【正文】 technology and the blue tooth mechanics of munication the foundation, realizes gas strength value realtime gathering and the transmission, and has designed the system hardware electric circuit and the related software. We designed the system hardware circuit and software. The high sensitivity and reliability of the system hardware, and effectively improve the performance of a munication system for coal mine gas monitoring with a set of a highly efficient and reliable data collection. Through the coal mine gas monitoring system, managers can easily control the various measuring points mine gas concentration values for the macroDispatch, or emergency response to provide the effective information. The design is based on singlechip control, is a plete gas safety monitoring system, the messages will be measured after the operation and handling of singlechip, Bluetoothbased wireless transmission system for the output data and realtime monitoring, which greatly raised the coal mine work safety factor. Keywords Coal Mine Safety Monitoring System。 以傳感器技術(shù)和 藍(lán)牙通訊技術(shù) 作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)瓦斯氣體濃度 值的 實(shí)時(shí) 采集及 傳送 ， 設(shè)計(jì)了系統(tǒng)硬件電路 和 相關(guān)軟件 。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 I 基于單片機(jī)的煤礦 瓦斯 檢測(cè)系統(tǒng) 摘 要 瓦斯爆炸成為中國(guó)礦難的主要原因 之一 。 在井下作業(yè)時(shí)，因設(shè)備、照明等難 免會(huì)產(chǎn)生火花，因此主動(dòng)地對(duì)瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行實(shí)時(shí)、分布式的監(jiān)控和檢測(cè) 具有更重要的意義。 本設(shè)計(jì)基于單片機(jī)控制，是一套完備的煤礦瓦斯安全監(jiān) 測(cè) 系統(tǒng)，測(cè)量后的信息經(jīng)過單片機(jī)運(yùn)算和處理，通過基于藍(lán)牙 技術(shù) 的無(wú)線傳輸系統(tǒng)進(jìn)行輸出數(shù)據(jù)和即時(shí) 監(jiān)測(cè) ，大大提高了煤礦內(nèi)工作的安全系數(shù)。 A / D converter。在地下采礦時(shí)候，井內(nèi)常常會(huì)泄露一定量的 甲烷、 一氧化碳、二 氧化碳 等氣體，后一種含量少， 且 易溶于水 ， 經(jīng)煤礦開采時(shí)的噴水處理后變成酸。 在煤礦井下開采過程中 ， 高瓦斯或突出礦井廣泛采用由真空泵和管路組成的抽排系統(tǒng)抽出采掘工作面煤層中的瓦斯。 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步 ， 煤炭開采中安全監(jiān)測(cè)的現(xiàn)代化步伐也在不斷前進(jìn)。 2． 在系統(tǒng)的啟動(dòng)和運(yùn)行過程中 ， 不能自動(dòng)地根據(jù)被排瓦斯?jié)舛燃皶r(shí)調(diào)節(jié)排放流量 ， 以保證出口處的瓦斯?jié)舛炔怀蕖? 4． 調(diào)節(jié)輸出流量的旁通閥設(shè)置存在安全隱患。