本項(xiàng)目由吉林建筑大學(xué)何冬雪、岳俊華開發(fā)設(shè)計(jì)完成，該基于單片機(jī)的瓦斯監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，其硬件主要由 STM32 單片機(jī)、甲烷氣體傳感器、溫濕度傳感器、Wi-Fi 模塊、蜂鳴器報(bào)警電路模塊、控制電路及顯示電路模塊等組成。 系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)到煤礦中的有毒氣體，當(dāng)有害氣體的濃度超標(biāo)時(shí)，蜂鳴器會(huì)發(fā)生聲音進(jìn)行報(bào)警提醒工作人員撤離，并開啟繼電器控制風(fēng)扇排氣，增加空氣流通；還結(jié)合溫濕度傳感器采集煤礦的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)煤礦數(shù)據(jù)的采集與設(shè)定閾值對(duì)比后，并通過蜂鳴器報(bào)警。同時(shí)結(jié)合 Wi-Fi 模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)智云電腦端頁面顯示和控制，最后還能夠通過有機(jī)發(fā)光二極管顯示屏顯示。

01

引 言

隨著科技的日益進(jìn)步，人們對(duì)能源的需求不斷增加。在中國的基本能源中，煤炭的重要性是無可比擬。然而煤炭開采過程中煤礦瓦斯爆炸事故頻繁發(fā)生，對(duì)人們的生命安全和經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)造成了巨大損失。近年來，隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的快速發(fā)展，中國的一些研究機(jī)構(gòu)和廠家推出了各種各樣的監(jiān)控系統(tǒng)，紛紛加大了對(duì)煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)研究、開發(fā)投入，煤礦安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的先進(jìn)性、穩(wěn)定性、可靠性也在逐步提升，在煤礦安全生產(chǎn)過程中發(fā)揮不可忽視的重要作用。

針對(duì)上述情況，本文設(shè)計(jì)出這一款基于 STM32 單片機(jī)煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)控制管理系統(tǒng)，包括甲烷氣體傳感器電路、溫濕度傳感器電路、Wi-Fi 模塊電路、報(bào)警電路、繼電器控制電路及顯示電路。 STM32 單片機(jī)作為核心，具有監(jiān)測(cè)煤礦礦井溫濕度、瓦斯?jié)舛葏?shù)的功能，并具有瓦斯?jié)舛瘸迗?bào)警功能；具有自動(dòng)強(qiáng)制通風(fēng)功能：采集數(shù)據(jù)可通過液晶屏顯示。監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和告警信息可以通過 Wi-Fi 模塊傳輸?shù)竭h(yuǎn)程機(jī)智云云端。

02

系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路
本次設(shè)計(jì)的主要核心是機(jī)智云平臺(tái)對(duì)煤礦瓦斯安全環(huán)境的監(jiān)控，使用移植機(jī)智云 GAgent 的 Wi-Fi / GPRS 模組建立橋梁，使煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)與機(jī)智云互聯(lián)互通。煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與機(jī)智云數(shù)據(jù)交互圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)交互圖2.2總體方案設(shè)計(jì)

煤礦瓦斯安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)涉及的主要硬件設(shè)備有單片機(jī)最小系統(tǒng)控制電路、瓦斯氣體采集模塊、溫濕度傳感器采集模塊、蜂鳴器報(bào)警模塊、有機(jī)發(fā)光二極管 顯示模塊、繼電器自動(dòng)化控制模塊和 Wi-Fi 無線通信模塊。 這幾大模塊共同組成了煤礦瓦斯安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要功能實(shí)現(xiàn)如下：

運(yùn)用有毒氣體傳感器，檢測(cè)煤礦有害氣體濃度（比如瓦斯、一氧化碳等）是否超標(biāo),當(dāng)檢測(cè)到有毒氣體超標(biāo)，開啟排風(fēng)口排有毒氣體，同時(shí)開啟蜂鳴器警報(bào)報(bào)警，開啟工作人員安全撤離，保障工作人員的安全。

運(yùn)用溫濕度傳感器，采集當(dāng)前煤礦環(huán)境的溫濕度值。當(dāng)溫濕度值超過設(shè)定的閾值時(shí)，開啟風(fēng)扇散熱排濕，實(shí)現(xiàn)煤礦工作環(huán)境的穩(wěn)定。

