基于STM32 单片机的煤矿环境监测及预警系统设计

朱新强，吴溢达，韩颖晴，张睿哲

（中国矿业大学（北京），北京）

引言

在煤矿开采的过程中,安全事故层出不穷,对国家财产和人民生命安全造成了极大的损害, 煤矿安全是事关国家经济发展和人民生命安全的头等大事[1]。

近年来,由于井下环境安全检测系统的日益完善,煤矿事故率明显下降, 井下安全工作环境得到了显著的改善[2]。通过研究对于井下影响安全的关键环境因素的实时检测和预警系统, 能够进一步地提升煤矿生产的安全系数,具有十分重要的现实意义。

瓦斯浓度、煤尘浓度、温湿度以及风压风速是煤矿环境安全检测的关键因素, 通过相关传感器实时检测, 借助无线通信模块与PC 端进行实时通信交互,实现数据交互。当PC 端接收到的数据信息不满足给定的预设值范围时,向单片机发送预警信号,单片机接收信号后,开启声光报警电路。

1 系统总体设计

煤矿环境监测及预警系统设计采用STM32F103ZET6 微处理器为主控模块,采用3.3 V 的供电电压,搭配MQ-5 瓦斯传感器,DHT11 温湿度传感器,ZPH01 粉尘传感器,DP-K022 风压传感器, 超声波风速传感器, 以实现对煤矿内部各种影响安全的环境因素实时检测,并通过ESP8266WIFI 模块进行单片机与PC 机之间的实时数据通信, 控制声光报警电路,实现报警功能。系统总体设计框图如图1 所示。

图1 系统总体设计框图

2 系统硬件电路设计

2.1 系统微控制器

煤矿环境监测及预警系统的核心微控制器选用意法半导体的STM32F103ZET6 微控制器,这是一种嵌入式-微控制器的集成电路, 采用ARM Cortex-M3 内核,拥有高达72 MHz 的主频,芯体尺寸为32 位,速度为72 MHz,程序存储器容量是256 KB,能够支持高速运算和复杂计算任务, 同时还具有128 KB 闪存和20KB SRAM,可以存储大量的程序代码和数据,能够及时地处理系统中各个传感器检测到的环境信息,并通过ESP8266WIFI 模块及时传输给PC 端, 能够满足系统设计的高实时性要求[3]。

2.2 电源电路

STM32F103ZET6 正常工作电压范围为2.0 V～3.6 V,为了提高系统的使用寿命和可靠性, 选择使用3.3 V电源供电。通过设计电源电路实现变压的功能,图2 为电源稳压电路。为防止电压过大烧坏单片机,电源电路通过AMS1117 稳压器将5 V 的输入电压变为3.3 V电压稳定输出,电压的误差可以控制在1.5%之内。

图2 电源稳压电路

2.3 MQ-5 瓦斯传感器

煤矿中对安全生产影响最大的因素是瓦斯爆炸。MQ-5 传感器对于甲烷和丙烷的灵敏度高, 而甲烷是瓦斯气体最主要的组成成分,它的检测范围为300～10 000 ppm,因此MQ-5 能够很好地满足瓦斯检测的要求。图3 所示为MQ-5 的基本测试电路,该传感器需要施加2 个电压:加热器电压VH和测试电压VC。

图3 MQ-5 基本测试电路

2.4 DHT11 温湿度传感器

瓦斯爆炸的最低点火温度会随着温度升高而降低, 瓦斯的爆炸极限温度介于-20 ℃～+60 ℃之间;瓦斯在空气中的扩散受到湿度的影响, 空气湿度会干扰瓦斯扩散,高湿度会增加煤尘聚集的风险,爆炸的相对湿度上限为80%。DHT11 是温湿度检测的常用传感器。湿度精度为±5%RH,温度精度为±2 ℃,量程为5～95%RH 和-20 ℃～+60 ℃，能够满足系统设计的使用要求[4]。

2.5 ZPH01 粉尘传感器

ZPH01 是一款基于光散射原理的传感器。可以有效检测空气中粉尘浓度。它的工作原理是通过发射激光束,使粉尘将激光散射到周围,传感器通过光电检测器对散射光强度分析获取粉尘浓度信息。

2.6 DP-K022 风压传感器

煤矿中风压范围在1.2～2.5 Kpa 之间。DP-K022风压传感器是一种高精度微压传感器, 可以实现高精度的风压测量和模拟信号输出。精度高,具有多种可供选择的量程,选用大于等于2 Kpa 的满足设计要求,分辨率达到了0.5%,稳定性高,功耗低,足以满足系统对于风压检测的要求。

2.7 超声波风速传感器

煤矿风速的范围一般在0.5～2.5 m/s,过高或者过低都会影响煤矿安全和生产效率。超音波风速传感器可以很好地满足系统对于检测风速的设计要求。它是一种基于超音波技术为原理的风速检测传感器。工作原理是:通过发射超声波脉冲,检测经过气流反射回来的气流速度计算风速信息。具有较高的精度,不受其他环境因素影响,响应速度高的特点。

