基于單片機的煤礦井下監控終端的設計

王飛　湯嘯

摘要：煤礦井下監控終端是煤礦監測監控系統的重要組成部分。文章根據煤礦井下安全生產的需求，設計了以AT89C52單片機為核心，以RS-485總線為通信方式的監控終端裝置。首先搭建了整個系統構架，其次進行了硬件電路設計。最后通過Proteus仿真軟件對設計電路進行實驗仿真，仿真結果表明文中設計的監控終端具有一定的可行性和實際應用價值。

關鍵詞：單片機； 煤礦； 監控終端； Proteus仿真

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）02-0235-03

Design of Coal Mine Monitoring Terminal Based on Single-Chip Microcomputer

WANG Fei1，TANG Xiao2

（1. School of Electrical Engineering & Automation， Jiangsu Normal University， Xuzhou 221116， China； 2. Nanjing CEC Panda FPD Technology Co.，Ltd， Nanjing 210046， China）

Abstract： The monitoring terminal is an important part of coal mine monitoring and control system. According to the actual production safety requirements of coal mines， the paper proposed and designed a monitoring terminal Based on the AT89C52 single-chip micro-computer and RS-485 bus. Firstly， the whole system architecture of monitoring terminal is built. Secondly， the system circuit is designed in details. Finally， the designed circuit is simulated by Proteus simulation software. The simulation results show that the design scheme of monitoring terminal is feasible and practical.

Key word： single chip micro-computer； coal mine； monitoring terminal； Proteus

1 概述

我國是煤炭大國，煤炭的產量和消耗量都是居于世界前列。煤炭的安全開采是個重要的問題， 因此煤礦安全監控不容小視。煤礦井下安全監控終端可以對煤礦安全生產過程中可能發生的災害進行較為可靠的預測并能夠在災害發生之前進行一定的處理，從而很大程度上保證了井下工作人員的自身安全，防止了事故的擴大化[1]。

煤礦井下監控終端是煤礦監測監控系統的重要組成部分，監控終端通常由控制部分與監測部分組成，監測部分將檢測的數據傳送至地面，地面通過指令對系統進行電路的通斷以達預防的目的。

2 監控終端系統的總體設計

本文設計的煤礦井下監控終端由單片機系統和信號處理系統兩方面構成，圖1是該終端裝置的系統框圖，包含中央處理器（CPU）、發光報警電路、發聲報警電路、上位機監控通信、復位電路、時鐘電路、模擬量輸入輸出、開關量輸入輸出、數模/模數轉換電路、多路轉換開關[2]。

硬件電路的設計是為了通過各種傳感器檢測煤礦井下惡劣環境的參數。模擬信號通過A/D轉換器轉換后送入單片機進行信號處理，開關量信號直接送入單片機進行處理（要保證輸入單片機端口的電壓電流符合單片機的要求，否則將導致單片機損壞）。系統一方面將輸出處理后的信號送入液晶顯示屏進行實時數據的顯示，另一方面將超過預先設定值的一路監控參數進行報警信號送出，驅動報警器進行報警，從而保證整個井下人員的安全[3]。

2.1 單片機輔助電路的設計

單片機采用MCS-51 系列單片機AT89C52，單片機輔助電路由三個部分組成：時鐘電路、復位電路以及P0口的上拉電阻

2.2 監控信號采集電路的設計

監控信號采集電路如圖3所示，電路由兩個部分組成：模擬量信號采集電路、開關量信號采集電路。

2.3 聲光報警電路的設計

聲光報警電路由發聲報警燈電路和發光報警燈電路組成，設計如圖4所示。當傳感器所檢測的模擬量超過預先設定的安全值，此時的測量值送入單片機進行處理后，單片機便會輸出一定的信號以驅動發光報警，同時驅動發聲報警電路報警以提醒工作人員，當P1.2～P1.6輸入低電平時，報警燈亮，當P1.7口輸入低電平時，經反相器則為高電平，以驅動喇叭（蜂鳴器）報警。

2.4 實時數據顯示電路的設計

實時數據顯示電路如圖5所示，電路由ADC0808和三段數碼管顯示電路組成（實際為8段，仿真只用其中的3段），前兩段用于顯示模擬量輸入信號經A/D轉換后所顯示的數值的大小，第三段用來顯示當前所顯示數據為哪個通道，如顯示1則為瓦斯監控通道，2為一氧化碳監控通道，以此類推。