運(yùn)用光敏傳感器，采集煤礦工作的光強(qiáng)環(huán)境。

OLED 液晶屏幕顯示煤礦環(huán)境溫濕度值、瓦斯?jié)舛戎怠?/p>

• 手機(jī) App 機(jī)智云頁面的監(jiān)控。采用 Wi-Fi 模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸在手機(jī) App 端顯示監(jiān)控以及控制。手機(jī) App 端可以顯示采集的數(shù)據(jù),還可以控制瓦斯?jié)舛葓?bào)警閥值，系統(tǒng)方框圖如圖 2 所示。

圖2 系統(tǒng)方框圖

03

系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

3.1硬件電路設(shè)計(jì)1）單片機(jī)最小系統(tǒng)介紹

單片機(jī)最小系統(tǒng)一般由下載電路、電源電路、復(fù)位電路、晶振電路和單片機(jī)芯片組成,也是系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)的最小電路原理圖?？梢哉f,每個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的每一個(gè)系統(tǒng)都離不開這幾個(gè)電路的支撐，其外設(shè)各種功能都是在此基礎(chǔ)上開發(fā)。

晶振電路

本設(shè)計(jì)采用的是外接晶振電路：本晶振電路有兩個(gè)電容和一個(gè)晶振源組成，兩個(gè)無極電容的主要作用是消除晶振源產(chǎn)生干擾電感的阻抗。晶體振蕩器在系統(tǒng)電路中主要起著產(chǎn)生振蕩頻率的作用，可以說所有的系統(tǒng)電路都離不開時(shí)序的頻率驅(qū)動(dòng)，這是一種有序的時(shí)序邏輯電路，比喻為單片機(jī)的心臟也不為過，起著至關(guān)重要的作用，而晶振的頻率主要采用 12 M，可以根據(jù)單片機(jī)需求進(jìn)行鎖相環(huán)分頻，至高能達(dá)到 72 MHz。

復(fù)位電路

剛開始系統(tǒng)上電時(shí)給電容充電，此時(shí)的電阻和電容之間會(huì)形成高電壓，所以單片機(jī)的RST 復(fù)位引腳是高電平，當(dāng)按鍵 S2 被按下后,此時(shí)的電阻和電容之間會(huì)形成低電壓,單片機(jī)復(fù)位引腳 RST 是低電平狀態(tài)，處于這個(gè)狀態(tài)超過兩個(gè)機(jī)器周期，單片機(jī)就會(huì)進(jìn)行程序初始化(復(fù)位)。

2）甲烷氣體傳感器電路

甲烷、一氧化碳等有毒氣體檢測(cè)電路是整個(gè)系統(tǒng)電路的核心組成部分之一，核心部件 MQ-5 有毒氣體傳感器，具有靈敏度高、壽命長、穩(wěn)定性好、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，所以常用于家庭、工廠和公共場(chǎng)所的氣體安全檢測(cè)。而且 MQ-5 不僅能檢測(cè)甲烷，還能檢測(cè)氫氣、苯、天然氣等氣體的探測(cè)。所以相對(duì)準(zhǔn)確地說，MQ-5 是個(gè)多種氣體檢測(cè)傳感器。

3）溫濕度傳感器電路

本次設(shè)計(jì)采用 DHT11 溫濕度傳感器模塊采集煤礦的溫濕度。DHT11 溫濕度傳感器是一種能夠自行測(cè)量溫度和濕度的復(fù)合型元器件，也是一種能夠自行校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)并且串行輸出的傳感器。其中濕度能夠檢測(cè)的范圍 20% ~ 90% RH，溫度為 0 ~ 50 ℃ ，濕度的精確度在 ±5% RH，誤差較大點(diǎn)，溫度精確度在±2 ℃ 左右，精確度較高。

4）蜂鳴器電路

蜂鳴器電路連接在三極管基極和單片機(jī) PB12 的電阻主要起到限流的保護(hù)作用，工作原理是只要單片機(jī) PB12 端口輸出低電平至三極管基極，集電極與發(fā)射極超過0. 7 V 的導(dǎo)通電壓，三極管被導(dǎo)通,有較大的電流經(jīng)過三極管，蜂鳴器機(jī)會(huì)進(jìn)行報(bào)警，此處用于煤礦有毒氣體超標(biāo)時(shí)和溫濕度值過大時(shí)就會(huì)進(jìn)行警報(bào)。