2.8 声光报警电路

声光报警电路如图4 所示。STM32F103ZET6 接收到来自PC 端发送的报警信号时, 单片机发出信号开启报警电路,将GPIO 引脚设置为输出模式,当接收到来自单片机的信号时,将GPIO 置于高电平,通过三极管放大电路放大输入信号,点亮红色警报灯,开启蜂鸣报警器。

图4 声光报警电路

2.9 ESP8266WIFI 模块

ESP8266WIFI 模块作用有两方面, 一方面是接收来自单片机的环境信息信号, 并将接收的信号通过无线网络发送给PC 机; 另一方面是接收来自PC机的报警信号, 并将报警信号通过串口通信传递给单片机。实现了单片机与PC 机之间的实时交互。STM32F103ZET6 采用AT 命令方式进行通信,单片机通过向ESP8266 发送AT 指令实现数据的上传功能[5]。

通过以上的各个传感器的选择与电路的设计,煤矿环境检测系统的硬件电路被完整设计。

3 系统软件设计

3.1 系统软件开发环境

STM32F103ZET6 是基于ARM 架构的微控制器。适用于STM32F103 系列的嵌入式开发环境较多,如Keil uVision5,IAR Embedded Workbench 和Eclipse等开发环境均可进行STM32 的软件开发。综合考虑开发难度,选用Keil uVision5 进行软件开发。首先,Keil是目前嵌入式操作与开发最常用的系统, 广泛地应用在各个工业嵌入式系统开发设计领域,技术相对成熟。同时,其具备较强的稳定性与可靠性,为用户提供了高效的调试和仿真工具,为用户的开发测试提供了便利;它的图形界面与编码界面对用户相对友好, 编程难度相对较低; 支持多种系列的STM32 芯片开发, 包括STM32F103ZET6 芯片。综合以上因素,Keil uVision5是最合适的选择。

3.2 系统软件总体设计

3.2.1 单片机运行流程

系统流程设计采用内部循环的结构, 软件流程如图5 所示。主程序运行时首先进行初始化,将STM32F103ZET6 做初始化设置,同时将MQ-5 瓦斯传感器,DHT11 温湿度传感器,ZPH01 粉尘传感器,DPK022 风压传感器,超声波风速传感器,声光报警电路以及ESP8266WIFI 模块初始化。运行时,由各个传感器收集的环境信息数据,经过A/D 转换(将模拟量转化为数字量)之后送入单片机内部进行数据处理,单片机将接收到的数据实时的通过串口通信传输给ESP8266WIFI 模块,ESP8266 将接收的数据通过无线网络实时上传到PC 端。单片机此时检测是否接收到来自PC 端的报警信号, 若未接收到循环至环境信息收集环节继续循环。若接收到,则开启声光报警电路,继续进行环境信息收集,A/D 转换, 以及数据上传的工作,并检测是否有来自于PC 端口的复位信号,若未接收到则保持声光报警电路开启状态, 循环至上一级的环境收集环节;若接收到则循环至初始化环节。

图5 单片机流程

3.2.2 PC 端软件流程

PC 端软件流程整体设计采用循环结构,程序主要工作原理是:软件开启后进行系统的初始化,接收来自于ESP8266WIFI 模块通过无线通信的发送的单片机收集的环境信息数据。系统将接收到数据进行处理,显示在PC 机的液晶显示屏上, 以便工作人员能够及时观察和获取环境信息; 判断接收数据是否满足给定的预设值范围, 若未满足返回上一级接收数据处理数据环节执行循环; 若不满足, 则立即通过无线网络向ESP8266WIFI 模块发送报警信号。报警信号发出后,继续接收处理数据, 并判断数据是否满足给定的预设值范围,若不满足,返回上一级循环继续执行数据接收与处理的操作,直到数据信息回归到预设值范围之内,向ESP8266WIFI 模块发送复位信号, 进入初始化再次执行循环。

4 系统测试结果

为了验证煤矿环境监测及预警系统设计的可行性与实用性,在实验室内搭建完整的系统,人为制造模拟煤矿内部的瓦斯浓度、温湿度、粉尘浓度、风速风压等环境条件,实验测试系统对于环境信息的收集情况,以及电路报警情况。经过测试,验证了煤矿环境检测与预警系统检测数据可靠,数据信息准确,误差均在合理的范围内,预警及时准确,系统运行稳定,实时性强,稳定性高,满足了设计系统的预期目标。

5 结论

与传统煤矿环境检测系统相比, 本系统对于环境信息的检测更加全面,集成了多种环境检测功能,可以满足企业对于环境检测的需求。通过应用无线通信的功能,实现了PC 机与单片机的远程交互,操作人员可以通过远程交互获得矿井内部的环境检测信息, 提升了煤矿的无人化程度和安全性, 简易的报警电路具有较高的抗干扰性。此煤矿环境检测系统还具有安装便捷、成本低廉、安全可靠等优点。

本设计仍存在可以进一步优化的内容, 值得进一步完善:第一,增加摄像头传感器,实现图像数据的处理与检测, 在一定程度上不仅可以完成对于矿井内部情况的实时视频检测,也可以代替监控器功能,为煤矿企业进一步节约成本。第二,PC 端软件的设计应该增加对于环境信息数据的实时记录, 并将其保存上传到数据库中,以便必要时进行复检复查工作。