本次設(shè)計(jì)的是一種低成本的可燃性氣體報(bào)警器，能夠監(jiān) 測(cè) 礦井的瓦斯氣體的濃度，顯示測(cè)量結(jié)果，并對(duì)當(dāng)前的環(huán)境狀態(tài)做出判斷，發(fā)出報(bào)警信息。把無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到煤礦監(jiān)控系統(tǒng)中 ， 通過各種傳感器實(shí)時(shí)采集礦井的環(huán)境信息 ， 由嵌入式系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行處理 ， 通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)以多 點(diǎn) 中繼方式將信息傳輸?shù)骄獾谋O(jiān)控終端 ， 能夠彌補(bǔ)有線設(shè)備的缺陷 ， 具有價(jià)廉、便攜、可靠性 高、易于校正等優(yōu)點(diǎn)。 本 電路以單片機(jī)為核心，能夠?qū)Σ杉臄?shù)字信號(hào)進(jìn)行處理和判斷，運(yùn)用一定的算法計(jì)算出待檢測(cè)氣體成分及濃度并送到 LCD 液晶 顯示器 顯示出來(lái)，同時(shí)通過藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)傳給監(jiān)控系統(tǒng)。過去氣體傳感器主要用于煤氣、液化石油氣、天然氣及礦井中的瓦斯氣體的檢測(cè)與報(bào)警，目前需要檢測(cè)的氣體種類由原來(lái)的還原性氣體 (H2,C4H10,CH4)等擴(kuò)展到毒性氣體 (CO, NO2, H2S, NO, NH3, PH3)等。自從1962 年半導(dǎo)體金屬氧化物氣體傳感器問世以來(lái)，由于具有靈敏度高、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用，目前已成為世界上產(chǎn)量最大、使用最廣的傳感器之一。隨著近年來(lái)復(fù)合金屬氧化物、混合金屬氧化物等新型材料的研究和開發(fā)，大大提高了這種氣體傳感器的特性和應(yīng)用范圍。檢測(cè)氣體大多為氫氣、硅烷等可燃?xì)怏w。如測(cè)量 H2S 的 YSTAuWO測(cè)量 NH3 的NH+4CaCO3等。例如，在 Pt 絲上涂敷活性催化劑 Rh 和 Pd 等制成的傳感器，具有廣譜特性，即可以檢測(cè)各種可燃?xì)怏w。主要有酞菁聚合物、LB 膜、苯菁基乙炔、聚乙烯醇 磷酸、聚異丁烯、氨基十一烷基硅烷等。 本設(shè)計(jì)采用的 MQ5 氣敏傳感器 屬于 半導(dǎo)體金屬氧化物氣體傳感器， 對(duì)液化氣，天然氣，城市煤氣有較好的靈敏度，對(duì)乙醇，煙霧幾乎不響應(yīng) ，快速的響應(yīng)恢復(fù)特性以及長(zhǎng)期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性，同時(shí)測(cè)試電路簡(jiǎn)單 。藍(lán)牙系統(tǒng)一般由 4個(gè)功能單元組成，如下圖 22所示。利用這種技術(shù)的產(chǎn)品，具有技術(shù)先進(jìn)、體積小、功耗低、造價(jià)低等特點(diǎn)，而且不限制被監(jiān)控設(shè)備的具體位置，允許其在一定空間范圍內(nèi)移動(dòng)。目前學(xué)者們用兩種理論來(lái)解釋這一點(diǎn)： 1． 基于波導(dǎo)理論。 當(dāng)無(wú)線電的波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于限定空間的幾何尺寸時(shí)，無(wú)線電的傳播可以看成是光在限定空間中直射、反射、繞射的綜合結(jié)果。在礦井中采用 UHF無(wú)線電通信的另外一個(gè)優(yōu)越性是空間電磁波對(duì)通信的干擾很小，曾經(jīng)在礦井直巷道中實(shí)驗(yàn)了電機(jī)車通過時(shí)電弓發(fā)出的電火花對(duì) UHF通信的干擾效應(yīng)，結(jié)果表明客觀上沒有影響通信質(zhì)量。 藍(lán)牙模塊 藍(lán)牙信號(hào)的收發(fā)采用藍(lán)牙模塊 BRF6100 實(shí)現(xiàn)。基帶信號(hào)處理包括下變頻和采樣，BRF6100 采用零中頻結(jié)構(gòu)。為了保證雙方通信的可靠和實(shí)時(shí)， 采用 異步串口實(shí)現(xiàn) 。 