單片機(jī)技術(shù)在煤礦安全中的應(yīng)用

楊君芳

（山西省煤炭規(guī)劃設(shè)計(jì)院，山西 太原 030045）

引言

煤炭現(xiàn)階段仍是我國最重要的能源組成部分，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，在煤炭產(chǎn)業(yè)中采取現(xiàn)代安全監(jiān)測措施勢在必行。我國工程技術(shù)和信息化科學(xué)技術(shù)水平不斷提高，微電子、計(jì)算機(jī)通訊等高新技術(shù)不斷被應(yīng)用到煤礦自動化系統(tǒng)和安全保障系統(tǒng)中。通過簡單設(shè)計(jì)的微電子原件就可實(shí)現(xiàn)對煤炭作業(yè)工程的控制，通過以單片機(jī)為控制核心的智能系統(tǒng)，完成對瓦斯體積分?jǐn)?shù)、CO2體積分?jǐn)?shù)、溫度等安全參數(shù)的檢測，解決煤炭安全問題。這樣既減少了人力、物力、財(cái)力的投入，同時(shí)提高了煤炭作業(yè)過程的安全性與可靠性，降低了事故發(fā)生率。

1 單片機(jī)在煤礦安全中的應(yīng)用前景

在威脅煤礦井下安全的因素中，瓦斯和CO2一直是最難防范和最嚴(yán)重的威脅。瓦斯是地下開采時(shí)由煤層或巖層涌出的，會導(dǎo)致井下污染。每噸煤、巖含有的瓦斯量決定于多種因素，瓦斯?jié)舛冗_(dá)到一定濃度時(shí)，能造成缺氧性窒息，并可能引發(fā)燃燒或者爆炸，所以對井下瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測一直是煤礦安全工作重要的一部分。

由于CO2的體積分?jǐn)?shù)大于礦井空氣的體積分?jǐn)?shù)，從而使礦井中的CO2容易向下方堆積，導(dǎo)致煤礦井下堆積了大量的CO2，特別是在巷道底板、盲巷、溜煤眼、下山盡頭及通風(fēng)不良的地方尤為明顯，礦井下作為一個(gè)相對封閉的空間，難以與外界空氣進(jìn)行交換，施工人員的呼吸、有機(jī)物氧化以及井下爆破、火災(zāi)、煤塵和瓦斯爆炸以及煤層中CO2的突然涌出都將增加礦井下的CO2體積分?jǐn)?shù)，當(dāng)CO2含量比較少時(shí)對人體并無危害，但其超過一定量時(shí)會影響人的呼吸，原因是血液中的碳酸濃度增大，酸性增強(qiáng)，產(chǎn)生酸中毒?？諝庵蠧O2的體積分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，感到氣悶、頭昏、心悸；4%～5%時(shí)感到眩暈。6%以上時(shí)使人神志不清、呼吸逐漸停止以致死亡。由于CO2較高的窒息致死率，越來越引起相關(guān)部門的重視，應(yīng)當(dāng)加大井下對CO2濃度的監(jiān)測力度，這也是煤礦安全生產(chǎn)的一個(gè)重要工作。

通過對單片機(jī)技術(shù)、微機(jī)控制技術(shù)、電子技術(shù)以及傳感器技術(shù)等知識進(jìn)行系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和研究，結(jié)合其中的核心原理對與煤礦安全參數(shù)相關(guān)的檢測裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而可以對礦井內(nèi)瓦斯、CO2體積分?jǐn)?shù)、溫度進(jìn)行有效監(jiān)測和預(yù)防。以單片機(jī)為控制核心，完成對瓦斯?jié)舛?、CO2體積分?jǐn)?shù)、溫度等參數(shù)的檢測，檢測系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 檢測系統(tǒng)框圖

2 檢測系統(tǒng)設(shè)備選型

2.1 單片機(jī)的選型

單片機(jī)是從上世紀(jì)70年代誕生以來發(fā)展起來的一種集成電路芯片，在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。單片機(jī)是典型的嵌入式微控制器，其設(shè)計(jì)核心理念是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)，精確地將中央處理器（CPU）、只讀存儲器（ROM）、隨機(jī)存儲器（RAM）等所需的相關(guān)元件以及多種I/O口和中斷系統(tǒng)、計(jì)數(shù)器等功能集成到一塊半導(dǎo)體硅片上，構(gòu)成了結(jié)構(gòu)微小但是功能完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)經(jīng)過多年發(fā)展，已經(jīng)有了跨越式的發(fā)展，更加適應(yīng)當(dāng)前的應(yīng)用要求，并且具有更多功能、更小體積、更多系統(tǒng)擴(kuò)展、系統(tǒng)配置規(guī)范模塊化等優(yōu)點(diǎn)。

