基于單片機的礦井安全監測系統設計

一、引言

中國經濟穩步發展，對能源的需求逐漸上升。煤炭作為我國的主要能源來源，生產量逐年上升。根據中國煤炭工業協會發布的報告，2022年全國煤炭產量達到45.6億噸，同比增長 10.5% ，相較于上一年度，全年煤炭生產量顯著提升了3.2億噸。但由于煤炭開采是個風險較高的工作，其過程可能會釋放出眾多甲烷、一氧化碳等易燃易爆物質，無疑給礦工的人身安全帶來了巨大威脅。依照《煤礦安全規程》的條款，如果在挖掘區域或其他通道中，有超過 0.5m³ 的空間內積累的甲烷濃度超過 2.0% ，那么就必須在 20m 范圍內暫停操作，撤離人員，關閉電力，并進行相應處理。

二、系統總體設計

本文設計的安全檢查系統使用的是以AT89C51為中心的核心處理器，集成瓦斯傳感器、煙霧傳感器、溫濕度傳感器、A/D轉換模塊和聲光警告模塊，構建出一套完整且有效的礦山安全監察體系。圖1展示了該系統的基本構造框架。它通過多種傳感器采集礦井內的關鍵指標，如甲烷濃度、煙霧濃度、溫度和濕度等。隨后，這些數據被傳輸至AT89C51主控芯片進行解析。經過處理后的數據被顯示在LCD1604顯示屏上，當需要時也可以通過串行口將數據傳輸給上位機進行更深入的分析和處理。數據超安全閾值時，系統會立即啟動聲光警報，提示礦工撤離或緊急應對。這一設計有效提升了礦井環境的安全性，降低了煤礦事故發生的概率，從而保障了礦工的生命安全和煤礦的安全生產。

三、系統硬件電路設計

（一）單片機最小系統

單片微控制器的核心部分構建在其運作的根本上，涵蓋微控制器、微控制器的振蕩電路以及微控制器的恢復電路。AT89C51微控制器內置了4K的程序數據存儲器以及256B的片內數據存儲器，能夠重復擦除1000次程序，并且能夠與MCS-51工業標準兼容，操作起來非常簡潔。穩定的時鐘脈沖是單片機運行所必需的，因此，本研究采納了一個頻率為12MHz的外部石英晶體振蕩器，作為單片機的運作信號脈沖源。盡管當前多數單片機內部已整合了時鐘模塊，但在礦井這類復雜且易受外界干擾的環境下，采用外部晶體振蕩器依然扮演著舉足輕重的角色。復位電路的主要職責是在微控制器的復位端口生成一個復位指令，促使微控制器切換至復位狀態。一旦時鐘信號被激活，通過按下復位按鈕，RST端口隨即被觸發，釋放出24個或更多的高電平時鐘振蕩脈沖，從而實現對單片機的復位操作。

（二）氣體傳感器

1.甲烷傳感器

由于瓦斯的主要構成為甲烷（CH4），具有高度的可燃性和可爆炸性，所以，對于瓦斯的檢查與管理顯得尤為必要。在本文的設計中，選用MQ-4天然氣傳感器作為甲烷傳感器。此類型的檢測設備因高精確性、持久性、低成本以及驅動系統的便捷性備受青睞，尤其在如礦山等復雜場景下的瓦斯檢查中表現出色。

2.煙霧傳感器

由于礦山的地質條件非常復雜，如果出現火災，影響將無法預料。所以，對于煙氣的濃度進行檢測顯得尤為重要。在這個系統中采用了MQ-2型的煙氣檢測裝置。該傳感器具有探測范圍廣、靈敏度高和抗干擾能力強等特點，在礦井等復雜環境中煙霧檢測表現優異。二氧化錫（ SnO₂ ）被用作半導體氣敏材料的 mq-2 型煙霧傳感器。接觸煙霧后，晶粒界限變化影響表面電導率。依據這一屬性，能夠準確檢測并響應ACK煙霧的存在。當礦并中的煙霧含量增加，其導電性也會提高，從而降低輸出電阻，這將使產生的模擬信號更為強烈。該傳感器具有廣泛的應用前景。它可以與礦井內的其他監測系統結合使用，實現全方位礦井安全監測。同時，它也可以用于家庭和公共場所的煙霧監測，確保人們的生命安全。

3.A/D轉換

MQ-4天然氣傳感器與MQ-2煙霧傳感器的輸出均為模擬數據，因此，需要借助模數轉換器來轉換為數值數據，然后再傳送至微控制器進行操作。在這次設計中采用了ADC0832轉換器來執行模數轉換任務。ADC0832是一款8位的A/D轉換器，以其尺寸緊湊、適應能力出眾以及性能表現卓越著稱。這個系統擁有雙通道A/D轉換的特性，當其被設計出來，CH0通道被用來收集煙霧的模擬信號，而CH1通道則被用來收集甲烷的模擬信號。

（三）溫濕度采集模塊

DHT11數字溫濕度傳感器被應用于本系統，以實時監測礦井的溫度和濕度。DHT11是一款具有極強整合能力的數碼溫濕度傳感器，其運用特殊的數碼模塊收集技術與溫濕度傳感技術，生成精密調整的數據，確保數據收集信息的穩定可靠。DHT11的核心由一個電阻式濕度感知器件以及一個NTC熱敏感器件組成，兩者都通過一個高效的微控制器連接。DHT11能迅速響應溫濕度變化，并具備卓越的抗干擾能力。此外，DHT11性價比高，適合礦井內部溫濕度數據采集。

