基于STM32 的智能煤尘颗粒实时检测系统设计

王大雷，张国豪，韩育

(宿州学院 机械与电子工程学院，安徽 宿州 234000)

近年来发生多起煤矿爆炸事故，如2019 年1 月12 日陕西百吉矿业发生重大煤尘爆炸事故，造成21人遇难，经济损失3788 万元，其主要原因是企业管理不善，煤尘检测等方面存在问题[1]。当煤尘颗粒浓度达到一定程度，随着周围环境温度升高时，将可能会发生煤尘爆炸。它不仅会给矿井工人的生命安全带来危险，也给企业带来严重的经济损失[2-3]。

针对目前煤尘检测方法较为传统，设计了一种基于STM32 的智能煤尘颗粒实时检测系统。该系统的关键研究内容：1）研究STM32 与煤尘传感器之间的通信关系；2）利用GSM 通信模块，实现远程提醒功能。

1 系统总体设计

本系统由STM32[4]主控模块、煤尘传感器模块、液晶显示模块、GSM[5]通信模块及报警系统等组成，设计了一种智能煤尘颗粒浓度实时检测系统。PC机主要功能是系统的软件编程与修改，可以及时下载到单片机STM32 中进行调试，系统的总体设计图，如图1 所示。

图1 系统总计设计框图

该系统的整体运行思路如下：首先，利用煤尘传感器对煤矿中的煤尘颗粒浓度进行数据采集，并送入STM32 主控模块；其次，STM32 对采集的煤尘颗粒浓度数据进行预处理，并将采集的煤尘颗粒浓度数据实时显示在液晶显示屏中；接着，STM32 单片机会对采集的实时数据与设定数据进行比较处理，若超过设定预设值，系统则会启动报警系统，以提示在场的工作人员，同时启动GSM 通信模块，将煤尘颗粒浓度信息第一时间发送至预设工作人员手机上，以更快地了解矿井煤尘浓度情况。

2 系统硬件设计

本系统的硬件电路主要由STM32 控制模块、煤尘传感器模块、液晶显示模块、GSM 通信模块及报警系统等模块组成。

2.1 STM32 控制模块

根据系统的稳定性和可靠性要求，本系统选择单片机为ARM Cortex 系列的STM32F103C8T6，主要因为它有37 个通用I/O 口，功能易于扩展，处理速度快，系统的时钟最高可达72M，能够满足实时信息传送要求。系统的工作温度范围为-40℃～85℃，可以满足复杂的工作环境。综合考虑选择此单片机芯片。STM32 最小系统电路如图2 所示。

图2 STM32 最小系统电路

2.2 GSM 通信模块

本系统的GSM 通信模块选择为WF-SIM900A芯片，其硬件电路如图3 所示。GSM 通信模块与STM32 控制模块通过PA9 和PA10 这2 个I/O 口进行连接进行工作，数据通过GSM 通信模块实时发送到用户[6]。在本系统中，若检测煤尘浓度高于预设值时，则系统启动GSM 通信模块，将检测结果通过该模块第一时间发送到值班人员手机上。

图3 GSM 模块电路

2.3 显示模块

显示模块选择为3.5 寸的TFT (Thin Film Transistor)液晶显示器，该显示器具有响应速度快、功能强大、分辨率高及性价比高等优点，其与STM32 主控模块外接电路如图4 所示。该模块与STM32 主控模块的I/O 口PA0-PA7 和PB10-PB14进行连接，其功能实时显示煤尘浓度数据。

图4 显示模块电路

2.4 煤尘传感器模块

本系统选择芯片为GP2Y1010AU0F 的煤尘传感器。该模块信号线与STM32 主控模块的I/O 口PB8 相连，完成对煤尘浓度数据的实时采集，其外接电路如图5 所示。

图5 煤尘传感器模块电路

2.5 报警系统

该模块选择有源蜂鸣器，供电压VCC 为3.3V，其硬件电路图如6 所示。该模块的信号线与STM32主控模块的I/O 口PA12 进行连接，当系统检测煤尘颗粒浓度高于预设值时，三极管Q1 基极的低电平使三极管饱和导通，使蜂鸣器发声，系统报警。

3 系统软件设计

系统的整体软件设计思路如下：首先，系统初始化，设置煤尘的浓度参数的预设值。其次，利用煤尘传感器对煤矿煤尘浓度进行数据实时采集，通过STM32 主控模块对采集的信号进行滤波处理，再利用3.5 寸TFT 液晶显示屏进行实时显示煤尘的浓度；最后，将实时采集的煤尘浓度数据与预设定的煤尘浓度阈值进行比较，若实时煤尘浓度数据大于预设值时，则系统会立刻启动报警系统，同时也启动GSM通信模块，将煤尘浓度数据信息立即发送至预设手机的工作人员。系统的总体流程图，如图7 所示。

图6 报警系统模块电路

图7 系统总体流程图

4 结语

利用STM32 单片机、煤尘传感器、液晶显示、GSM 通信及报警系统等模块设计了一种智能煤尘颗粒浓度检测系统。该系统硬件电路功能稳定、性能可靠，抗扰能力强；利用GSM 通信模块，可以实现远程无线通信，为作业人员提供安全保障。该系统采用STM32 单片机，在软件编程上开发速度较快，且易于扩展新功能等。本系统智能化程度较高，电路稳定且可靠，成本低，易于实现等优点，具有很好的工业应用价值。