單片機(jī)的應(yīng)用前景廣泛，特別是業(yè)內(nèi)飛利浦和英特爾等大型技術(shù)型企業(yè)對單片技術(shù)的推廣和普及，如今廣泛應(yīng)用在智能儀器、工業(yè)控制、家用電器、網(wǎng)絡(luò)和通信等領(lǐng)域。由于煤礦井下環(huán)境具有一定的特殊性，因此煤炭企業(yè)多選用PIC系列單片機(jī)實(shí)行對井下電氣自動化的控制，其可有效防御外界電磁干擾，并具有防水、防漏電的特點(diǎn)。

2.2 傳感器的選擇

傳感器的種類多種多樣，也各具特點(diǎn)，例如溫度傳感器的工作原理是根據(jù)物質(zhì)的各種物理性質(zhì)隨溫度變化的規(guī)律將溫度轉(zhuǎn)換為電量，它作為溫度測量儀表的關(guān)鍵部分，在市場上存在許多類型，通常按測量方式將溫度傳感器分為接觸式和非接觸式兩大類。由于一般熱敏電阻需要相關(guān)的連接電路進(jìn)行配套并進(jìn)行溫度修正工作，因此通常選擇溫度傳感器。

傳統(tǒng)的CO2傳感器對于像CO2這樣的不可燃?xì)怏w的測量尤其困難，化學(xué)傳感器很難勝任這項(xiàng)工作，使用壽命也很短。其他的各種間接測量方法由于它們通常不僅僅對一種氣體組成敏感，所以其精度很低且漂移量較大。與化學(xué)CO2傳感器相比，光學(xué)測量儀器有許多優(yōu)點(diǎn)，但其昂貴的價(jià)格也確時(shí)降低了它的市場競爭力。不過隨著產(chǎn)品集成化程度的提高，其生產(chǎn)成本也正在降低。

2.3 瓦斯傳感器的選型

智能型甲烷檢測儀表是采用熱催化原理制成的，它能夠敏感地感知空氣中的甲烷體積分?jǐn)?shù)，從而應(yīng)用于煤礦井下各個(gè)作業(yè)場所空氣中甲烷濃度的檢測工作，智能型甲烷檢測儀具有多種信號輸出功能和良好的兼容性，并且所有功能均支持紅外線遙控，包括調(diào)滿度、半自動調(diào)零、設(shè)置報(bào)警點(diǎn)等，甚至還具有光報(bào)警、超限聲及超限斷電信號輸出功能，另外它還可以在多種火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)中獨(dú)立運(yùn)行，因此智能型甲烷檢測儀具有廣闊的應(yīng)用前景。

在進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)，通常將智能終端的軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)通信部分的程序設(shè)計(jì)作為其重心，當(dāng)單片機(jī)在調(diào)試工作完成之后，相關(guān)的工作人員便可以在輸入電路中設(shè)置檢測參數(shù)的閾值和極限值。對于那些需要檢測的參數(shù)值類型，上位機(jī)可以充當(dāng)傳輸?shù)慕巧珜⑵浒l(fā)送，并在單片機(jī)控制下選擇該路的信號通道；如果上位機(jī)沒有明確制定某路信號的監(jiān)管目標(biāo)，則可以輪流對各路信號進(jìn)行采集，單片機(jī)對采集到的信號進(jìn)行內(nèi)部計(jì)算并進(jìn)行判斷和處理，當(dāng)采集的數(shù)據(jù)超過所能處理的極限值時(shí)，需要及時(shí)地發(fā)出聲光報(bào)警信號并采取應(yīng)對措施，比如切斷繼電器電源、排除事故隱患等，當(dāng)隱患確定已經(jīng)排除時(shí)，解除系統(tǒng)報(bào)警。

3 系統(tǒng)描述

在煤炭安全管理當(dāng)中，對瓦斯安全的治理是至關(guān)重要的，因此需要加大單片機(jī)在瓦斯?jié)舛葌鞲衅髦械膽?yīng)用力度，單片機(jī)作為該系統(tǒng)的主要部件，與紅外遙控等系統(tǒng)其他功能模塊相互協(xié)作，針對瓦斯?jié)舛刃畔⑿纬梢幌盗刑幚砹鞒?，包括信息的傳輸、處理及操作指令的發(fā)出。當(dāng)系統(tǒng)檢測到煤礦井下瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)時(shí)，將會在發(fā)出報(bào)警信號的同時(shí)執(zhí)行預(yù)定來降低井下瓦斯的濃度，從而使該系統(tǒng)具備對瓦斯?jié)舛葯z測、報(bào)警和控制的一系列能力。

將單片機(jī)應(yīng)用到系統(tǒng)當(dāng)中，能夠使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力大大提升。從而能夠提高對煤炭井下瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測能力，當(dāng)出現(xiàn)濃度超限時(shí)能夠及時(shí)地作出相應(yīng)的反應(yīng)，使煤炭開采當(dāng)中的瓦斯事故大大降低，并且具有較高的性價(jià)比和安全性，因此適合在各煤礦中加以推廣，在提高煤炭開采作業(yè)安全性的同時(shí)也降低了企業(yè)的開采成本，使煤炭企業(yè)得以健康、快速的發(fā)展。