設計的優(yōu)劣直接關系到礦山的安全生產和經濟效益。本課題主要研究礦山通風實時監(jiān)控，其中給出了CO、風速、溫度、粉塵傳感器的設計，通過單片機的命令將結果通過顯示器及報警傳送給管理人員進行操作。本系統(tǒng)有效解決了礦山通風的實時檢測和控制問題。本課題的主要研究工作如下： (1) 前端處理電路的設計和制作。主要是設計CO傳感器探頭的變送器電路，實現將信號進行放大、轉換、報警等功能。(2) 核心板處理單元的電路設計。整個系統(tǒng)需要監(jiān)測四個參量，包括兩路A/D電壓、一路單總線數字信號和一路電阻濃度轉換信號。其中CO傳感器是電壓信號，風速傳感器是電流信號，粉塵傳感器是電阻阻值，核心板將實現電流到電壓的轉換，包括基準恒壓電路、接口電路等。(3) 系統(tǒng)軟件驅動與數據處理。整個系統(tǒng)要實時監(jiān)測參量變化，同時要實時顯示在液晶12864上，當CO濃度超過預設置的報警點時，主控箱進行聲光報警，當粉塵濃度超標時進行粉塵除塵設備開啟。關鍵詞　礦山通風；實時監(jiān)控；安全；一氧化碳MSP430based Realtime Monitoring Mine Ventilation SystemAbstractCoal is first energy in china, primary energy structure in more than 70%. However, due to the plexity of mining conditions, making the mine gas and coal dust, water, fire, roof and floor of the accident are hidden everywhere. These incidents, the vast majority of poor ventilation caused. Mine safety ventilation is an important part of the production。 ventilation control system design is directly related to the merits of mine safety and economic benefits. The main subject of study of realtime monitoring mine ventilation, which gives the CO, wind speed, temperature, dust sensor design, through the microcontroller mands the results sent to the monitor and alarm management operation. The mine ventilation system effectively solves realtime detection and control. The main research is as follows: It mainly designs the transmitter circuit of CO sensor probe, the transmitter circuit achieves the amplification、alarm、conversion functions of the signal. It mainly designs the core processing unit circuit board. The whole system needs to monitor three parameters, including twochannel A/D and 1wire bus digital signal. The output of CO sensor is voltage signal and the wind speed sensor is current signal, the core board will achieve the current to voltage conversion。 