5）顯示模塊電路

屏幕的電路設(shè)計(jì)采用的是一種 IIC 接口，該類型接口連接單片機(jī)的接口只需要 4 根腳連接，SCL 是時(shí)鐘接口, VCC 接電源，SDA 是數(shù)據(jù)接口，GND 接地。簡(jiǎn)而言之，兩根數(shù)據(jù)線就可顯示內(nèi)容。IIC 是一種通信接口協(xié)議，通信協(xié)議中有起始信號(hào)、終止信號(hào)、應(yīng)答和非應(yīng)答四個(gè)信號(hào)。

6）繼電器控制電路

因?yàn)閱纹瑱C(jī)的 I / O 口驅(qū)動(dòng)能力有限，所以需要加裝一個(gè)繼電器模塊以小電流控制大電流進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。由于本次設(shè)計(jì)需要用到風(fēng)扇散熱、有毒氣體排氣、排濕自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用，所以需要1 個(gè)繼電器模塊接口。

繼電器模塊工作原理簡(jiǎn)介：

PC1 當(dāng)輸入高電平時(shí)，三極管Q2 處于飽和導(dǎo)通，繼電器線圈通電，觸點(diǎn)吸合。

PC1 當(dāng)輸入低電平時(shí)，三極管Q2 處于截止，繼電器線圈斷電，觸點(diǎn)斷開。

7）Wi-Fi 模塊電路無線通信控制采用 Wi-Fi 來控制，通過無線控制的信號(hào)傳輸方式來設(shè)定瓦斯報(bào)警濃度的閾值，Wi-Fi 控制的特點(diǎn)是成本較低，傳輸速度快，穩(wěn)定性強(qiáng)，集成度高，操作也簡(jiǎn)單，用串口進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)模式的數(shù)據(jù)傳輸即可。所以此次設(shè)計(jì)中采用 ESP8266 Wi-Fi 連接系統(tǒng)，確保能夠與機(jī)智云平臺(tái)進(jìn)行通信，可以進(jìn)行遠(yuǎn)程的一個(gè)相關(guān)控制。即對(duì)瓦斯有毒氣體進(jìn)行一個(gè)遠(yuǎn)程的監(jiān)控（機(jī)智云監(jiān)控）。3.2 軟件程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的是 Keil5 軟件，目前最主流編程軟件。功能強(qiáng)大：提供了 C 語言編譯器、連接器、宏匯編、庫函數(shù)管理功能，還能在線調(diào)試和仿真。

1）主控制程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后，進(jìn)入主程序之前循環(huán)之前，需要先對(duì)各個(gè)模塊的程序進(jìn)行初始化，模塊初始化主要包括 MQ-5 甲烷氣體傳感器、DHT11 溫濕度傳感器、OLED 顯示屏等，重新初始化可以復(fù)位系統(tǒng)電路，并獲取傳感器初始化狀態(tài)。初始化完成后，主程序會(huì)對(duì) MQ-5 有毒氣體傳感器實(shí)時(shí)采集有毒氣體、DHT11 溫濕度傳感器采集溫濕度、 OLED 屏幕實(shí)時(shí)更新顯示等，將獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機(jī)的對(duì)比后，作出相應(yīng)的緊急判斷，最后通過 Wi-Fi 上傳數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)手機(jī) App 端機(jī)智云的監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)煤礦瓦斯安全監(jiān)測(cè)等自動(dòng)化操作。系統(tǒng)主程序流程圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)主程序流程圖

2）電子電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的硬件制作原理圖主要使用 Altium Designer這款軟件進(jìn)行制作。此款軟件可以漢化支持中文顯示，使用比較的方便,功能強(qiáng)大齊全，設(shè)計(jì)上比較的簡(jiǎn)單，對(duì)電子電路開發(fā)有著一整套的電路開發(fā)系統(tǒng)，適宜電子愛好者的設(shè)計(jì)與開發(fā)，在網(wǎng)上學(xué)習(xí)資料也比較的齊全。

以下是設(shè)計(jì)操作的幾個(gè)主要步驟：

步驟一：打開軟件運(yùn)行后創(chuàng)建文件。新工程需要選創(chuàng)建工程文件，然后保存命名為“ 單片機(jī)的煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)控制管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究”。

步驟二：在工程項(xiàng)目中創(chuàng)建原理圖，對(duì)一些需要用到的元器件進(jìn)行庫增加，在庫元件中找到自己設(shè)計(jì)所需要的元器件推拽出來，然后對(duì)元器件進(jìn)行正常的連接與布局。

步驟三：完成以上的步驟后，最終可以得到完整的煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)控制管理系統(tǒng)。電路原理圖如圖 4 所示。