主要芯片簡(jiǎn)介 根據(jù)使用環(huán)境對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的便攜型要求，控制電路的核心元件 采用了AT89LV51低電壓?jiǎn)纹瑱C(jī)，傳感器采用 MQ5 氣體傳感器 ， 為減少單片機(jī)端口的占用和進(jìn)一步擴(kuò)展其它功能 A/D 轉(zhuǎn)換部分采用 TI 公司的 TLC1543， LCD 液晶 ， A/D 轉(zhuǎn)換和 LCD 液晶 都是通過串行方式與單片機(jī)相連接，報(bào)警器電路使用的是蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，這種設(shè)計(jì)可以滿足不同場(chǎng)合的應(yīng)用，測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定可靠， 10 位 TLC1543 的 A/D 轉(zhuǎn)換芯片能夠 滿足系統(tǒng)測(cè)量的精度要求。掉電方式保存 RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器 停止 工作并禁 止 其它所有部件工作 直 到下一個(gè)硬件復(fù)位 。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 表 21 標(biāo)準(zhǔn)工作條件 符號(hào) 參數(shù)名稱 技術(shù)條件 備注 Vc 回路電壓 ≤ 15V AC or DC VH 加熱電壓 177。 2℃ Vc： 177。封裝好的氣敏元件有 6 只針狀管腳，其中 4 個(gè)用于信號(hào)取出， 2個(gè)用于提供加熱電流。 輸入 /輸出時(shí)鐘 (DO CLOCK)、地址輸入(ADDRESS)和數(shù)據(jù)輸出 (DATA OUT)。采樣 與 保持是自動(dòng)的。開關(guān)電容的設(shè)計(jì)可以使在整個(gè)溫度范圍內(nèi)有較小的轉(zhuǎn)換誤差。這 11 個(gè)模擬信號(hào)輸入山內(nèi)部多路器選擇。一個(gè) 4 位的串行地址選擇下一個(gè)即將被轉(zhuǎn)換的所需的模擬輸入或測(cè)試電壓。CS 一旦有 效，按照前一次轉(zhuǎn)換結(jié)果的 MSB 值將 DATA OUT從高阻 l 抗?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的邏輯電電平。 GND 是內(nèi)部電路的地回路端?；鶞?zhǔn)電壓的正端（通常為 Vcc）被加到REF+。與外部 CPU接口采用并行或串行方式控制。C) 0~50 存儲(chǔ) 溫度 (186。 無(wú)線技術(shù)單芯片解決方案，構(gòu)成了完整的藍(lán)牙無(wú)線通信單元。C 到 + 85186。 傳感器檢測(cè)電路 MQ5 氣敏元件由微型 AL2O3 陶瓷管 、 SnO2 敏感層 ， 測(cè)量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔 體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。 運(yùn)算放大電路 若 CO 傳感器的滿量程為 2020， 系統(tǒng)的測(cè)試分辨率為 1 電路的電壓增益約為 k=2020/15≈134， 即電路電壓放大倍數(shù)至少應(yīng)為 134 倍。 圖 210 運(yùn)算放大電路 A/D 轉(zhuǎn)換模塊 本設(shè)計(jì)采用 TLC1543 芯片進(jìn)行信號(hào)的 A/D 轉(zhuǎn)換，接線如圖 211 所示。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 15 SYSCLK 用于指示一次 A/D 轉(zhuǎn)換已完成， 單片機(jī) 可以讀取數(shù)據(jù)，該引腳是低電平有效，根據(jù)需要，該引腳可接入 單片機(jī) 的中斷引腳，一旦數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成，向單片機(jī) 提出中斷請(qǐng)求。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 16 圖 212 LT17345DCDC+5V轉(zhuǎn)換電路 圖 213 + 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 17 報(bào)警模塊 報(bào)警模塊單獨(dú)采用了蜂鳴器作為聲音報(bào)警裝置，提醒使用人員當(dāng)前的氣體濃度已經(jīng)超過了警戒線，應(yīng)該立即停止工作，進(jìn)行相應(yīng)的處理，避免危險(xiǎn)發(fā)生。 圖 214 報(bào)警模塊電路圖 數(shù)顯模塊 DM12232f LCD 顯示模塊內(nèi)置字符。 其 通訊接口電路如圖 216所示： 圖 216 藍(lán)牙模塊 通訊接口電路 AT89LV51和 BRF6100的通信使用異步串口實(shí)現(xiàn)。 