core board also includes: reference constant voltage circuit and interface circuit. It mainly designs the system softwaredriven and data processing. The whole system will monitor the change of parameters Realtime, and display on the LCD12864, when CO concentration exceeds preset alarm point, the main control box will alarm using sound and light，When the dust concentrations exceeding the open dust removal equipment.Keywords　Mine Ventilation。 Realtime Monitoring。 Security。 CO不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印III 目 錄摘要 IAbstract II第1章 緒論 1 課題背景 1 課題的目的及意義 1 我國礦山的現狀 1 礦山發(fā)展的簡史及國外的發(fā)展狀況 2 本文研究的主要內容 3第2章 設計系統(tǒng)的總體設計 5 系統(tǒng)總體設計 5 硬件設計原則 6 設計要求 6 遵循標準 6 軟件設計原則 7 程序的模塊化設計 7 程序的結構化設計 7 系統(tǒng)資源的合理化配置 7 本章小結 7第3章 礦井環(huán)境參數的測量控制 8 CO濃度的測量控制 8 傳感器原理 8 傳感器結構 9 傳感器電路 10 溫度的測量控制 11 DS18B20 11 原理和內部結果 11 DS18B20電路 12 風速測量 12 傳感器介紹 12 傳感器電路模塊 13 粉塵的測量控制 14 粉塵濃度測量原理 14 模擬信號處理 15 本章小結 17第4章 硬件電路的設計及固件編程 18 單片機系統(tǒng) 18 單片機簡介 18 單片機管腳 19 液晶顯示器 20 聲光報警 21 電機驅動 24 軟件設計總體結構 25 本章小結 28結論 29致謝 30參考文獻 31附錄A 33附錄B（英文原文） 34附錄C（中文翻譯） 48千萬不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印。在目錄上點右鍵“更新域”，然后“更新整個目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行 V 第1章 緒論 課題背景礦井通風系統(tǒng)對地下開采猶如血液循環(huán)系統(tǒng)對人體一樣重要，礦井通風是地下礦山安全生產的重要保障。隨著礦井向深部延伸和開采強度的增加，礦井必將出現巖溫增高、風路延長、阻力增大、風流壓縮放熱、風量調節(jié)困難、漏風突出、有毒有害物質和熱濕排除受阻等問題。因此，礦井通風的作用將更加重要。目前我國許多礦山開采己經進入了5001000m的開采深度（將該深度定義為亞深部），上述礦井通風問題非常突出；與此同時，深部開采粉塵污染問題的解決也非常困難[1]。 課題的目的及意義礦山通風是保證向井下連續(xù)輸送必要數量的新鮮空氣、稀釋并排除有毒有害氣體和礦塵，為礦工創(chuàng)造安全舒適工作環(huán)境的根本措施。礦井實行機械通風、合理設置通風構筑物、正確布置局部通風機及風筒是控制中毒窒息事故發(fā)生的前提。加強通風系統(tǒng)維護與運行管理是杜絕中毒窒息事故的保證。礦山通風（mlneventilation）在機械的或自然的動力作用下，將地面新鮮空氣連續(xù)地供給礦山作業(yè)地點，稀釋并排出有毒、有害氣體和粉塵，調節(jié)礦內氣候條件，創(chuàng)造安全舒適工作環(huán)境的一門工程技術。由此可見，保證人身安全和礦井安全生產的措施中，礦井通風有著非常重要的意義。 礦山通風的目的是控制污染物的濃度和空氣溫度，使之達到安全衛(wèi)生標準，以保障礦工的勞動安全和健康，提高勞動生產率。對于礦山的安全衛(wèi)生標準，各國均有具體規(guī)定。1982年中國頒布的《礦山安全條例》規(guī)定：采掘工作面進風流中，按體積計算，氧氣濃度不低于20%；%；礦井總回風巷，%。井下作業(yè)地點的空氣含塵量不得超過2mg/m3；；采掘作業(yè)面空氣干球溫度不得超過攝氏28度。此外，對各種有毒、有害氣體的濃度都有相應的規(guī)定[2]。 我國礦山的現狀 中國的金屬礦山，自20世紀50年代逐步建立機械通風系統(tǒng)以來，礦山企業(yè)也就是煤礦企業(yè)（我國有很多國營或者私營的煤炭企業(yè)）。其中安全隱患最大的是私營煤礦，私營煤礦是個人經營，安全隱患存在很大，這些老板為了賺錢而忽視安全造成許多家庭的傷害，在這些事件上人們會很熟悉一個詞那就是“黑窯”全稱是黑煤礦企業(yè)，這些企業(yè)都是未經國家許可而建造的，安全隱患很不達標，有些工人盲目賺錢進入這些企業(yè)。