圖4 電路原理圖

3.3 數(shù)據(jù)自動(dòng)采集與監(jiān)測(cè)機(jī)智云是一個(gè)致力于物聯(lián)網(wǎng)和云服務(wù)的開發(fā)平臺(tái)。機(jī)智云云平臺(tái)主要專注于物聯(lián)網(wǎng)硬件上的智能云服務(wù)和解決方案，是行業(yè)的長期努力，是對(duì)傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的深刻改造，為個(gè)人和企業(yè)開發(fā)者提供一站式智能硬件開發(fā)和云服務(wù)平臺(tái)。該平臺(tái)提供從定義的產(chǎn)品、設(shè)備端開發(fā)和調(diào)試、應(yīng)用程序開發(fā)、生產(chǎn)測(cè)試、云開發(fā)、運(yùn)營管理和數(shù)據(jù)服務(wù)訪問到運(yùn)營管理的智能硬件訪問，以實(shí)現(xiàn)服務(wù)的全生命周期。機(jī)智云平臺(tái)為開發(fā)人員提供自助的智能硬件開發(fā)工具和開放的云服務(wù)。通過簡(jiǎn)單的自助工具，完善的 SDK 和API 服務(wù)功能，最大限度地降低物聯(lián)網(wǎng)硬件開發(fā)的技術(shù)門檻，降低開發(fā)人員的成本，提高開發(fā)人員的產(chǎn)品生產(chǎn)速度，智能升級(jí)開發(fā)人員，更好地連接和服務(wù)最終消費(fèi)者。

本設(shè)計(jì)中借助機(jī)智云平臺(tái)，通過 Wi-Fi 模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)瓦斯氣體采集并上傳至機(jī)智云的功能，本設(shè)計(jì)機(jī)智云設(shè)備訪問的基本過程如圖 5 所示。

圖5 機(jī)智云設(shè)備訪問圖

開發(fā)順序步驟如下：

步驟一：注冊(cè)并登錄機(jī)智云開發(fā)者賬號(hào)。在使用機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)服務(wù)之前，需要先注冊(cè)一個(gè)開發(fā)者賬號(hào)。

步驟二：創(chuàng)建產(chǎn)品。在開發(fā)者中心點(diǎn)擊“創(chuàng)建新產(chǎn)品” 后輸入產(chǎn)品名稱以及選擇對(duì)應(yīng)設(shè)備接入方案即可完成“新產(chǎn)品”的創(chuàng)建。 * 點(diǎn)擊“創(chuàng)建新產(chǎn)品”；

* 輸入產(chǎn)品名稱與選擇設(shè)備接入方案；

* 創(chuàng)建數(shù)據(jù)點(diǎn)，點(diǎn)擊“ 新建數(shù)據(jù)點(diǎn)”，添加開關(guān)機(jī)數(shù)據(jù)點(diǎn)；

* 下載云端自動(dòng)生成的協(xié)議。

步驟三：設(shè)備與應(yīng)用開發(fā)。在設(shè)備端訪問設(shè)計(jì)中，把單片機(jī)設(shè)備采集的信息通過編寫智能云連接協(xié)議 GAgent 的網(wǎng)絡(luò)模塊，即可通過智能云平臺(tái) Wi-Fi 模塊無線通信實(shí)現(xiàn)設(shè)備組網(wǎng)和智能。通過 Wi-Fi 模塊連接到智能云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn) App 通過云控制智能設(shè)備。步驟四：調(diào)試產(chǎn)品。產(chǎn)品開發(fā)完成后，單片機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)在調(diào)試過程中，開發(fā)和調(diào)試設(shè)備將連接到 Wisdom Cloud Sandbox 服務(wù)器( 測(cè)試服務(wù)器)，將采集的電壓值進(jìn)行顯示在對(duì)應(yīng)的界面，并且可以進(jìn)行控制充電開啟以及關(guān)閉。

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總 結(jié)

本文設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)控制管理系統(tǒng)，以單片機(jī)為核心，通過傳感器將井下瓦斯?jié)舛葌鹘o單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過處理，判斷瓦斯?jié)舛仁欠癯瑯?biāo)。當(dāng)有害氣體濃度超標(biāo)時(shí)，會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，開啟繼電器控制風(fēng)扇進(jìn)行空氣濃度調(diào)節(jié)，直至濃度降到設(shè)定值以下。 通過 Wi-Fi 模塊傳輸?shù)綑C(jī)智云端，還能在 OLED 顯示屏顯示，便于工作人員查看和控制，能夠防止和避免事故發(fā)生，保證井下工作人員的安全。