单片机技术在煤矿安全中的应用

杨君芳

（山西省煤炭规划设计院，山西 太原 030045）

引言

煤炭现阶段仍是我国最重要的能源组成部分，随着现代科学技术的发展和进步，在煤炭产业中采取现代安全监测措施势在必行。我国工程技术和信息化科学技术水平不断提高，微电子、计算机通讯等高新技术不断被应用到煤矿自动化系统和安全保障系统中。通过简单设计的微电子原件就可实现对煤炭作业工程的控制，通过以单片机为控制核心的智能系统，完成对瓦斯体积分数、CO2体积分数、温度等安全参数的检测，解决煤炭安全问题。这样既减少了人力、物力、财力的投入，同时提高了煤炭作业过程的安全性与可靠性，降低了事故发生率。

1 单片机在煤矿安全中的应用前景

在威胁煤矿井下安全的因素中，瓦斯和CO2一直是最难防范和最严重的威胁。瓦斯是地下开采时由煤层或岩层涌出的，会导致井下污染。每吨煤、岩含有的瓦斯量决定于多种因素，瓦斯浓度达到一定浓度时，能造成缺氧性窒息，并可能引发燃烧或者爆炸，所以对井下瓦斯浓度的监测一直是煤矿安全工作重要的一部分。

由于CO2的体积分数大于矿井空气的体积分数，从而使矿井中的CO2容易向下方堆积，导致煤矿井下堆积了大量的CO2，特别是在巷道底板、盲巷、溜煤眼、下山尽头及通风不良的地方尤为明显，矿井下作为一个相对封闭的空间，难以与外界空气进行交换，施工人员的呼吸、有机物氧化以及井下爆破、火灾、煤尘和瓦斯爆炸以及煤层中CO2的突然涌出都将增加矿井下的CO2体积分数，当CO2含量比较少时对人体并无危害，但其超过一定量时会影响人的呼吸，原因是血液中的碳酸浓度增大，酸性增强，产生酸中毒。空气中CO2的体积分数为1%时，感到气闷、头昏、心悸；4%～5%时感到眩晕。6%以上时使人神志不清、呼吸逐渐停止以致死亡。由于CO2较高的窒息致死率，越来越引起相关部门的重视，应当加大井下对CO2浓度的监测力度，这也是煤矿安全生产的一个重要工作。

通过对单片机技术、微机控制技术、电子技术以及传感器技术等知识进行系统的学习和研究，结合其中的核心原理对与煤矿安全参数相关的检测装置进行设计，从而可以对矿井内瓦斯、CO2体积分数、温度进行有效监测和预防。以单片机为控制核心，完成对瓦斯浓度、CO2体积分数、温度等参数的检测，检测系统框图如图1所示。

图1 检测系统框图

2 检测系统设备选型

2.1 单片机的选型

单片机是从上世纪70年代诞生以来发展起来的一种集成电路芯片，在工业控制领域广泛应用。单片机是典型的嵌入式微控制器，其设计核心理念是采用超大规模集成电路技术，精确地将中央处理器（CPU）、只读存储器（ROM）、随机存储器（RAM）等所需的相关元件以及多种I/O口和中断系统、计数器等功能集成到一块半导体硅片上，构成了结构微小但是功能完善的微型计算机系统。单片机经过多年发展，已经有了跨越式的发展，更加适应当前的应用要求，并且具有更多功能、更小体积、更多系统扩展、系统配置规范模块化等优点。

单片机的应用前景广泛，特别是业内飞利浦和英特尔等大型技术型企业对单片技术的推广和普及，如今广泛应用在智能仪器、工业控制、家用电器、网络和通信等领域。由于煤矿井下环境具有一定的特殊性，因此煤炭企业多选用PIC系列单片机实行对井下电气自动化的控制，其可有效防御外界电磁干扰，并具有防水、防漏电的特点。

2.2 传感器的选择

传感器的种类多种多样，也各具特点，例如温度传感器的工作原理是根据物质的各种物理性质随温度变化的规律将温度转换为电量，它作为温度测量仪表的关键部分，在市场上存在许多类型，通常按测量方式将温度传感器分为接触式和非接触式两大类。由于一般热敏电阻需要相关的连接电路进行配套并进行温度修正工作，因此通常选择温度传感器。

传统的CO2传感器对于像CO2这样的不可燃气体的测量尤其困难，化学传感器很难胜任这项工作，使用寿命也很短。其他的各种间接测量方法由于它们通常不仅仅对一种气体组成敏感，所以其精度很低且漂移量较大。与化学CO2传感器相比，光学测量仪器有许多优点，但其昂贵的价格也确时降低了它的市场竞争力。不过随着产品集成化程度的提高，其生产成本也正在降低。

2.3 瓦斯传感器的选型

智能型甲烷检测仪表是采用热催化原理制成的，它能够敏感地感知空气中的甲烷体积分数，从而应用于煤矿井下各个作业场所空气中甲烷浓度的检测工作，智能型甲烷检测仪具有多种信号输出功能和良好的兼容性，并且所有功能均支持红外线遥控，包括调满度、半自动调零、设置报警点等，甚至还具有光报警、超限声及超限断电信号输出功能，另外它还可以在多种火灾监测系统中独立运行，因此智能型甲烷检测仪具有广阔的应用前景。

在进行监控系统软件设计时，通常将智能终端的软件设计和上位机通信部分的程序设计作为其重心，当单片机在调试工作完成之后，相关的工作人员便可以在输入电路中设置检测参数的阈值和极限值。对于那些需要检测的参数值类型，上位机可以充当传输的角色将其发送，并在单片机控制下选择该路的信号通道；如果上位机没有明确制定某路信号的监管目标，则可以轮流对各路信号进行采集，单片机对采集到的信号进行内部计算并进行判断和处理，当采集的数据超过所能处理的极限值时，需要及时地发出声光报警信号并采取应对措施，比如切断继电器电源、排除事故隐患等，当隐患确定已经排除时，解除系统报警。

3 系统描述

在煤炭安全管理当中，对瓦斯安全的治理是至关重要的，因此需要加大单片机在瓦斯浓度传感器中的应用力度，单片机作为该系统的主要部件，与红外遥控等系统其他功能模块相互协作，针对瓦斯浓度信息形成一系列处理流程，包括信息的传输、处理及操作指令的发出。当系统检测到煤矿井下瓦斯浓度超标时，将会在发出报警信号的同时执行预定来降低井下瓦斯的浓度，从而使该系统具备对瓦斯浓度检测、报警和控制的一系列能力。

将单片机应用到系统当中，能够使系统的稳定性和抗干扰能力大大提升。从而能够提高对煤炭井下瓦斯浓度的监测能力，当出现浓度超限时能够及时地作出相应的反应，使煤炭开采当中的瓦斯事故大大降低，并且具有较高的性价比和安全性，因此适合在各煤矿中加以推广，在提高煤炭开采作业安全性的同时也降低了企业的开采成本，使煤炭企业得以健康、快速的发展。