電壓監(jiān)視 模塊 單片機(jī) AT89LV51 具有內(nèi)部上電復(fù)位和軟件看門狗模塊，因此系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)上只加了手動(dòng)復(fù)位部分；同時(shí)，為保證系統(tǒng)電壓供電正常，采用欠壓保護(hù)芯片 MC34064 對(duì)電壓進(jìn)行監(jiān) 測(cè)，當(dāng)電壓低于正常水平時(shí)， MC34064 將產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。本設(shè)計(jì)主要任務(wù)是對(duì)基于單片機(jī)的下位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，下位機(jī)的 軟件 系統(tǒng) 模塊 組成框圖如圖 31 所示 。將此 “零漂值 ”存入單片機(jī) RAM 中。 信號(hào) 采集模塊 數(shù)字信號(hào)處理模塊 存儲(chǔ)模塊 顯示模塊 通訊模塊 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 21 開 始初 始 化啟 動(dòng) A / D 轉(zhuǎn) 換濾 波零 點(diǎn) 修 正非 線 性 修 正L C D 顯 示輸 出 信 號(hào)報(bào) 警返 回濃 度 超 限YN 圖 32 檢測(cè)流程 超限報(bào)警模塊 ， 用綠燈表示安全化區(qū) ， 黃燈表示危險(xiǎn)區(qū) ， 紅燈表示超限區(qū)。 開 始啟 動(dòng) A/D轉(zhuǎn) 換延 時(shí) 30微 秒讀 取 高 八 位讀 取 低 四 位格 式 轉(zhuǎn) 換結(jié) 束 圖 33 數(shù)據(jù)采集 流程 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 22 數(shù)字信號(hào)處理模塊 將采集的數(shù)據(jù)先進(jìn)行 FIR 濾波處理，采用現(xiàn)有成熟的算法。流程見圖 35。 串口 數(shù)據(jù) 發(fā)送 流程如圖 36 所示 。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 24 結(jié) 論 煤礦瓦斯安全監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)綜合數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、自動(dòng)控制技術(shù)的大型系統(tǒng)?；趩纹瑱C(jī)礦燈用的智能 瓦斯報(bào)警器 設(shè)計(jì)在硬件的選擇上留有空間，在增加相關(guān)硬件同時(shí)，軟件部分只需改動(dòng)很少的部分就可實(shí)現(xiàn)其它功能，使系統(tǒng)功能更加完善。同時(shí)，在礦井下進(jìn)行多點(diǎn)檢測(cè)，更加可靠。 2． 查閱煤礦安全方面的書 籍，學(xué)習(xí)掌握煤礦安全方面的基本知識(shí)， 掌握煤礦生產(chǎn)過程中的工作流程， 對(duì)井下的工作環(huán)境、工作溫度有基本的了解，對(duì)現(xiàn)在的安全隱患進(jìn)行科學(xué)的分析，對(duì)當(dāng)前井下的工作設(shè)備有基本的了解， 帶著能找到實(shí)際問題 并 能解決問題的角度去考慮問題 。 通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我把大學(xué)四年所學(xué)到的知識(shí) 進(jìn)行了系統(tǒng)的復(fù)習(xí)， 也在畢業(yè)設(shè)計(jì)階段補(bǔ)充了一些 新的 知識(shí)， 這是一次比較 完整 的學(xué)習(xí)總結(jié)，也使我在理論和實(shí)踐中得到了鍛煉。最后， 再次感謝在我的設(shè)計(jì)過程中幫助我，關(guān)心我的 張 老師和同學(xué)們。 char readbyte(int )。 */ define P20 0x__ define P21 0x__ define P26 0x__ define P27 Ox__ define P0 0x__ define NUMOFDATA 160 float V1。 int eindex=NUMOFDATA。 else if(input tmp ) sindex=(eindexsindex)/2。 } float GetV1(void) { char ctmp[2]。 writebyte()。 ftmp = transdata(ctmp)。 if(readbyte(P21)==1) { writebyte(P20 ，