煤礦安全檢測專家報警系統(tǒng)的研究與設(shè)計

◎岳俊華 郭佳珠

（作者單位：吉林建筑大學）

引言：煤炭工業(yè)是我國能源工業(yè)的重要組成部分。但仍有不少機械化程度較低的礦山企業(yè)，特別是對瓦斯、煤礦溫度的檢測和報警仍存在隱患。傳統(tǒng)的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)大多采用有線技術(shù)進行信息輸送，這種方存在以下缺點：有線方式的運輸會導致系統(tǒng)對于線路更加依賴，布線困難的情況在復雜的礦下環(huán)境中時有發(fā)生；信息的輸送會用到數(shù)模轉(zhuǎn)換或模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路布署，檢測過程繁瑣，細節(jié)較多，就導致監(jiān)測的準確性很難保證，無形中又增加了煤礦開采的成本，在這種傳統(tǒng)的檢測系統(tǒng)中，整個系統(tǒng)地運行很可能會因為一個節(jié)點出現(xiàn)故障而不能完成檢測，這樣一來，后期維護的成本也會大大增加。因此急于研究設(shè)計一套煤礦安全檢測報警專家系統(tǒng)，這個系統(tǒng)對瓦斯爆炸和煤層自燃的預(yù)防以及對煤礦安全管理具有非?，F(xiàn)實的意義。

一、系統(tǒng)方案簡要闡述

在本系統(tǒng)中能夠?qū)崿F(xiàn)的功能包括瓦斯?jié)舛让旱V溫度數(shù)值實時顯示，當測量的實際濃度或溫度數(shù)值超過傳感器設(shè)定的預(yù)警值時，觸發(fā)聲光報警功能，同時控制排風扇啟動排風以降低濃度含量或降溫。報警觸發(fā)的排風功能與以往的人工控制風扇排風相比，在人工控制的基礎(chǔ)上增加了系統(tǒng)自動控制的功能，是利用自動化的手段使煤礦安全檢測報警系統(tǒng)更加智能化，系統(tǒng)采用無線運輸方式來傳輸信號，相較以往的有線運輸方式，大大提高了檢測的準確性以及開采效率。

本設(shè)計以單片機為核心硬件控制部分，分別作為瓦斯?jié)舛葯z測報警部分和礦下溫度檢測報警部分的控制核心。整個煤礦安全檢測報警系統(tǒng)主要包括瓦斯?jié)舛燃暗V井溫度檢測及數(shù)據(jù)顯示部分，A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換和D/A 數(shù)模轉(zhuǎn)換部分及報警排風部分。

二、系統(tǒng)設(shè)計

1.硬件設(shè)計。

瓦斯傳感器的選擇：選擇了MQ 系列的MQ-4 瓦斯傳感器，這種傳感器具有很高的靈敏度，使用壽命長，更低廉的成本，快速的響應(yīng)恢復特性，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，驅(qū)動電路簡單等，非常適合本次設(shè)計的要求。

溫度傳感器的選擇：選擇了數(shù)字式溫度傳感器中DS18B20，支持“一線總線”接口，只需要一個I/O 口就能進行信息傳遞，供電可用數(shù)據(jù)總線，分辨率為9~12 位，并且可定義報警值設(shè)置即可自行設(shè)定上下限值。

單片機的選型：選擇AT89S51 單片機，兼容AT89C51 的指令系統(tǒng)和引腳結(jié)構(gòu)，在這基礎(chǔ)上增加了一些功能：S51 支持并行編程和在線編程，抗干擾性更強，實現(xiàn)軟件抗干擾，所以性價比還是很高。

A/D 轉(zhuǎn)換電路：本設(shè)計采用的A/D 轉(zhuǎn)換芯片為ADC0832 模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

D/A 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路：本設(shè)計采用的D/A 數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片為DAC0832。

顯示電路：瓦斯檢測部分和溫度檢測部分的測量數(shù)據(jù)顯示部分采用的是7 段共陽LED 數(shù)碼管掃描電路，瓦斯顯示用到2 組，溫度顯示用到4 組。

