單片機技術在煤礦安全中的應用

楊君芳

（山西省煤炭規劃設計院，山西 太原 030045）

引言

煤炭現階段仍是我國最重要的能源組成部分，隨著現代科學技術的發展和進步，在煤炭產業中采取現代安全監測措施勢在必行。我國工程技術和信息化科學技術水平不斷提高，微電子、計算機通訊等高新技術不斷被應用到煤礦自動化系統和安全保障系統中。通過簡單設計的微電子原件就可實現對煤炭作業工程的控制，通過以單片機為控制核心的智能系統，完成對瓦斯體積分數、CO2體積分數、溫度等安全參數的檢測，解決煤炭安全問題。這樣既減少了人力、物力、財力的投入，同時提高了煤炭作業過程的安全性與可靠性，降低了事故發生率。

1 單片機在煤礦安全中的應用前景

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重的威脅。瓦斯是地下開采時由煤層或巖層涌出的，會導致井下污染。每噸煤、巖含有的瓦斯量決定于多種因素，瓦斯濃度達到一定濃度時，能造成缺氧性窒息，并可能引發燃燒或者爆炸，所以對井下瓦斯濃度的監測一直是煤礦安全工作重要的一部分。

由于CO2的體積分數大于礦井空氣的體積分數，從而使礦井中的CO2容易向下方堆積，導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、下山盡頭及通風不良的地方尤為明顯，礦井下作為一個相對封閉的空間，難以與外界空氣進行交換，施工人員的呼吸、有機物氧化以及井下爆破、火災、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體積分數，當CO2含量比較少時對人體并無危害，但其超過一定量時會影響人的呼吸，原因是血液中的碳酸濃度增大，酸性增強，產生酸中毒。空氣中CO2的體積分數為1%時，感到氣悶、頭昏、心悸；4%～5%時感到眩暈。6%以上時使人神志不清、呼吸逐漸停止以致死亡。由于CO2較高的窒息致死率，越來越引起相關部門的重視，應當加大井下對CO2濃度的監測力度，這也是煤礦安全生產的一個重要工作。

通過對單片機技術、微機控制技術、電子技術以及傳感器技術等知識進行系統的學習和研究，結合其中的核心原理對與煤礦安全參數相關的檢測裝置進行設計，從而可以對礦井內瓦斯、CO2體積分數、溫度進行有效監測和預防。以單片機為控制核心，完成對瓦斯濃度、CO2體積分數、溫度等參數的檢測，檢測系統框圖如圖1所示。

圖1 檢測系統框圖

2 檢測系統設備選型

2.1 單片機的選型

單片機是從上世紀70年代誕生以來發展起來的一種集成電路芯片，在工業控制領域廣泛應用。單片機是典型的嵌入式微控制器，其設計核心理念是采用超大規模集成電路技術，精確地將中央處理器（CPU）、只讀存儲器（ROM）、隨機存儲器（RAM）等所需的相關元件以及多種I/O口和中斷系統、計數器等功能集成到一塊半導體硅片上，構成了結構微小但是功能完善的微型計算機系統。單片機經過多年發展，已經有了跨越式的發展，更加適應當前的應用要求，并且具有更多功能、更小體積、更多系統擴展、系統配置規范模塊化等優點。

單片機的應用前景廣泛，特別是業內飛利浦和英特爾等大型技術型企業對單片技術的推廣和普及，如今廣泛應用在智能儀器、工業控制、家用電器、網絡和通信等領域。由于煤礦井下環境具有一定的特殊性，因此煤炭企業多選用PIC系列單片機實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。

2.2 傳感器的選擇

傳感器的種類多種多樣，也各具特點，例如溫度傳感器的工作原理是根據物質的各種物理性質隨溫度變化的規律將溫度轉換為電量，它作為溫度測量儀表的關鍵部分，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的連接電路進行配套并進行溫度修正工作，因此通常選擇溫度傳感器。

傳統的CO2傳感器對于像CO2這樣的不可燃氣體的測量尤其困難，化學傳感器很難勝任這項工作，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CO2傳感器相比，光學測量儀器有許多優點，但其昂貴的價格也確時降低了它的市場競爭力。不過隨著產品集成化程度的提高，其生產成本也正在降低。

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數，從而應用于煤礦井下各個作業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，包括調滿度、半自動調零、設置報警點等，甚至還具有光報警、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監測系統中獨立運行，因此智能型甲烷檢測儀具有廣闊的應用前景。

在進行監控系統軟件設計時，通常將智能終端的軟件設計和上位機通信部分的程序設計作為其重心，當單片機在調試工作完成之后，相關的工作人員便可以在輸入電路中設置檢測參數的閾值和極限值。對于那些需要檢測的參數值類型，上位機可以充當傳輸的角色將其發送，并在單片機控制下選擇該路的信號通道；如果上位機沒有明確制定某路信號的監管目標，則可以輪流對各路信號進行采集，單片機對采集到的信號進行內部計算并進行判斷和處理，當采集的數據超過所能處理的極限值時，需要及時地發出聲光報警信號并采取應對措施，比如切斷繼電器電源、排除事故隱患等，當隱患確定已經排除時，解除系統報警。

3 系統描述

在煤炭安全管理當中，對瓦斯安全的治理是至關重要的，因此需要加大單片機在瓦斯濃度傳感器中的應用力度，單片機作為該系統的主要部件，與紅外遙控等系統其他功能模塊相互協作，針對瓦斯濃度信息形成一系列處理流程，包括信息的傳輸、處理及操作指令的發出。當系統檢測到煤礦井下瓦斯濃度超標時，將會在發出報警信號的同時執行預定來降低井下瓦斯的濃度，從而使該系統具備對瓦斯濃度檢測、報警和控制的一系列能力。

將單片機應用到系統當中，能夠使系統的穩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濃度的監測能力，當出現濃度超限時能夠及時地作出相應的反應，使煤炭開采當中的瓦斯事故大大降低，并且具有較高的性價比和安全性，因此適合在各煤礦中加以推廣，在提高煤炭開采作業安全性的同時也降低了企業的開采成本，使煤炭企業得以健康、快速的發展。