我國每年關于煤礦傷亡事件都很多，比如說煤礦坍塌，煤礦進水，煤礦爆炸等[3]。這些都危害著我們身邊的每一個人，非法的開采不盡然工人們受危害，還會破壞土地的平衡。礦山的安全如果不達標就意味著將有人會因此受害，近年來，我國礦山事故不斷，從廣西、山西到黑龍江等省區(qū)，重大礦山安全事故時有發(fā)生，引發(fā)強烈的社會不滿與批評。據安監(jiān)總局網站消息，2009年全國非煤礦山共發(fā)生事故1230起、死亡1542人。我國正處于工業(yè)化進程之中，對礦產資源的需求在不斷增加，礦山安全的壓力也不斷加大。我們必須堅持“以人為本”的方針，全面檢討我國礦山企業(yè)開采中的安全生產問題，并努力尋求解決的對策。盡管我國做了很多防御和嚴厲檢查措施，但還是有很多非法開礦的企業(yè)成為了漏網之魚，這些企業(yè)的老板為了賺錢可以不顧一切拿工人的生命當工具，可見非法礦山企業(yè)危害的嚴重性是多么大。礦山企業(yè)是我國的重要發(fā)展但也是我國的安全存在一，非法煤礦的開發(fā)使國家和人民受到了不小的傷害，每年因非法煤礦開發(fā)所造成的事故從未減小盡管國家的檢查嚴格還是有的企業(yè)可以逃避，致使我國煤礦安全事件不斷上升。煤礦工人的安全要靠煤礦企業(yè)的安全管理和應用來保護，煤礦的各項系統(tǒng)都很重要，這些系統(tǒng)都保護著井下的工人的生命安全，系統(tǒng)的維修也是不容忽視的，必須定期檢查及修理以防止系統(tǒng)漏洞所引發(fā)的危險。礦山是我國開發(fā)的重要工程，它可以為我國開采出很多的礦產資源，礦產的價格也是很高這就是為什么我國會有很多人利用它來賺取暴利，他們?yōu)榱双@取利益可以把工人的安全保護措施都省略，就是因為他們沒有這一點所以他們要逃避國家的檢查。這些都是管理上得疏漏[4]。但是從技術方面還是有比較好的成就，50年代我國就開始逐步建立機械通風系統(tǒng)。60年代，建立了分區(qū)通風系統(tǒng)和棋盤式通風網絡。70年代，出現梳式通風網絡、爆堆通風、推廣地溫預熱技術及云錫的排氡通風經驗等。進入80年代，金屬礦井通風技術以節(jié)約能耗為中心有了比較快的發(fā)展，取得的主要成就有：高效節(jié)能風機的研制與推廣；多風機多級機站通風新技術的應用；礦井通風網路的節(jié)能技術改造；建立礦井通風計算機管理系統(tǒng)和井下風流調控技術與手段的完善等[4, 5]。 礦山發(fā)展的簡史及國外的發(fā)展狀況 16世紀（1556）歐洲有用手動風箱通風的記載。中國在明崇禎年間（1637）有用竹筒排放有害氣體的記載。歐洲在17世紀曾使用火爐通風，到19世紀開始用機械通風。俄羅斯學者羅蒙諾索夫于1742年提出礦井中空氣自然流動的理論，奠定了自然通風計算的科學基礎。1854年英國阿特肯遜()發(fā)表《礦井通風原理》一文，闡明風量與風壓降之間的關系，首次提出通風阻力計算公式，為礦井通風阻力計算奠定了理論基礎。1904年蘇聯科學院院士斯科欽斯基首次應用流體力學方程，將礦內風流作為一維穩(wěn)定流動進行分析，開創(chuàng)了礦內空氣動力學的理論與試驗研究。20世紀前半葉，以斯闊成斯基為首的蘇聯學者，對礦內風流結構、井巷通風阻力、煙塵排出過程和礦井通風設計計算方法等進行了系統(tǒng)的研究，建立了以流體力學為基礎的礦井通風學理論體系1949年由斯科欽斯基與柯馬洛夫合著的《礦內通風學》是這一時期具有代表性的論著。1929年波蘭學者布德雷克()應用熱力學原理解釋礦內自然風流的流動規(guī)律。50年代以來，各國學者以熱力學原理對礦井通風過程進行了全面分析[6]。1981年美國海爾（）所著《礦井通風工程》一書是以熱力學理論為基礎，闡述礦內風流運動規(guī)律的代表性論著。歐美學者對深礦井通風和復雜通風網路解算分析方法的研究有較多貢獻。 根據煤礦監(jiān)控技術的歷史發(fā)展看，國內外最早的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的信息傳輸是靠空分制，也就是個測點用對電纜芯線來傳輸，其最有代表性的是法國推出的CTT63/40煤礦環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，它可以監(jiān)測瓦斯、一氧化碳、風速、溫度等參數，測點數最多可測60個點。緊跟著西歐國家有100多個礦裝備了該系統(tǒng)，為礦井安全生產起一定的作用。因此東歐的波蘭把技術引入本國，產生可