2.5 鍵盤控制電路設計

煤礦井下控制所需按鍵較少，可以直接用單片機多余的端口來控制，包括4個按鍵，裝置啟動、裝置停止、發光報警檢測及發聲報警檢測。

2.6 通信電路設計endprint

通信接口電路由MAXIM公司生產的芯片MAX3485與單片機的輸出口相連接而成，MAX3485的工作電壓只有3.3V，所以低功耗，使能端[RE]和[DE]需要接在一起，當[RE]=1，[DE]=1時，MAX3485處于發送狀態；當[RE]=0，[DE]=0時，MAX3485處于接收狀態。

3 仿真實驗

為了驗證所設計的監控終端的可行性，在此采用仿真軟件Proteus對所設計的系統進行等效的實驗[4]，僅作為井下監控終端功能的實現依據。在使用Proteus進行仿真實驗時，傳感器部分的模型是沒有的，因此可以用電位器來代替它，具體原理是電位器電壓的變化等效傳感器接收信號濃度的變化，當電位器接入ADC0808模數轉換器的電阻量變化時，根據其占參考電壓的百分比來輸出相應的數字量供單片機識別，并進行信號處理，事先設定好報警閾值，當接收到的數據超過預定的值，單片機則輸出報警信號，驅動聲光報警電路進行報警。

3.1 模擬量的監測仿真結果

根據煤礦井下安全中的規定，甲烷濃度最大不得超過1.5%，本次設計所采用的甲烷濃度檢測傳感器的最大量程為4%，仿真中參考電壓5V即等效為最大量程，故當等效為甲烷傳感器的電位器接入電壓大于1.875V時便需要發生超標報警，經計算，閾值為1.5%÷4%×255=96，該值為10進制下的數，而A/D轉換輸出的為16進制的數，故10進制的96等于16進制的60，所以甲烷超標的閾值定為60H，圖中前兩位數碼管顯示值82H，后一個顯示1，表明1號通道的甲烷濃度目前處于超標狀態，同時甲烷濃度對應的報警燈發光，報警電路發聲。

類似的，一氧化碳的濃度需要低于0.0024%，本次所用傳感器的最大測量值為0.1%，故閾值定為6H；風速需要低于4m/s，本次所用傳感器最大測量值為15m/s，故閾值定為44H；風壓需要低于0.3MPa，本次所用傳感器最大測量值為6MPa，故閾值定為0DH；溫度需要低于35℃，本次所用傳感器最大測量值為85℃，故閾值定為69H。不管選中哪路通道，只要單片機檢測到該通道的測量值超過閾值即報警，檢測值低于閾值自動消除報警。

3.2 開關量的監測仿真結果

開關量是由對應發光二極管的亮滅來監測，如圖9所示，此時風門處于開啟狀態（風門開閉傳感器輸出1），而機電設備處于啟動狀態（機電設備開停傳感器輸出1），故風門開閉指示燈處于亮的狀態，機電設備開停指示燈處于亮的狀態。

4 結束語

本文從煤礦井下監控系統的實際需求出發，設計實現了基于AT89C52單片機的煤礦井下監控終端。首先，選擇主控芯片AT89C52單片機，然后對硬件電路進行了系統設計，包括單片機輔助電路、信號監控電路、外部數據信號鎖存電路等。最后，將已設計好的電路通過仿真軟件Proteus進行仿真。仿真實驗結果能夠模擬井下監控終端系統的功能，該井下監控終端的設計能夠較好地達到預期的目的，仿真實驗成功。因此本次設計能夠實現預期的煤礦井下安全監控終端的要求，具有一定的可行性。

參考文獻：

[1] 陳平，煤礦安全生產調度監測管理信息系統建設[J].電腦知識與技術， 2009， 5 （8）：2013-2015.

[2] 張濤.煤礦井下安全監控分站的設計與仿真實現[J].計算機測量與控制，2015， 23（1）：86-89.

[3] 王旭波，李廣紅.煤礦井下供電安全監控系統的設計及應用[J].電子設計工程，2014，22（14）：81-83.

[4] 王海燕，楊艷華.Protues和Keil 軟件在單片機實驗教學中的應用[J].實驗室研究與探索， 2012，31（5）：88-91.endprint