報警電路：根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：采掘工作面中瓦斯報警濃度不能超過1.0%；26℃為采煤工作面溫度上限值，30℃為采掘工作面溫度上限值。考慮到煤礦環(huán)境的安全性和本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單的限制性，現(xiàn)設(shè)定煤礦內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊纳舷拗禐?%，礦井溫度的上限值為26℃。報警電路的核心是三極管，三極管基區(qū)通過串聯(lián)一個電阻來接通單片機，蜂鳴器通過三極管NPN 驅(qū)動，溫度檢測控制部分的報警電路與單片機的P1.0 口相連接，瓦斯?jié)舛葯z測報警電路與單片機的P1.7 口相連接。當單片機P1.0 或P1.7 口輸出為高電平，即實際測量值超過設(shè)定值時，系統(tǒng)自動輸入高電平，此時蜂鳴器響，輸出為低電平時，蜂鳴器不響。

PWM 直流電機電路：隨著電子技術(shù)的發(fā)展，PWM 脈寬調(diào)制是現(xiàn)在比較常用的調(diào)速方法。它是通過可調(diào)節(jié)的數(shù)字信號高低電平占空比來控制模擬信號的變化，通常連接三極管配合使用，利用高低電平來導通電路，實現(xiàn)對它的控制。

2.軟件設(shè)計。

Keil 開發(fā)環(huán)境是由編譯器、匯編器、實時操作系統(tǒng)、項目管理器和調(diào)試器組成的集成開發(fā)環(huán)境。編程用到的是匯編器，首先新建一個文件，保存為。asm 后綴文件名的文件類型，然后開始編寫，在程序編寫完成后需要導入單片機，單片機識別的是。hex 后綴的文件類型，這一步在kiel 軟件中轉(zhuǎn)換即可。程序的編寫是實現(xiàn)系統(tǒng)仿真的關(guān)鍵步驟。完成主程序設(shè)計、A/D 轉(zhuǎn)換程序設(shè)計、報警程序設(shè)計和PWM 電機調(diào)速程序設(shè)計。

三、仿真結(jié)果分析

程序的編寫和格式的轉(zhuǎn)換在kiel 軟件中進行，在Proteus 中繪制好對應(yīng)的原理圖后，雙擊單片機芯片添加目標程序文件：。hex 后綴文件，之后點擊左下角的運行仿真按鈕，如果各方面都沒有出現(xiàn)錯誤，就可以在Proteus 原理圖中看到模擬的仿真運行狀態(tài)。

本設(shè)計的仿真結(jié)果分析：當滑動變阻器左拉，即瓦斯?jié)舛刃盘栕兇髸r，模擬電壓變小，導致輸入單片機的數(shù)字量變大，數(shù)碼管顯示的數(shù)值也會相應(yīng)變大，在超過數(shù)值1 即“1%”時，蜂鳴器響，F(xiàn)AN 電機運行，示波器顯示電機轉(zhuǎn)速，溫度部分DS18B20 傳感器檢測到的信號經(jīng)由模數(shù)轉(zhuǎn)換顯示在數(shù)碼管上，當其數(shù)值超過限定地26℃時，蜂鳴器響，F(xiàn)AN 電機運行，示波器A 段顯示電機轉(zhuǎn)速。

四、結(jié)論

本文采用了有別于傳統(tǒng)的有線技術(shù)方式的信息輸送——無線傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，研究設(shè)計一套煤礦安全檢測報警專家系統(tǒng)來檢測煤礦內(nèi)瓦斯?jié)舛群偷V下溫度，此系統(tǒng)能夠很好的彌補有線技術(shù)監(jiān)測系統(tǒng)存在的缺陷，同時增加了排風扇的應(yīng)用，當瓦斯?jié)舛然虻V下溫度超過預(yù)警值時能夠降溫降低瓦斯含量，大大加強了瓦斯?jié)舛群偷V下溫度檢測的準確性，這種無線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式不會依賴線路，所以一定程度上能夠降低成本，這樣一來開采效率也提高了。這個系統(tǒng)對瓦斯爆炸和煤層自燃的預(yù)防以及對煤礦安全管理具有非?，F(xiàn)實的意義。