（四）顯示模塊

本文介紹的礦井安全監測系統主要監測四個關鍵環境參數，并采用LCD1604液晶顯示屏進行直觀顯示。該顯示屏能顯示4行16列字符，清晰展示溫度、濕度、煙霧和瓦斯濃度的數值及單位。

在系統設計時，我們采用了特定的縮寫來標識這些參數，如溫度（WD）、濕度（SD）、煙霧濃度（YW）和瓦斯濃度（WS），而上限值則以大寫字母H標記，溫度單位采用攝氏度（ C ）表示，濕度、煙霧濃度及瓦斯濃度則以百分比（ % ）為單位。實時更新的數值會被?? 符號突出顯示。

顯示布局如下：第1行顯示溫度上限與當前溫度（ ），第2行顯示濕度上限與當前濕度（SDH：xx%?** ），第3行顯示煙霧濃度上限與當前濃度（YWH_：XX%*** ），第4行顯示瓦斯濃度上限與當前濃度（WSH?xx%??? ）。LCD1604液晶顯示屏以其高清晰度、小巧的體積、低功耗、無電磁干擾、簡潔的數字接口以及廣泛的應用兼容性等特點，成為了本系統的理想選擇。

（五）按鍵模塊

礦井安全監測系統集成了手動控制邏輯，簡化了操作流程。系統設有四個功能鍵：選擇、增加、減少和串口控制。開機后，LCD1604顯示屏會顯示環境參數的預設閾值，包括溫度、濕度、煙霧和瓦斯濃度。通過選擇鍵，用戶可以依次調整這些參數的上限值。調整完成后，LCD1604會顯示礦井內的實時環境數據。激活串口鍵后，系統通過串行通信將數據發送至上位機，以便外部人員監控礦井安全狀況。

（六）聲光警報

本文介紹的礦井安全監測系統使用蜂鳴器和LED燈作為警報。當礦井內瓦斯、煙霧、溫度、濕度未超閾值時，蜂鳴器靜默，LED綠燈亮，表示環境安全。然而，一旦任意一個環境參數超過設置初值，如瓦斯濃度過高、煙霧濃度過大、溫度過高等，蜂鳴器就會響起，同時LED紅燈也會亮起，表示當前環境存在危險，需要進行緊急處理。這種聲光警報系統的設計能夠及時有效地提醒礦井內的工人和監測人員，讓他們迅速采取相應措施，保障礦井內的安全。同時，綠燈和紅燈的不同顯示也能夠讓工作人員直觀了解到當前環境參數的狀態，從而更好地應對潛在的安全風險。

四、系統軟件設計

本文設計的礦山安全監察系統，采用了KeiluVision5編程工具來構建，并且運用C語言來完成。該系統采用模塊化設計理念，使得程序結構清晰易懂，不僅便于日常保養，也利于后續的升級與維護。當系統接通電源后，單片機首要任務是執行模塊初始化步驟，涵蓋氣體傳感器與溫濕度傳感器的初始化配置。緊接著，這些傳感器啟動，開始采集礦井內部關于瓦斯濃度、煙霧濃度、溫度及濕度的實時數據。

單片微控制器則承擔起解析這些采集信息的責任，并根據預設的安全上限值來評估這些數據是否超限。當某個數據達到最大值時，系統會點亮紅色指示燈，同時蜂鳴器也會啟動，以此來觸發警告。反之，如果所有數據都在安全范圍內，系統將亮起綠燈，蜂鳴器不會響。系統實時顯示瓦斯、煙霧濃度，溫度和濕度值于LCD1604屏，并檢測數據傳輸指令。當系統接收到命令時，它會通過單片機的串行端口，將當前獲取的瓦斯、煙氣、溫度和濕度數據，發送至主控制器。

五、系統仿真

在KeiluVision5開發環境中，我們使用C語言進行程序編碼，隨后將所編寫的程序代碼傳輸至Proteus軟件，針對AT89C51單片機執行模擬測試。為確保仿真結果的精確度，我們必須精確復制實際的硬件連接模式來構建仿真電路圖。

在Proteus模擬中，PO端口用于LCD數據通信，并通過上拉電阻增強電流輸出和驅動能力。P1端口連接ADC0832功能引腳，P2端口的幾個引腳分別用于按鈕和串口通信。P3端口連接上位機、蜂鳴器、LED電路和DHT11溫濕度傳感器。當礦井內的溫度、濕度、煙霧濃度、瓦斯濃度等關鍵環境參數都在預設的安全范圍內時，系統會通過亮綠燈來指示安全狀態，并且蜂鳴器保持不工作狀態。然而，一旦任一環境參數超出設定的安全閾值，系統將立即切換至警告模式，亮起紅燈，同時蜂鳴器開始工作，以提醒工作人員采取必要的安全措施。另外，一旦按下串口鍵，系統會把目前收集的信息通過微控制器的串行接口發送給主控制器。

通過Proteus軟件模擬系統，可以更深入地檢驗系統的硬件與軟件設計的合理性與可靠性。此外，仿真結果還表明，該安全監測系統能夠在礦井內部環境發生變化時及時發出警報，有效保障礦井的安全生產。

六、結束語

煤炭開采業因其高風險特性，頻繁遭遇煤礦瓦斯爆炸等安全事故。鑒于此，本文提出了一種創新的礦井安全監控方案。該方案通過氣體和溫濕度傳感器實時監測礦井內的瓦斯、煙霧、溫度和濕度等環境指標，并由單片機高效處理這些數據，以判斷是否超過安全閾值。該方案不僅實用性強，而且發展潛力巨大，對于提升煤礦作業的安全性具有不可或缺的價值。展望未來，該系統將持續迭代升級，旨在增強其性能并拓寬應用場景。

作者單位：李建華陳星燕平涼職業技術學院

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