矿井安全监控系统.docx
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矿井安全监控系统
本科生毕业论文
矿井安全监控系统设计
系别
机械与电子工程学院
专业
电子信息工程
年级
2010级
学号
学生姓名
指导教师
职称
完成时间
独创性声明
本人郑重声明：
所呈交的毕业论文（设计）是本人在指导老师指导下取得的研究成果。
除了文中特别加以注释和致谢的地方外，论文（设计）中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果。
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签名：
年 月 日
授权声明
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签名：
年 月 日
指导教师签名：
年 月 日
目录
摘要1
引言2
1系统总体结构设计3
1.1本设计的主要功能3
1.2矿井安全监控系统的总体构成3
1.3系统方案的选择及论证4
2系统硬件电路设计6
2.1单片机STC89C52简介6
2.2ADC0809简介7
2.3数据检测电路设计8
2.4各单元模块的设计12
2.5电源模块电路15
3系统软件的设计15
3.1主程序流程的设计15
3.2关键子程序流程设计17
4系统调试20
4.1硬件调试20
4.2软件调试20
5结论21
参考文献22
附录23
Abstract26
致谢27
矿井安全监控系统设计
作者
指导老师
摘要：
当下虽然我国的矿井井下检测设备多样，但是由于矿井下环境复杂，很难实现全面的监控，而且受井下各种工作环境影响导致设备性能不稳定，维护周期短，检测数据不准确，维护资金昂贵等，对生产影响很大。
本文设计和实现了对矿井下对一些安全因素的检测和监控，对井下一些有害气体的浓度进行检测和监控，同时也对井下工作环境的温度、湿度和大气压进行监控，当气体浓度及温湿度超过上限值时就会自动报警。
该系统以STC89C52单片机为主控核心，硬件电路主要包括LCD12864液晶屏显示电路、AD转换电路、湿度传感器DHT11检测电路、烟雾传感器MQ-2检测电路、甲烷传感器MQ-4感器检测电路、一氧化碳传感器MQ-7电路、BMP085气压检测电路等。
在软件设计上采用C语言程序编程，设计完成的矿井安全监控系统具有检测矿井下有害气体、温湿度及气压等功能。
系统具有操作简单、性能稳定、性价比高等特点，具有较好的使用价值。
关键词：
矿井安全监控；STC89C52；LCD12864液晶显示；AD转换；传感器
引言
煤炭对于每个国家都是至关重要的能源之一，在工业甚至生活中都起着很重要的作用，它可以作为发电站，火车、游轮、工业生产等燃料。
可是每年都会发生很多矿难，不算小事故，大事故总会有那么几起引起我们社会的关注，井下工作人员的生命是宝贵的。
因此，我们必须针对种种事故原因进行分。
矿难的原因有多种多样，矿井下空气中有很多有害气体，它们包括瓦斯、一氧化碳、二氧化碳等，不仅是气体，井中的气压、风速、温湿度、烟雾等都影响着井下环境的安全。
矿井安全关乎井下工作人员的生命及财产安全，因此设计较全面的矿井安全监控系统是很有必要的，对井下的可能存在的安全因素进行检测和监控报警可以有效的减少矿难的发生。
本设计是以STC89C52单片机作为硬件电路核心，设计一种操作简单的检测系统，实现对矿井环境安全进行监控。
主要是对甲烷、一氧化碳浓度、井下温湿度、气压还有烟雾进行监控，能通过显示设备显示当前浓度、温湿度和气压状态。
当浓度超过设定值时设备会报警，从而达到防御和减少由于矿井环境安全而引起的矿难事故。
STC89C52不仅具有STC89C51的全部功能，而且还增加了高可靠性、安全性的功能。
从经济的角度来看，STC89C52不但硬件结构简单，并且价格低、功能强、性价比高，符合我国工业设计制造的要求。
1系统总体结构设计
1.1本设计的主要功能
本设计的主要内容是基于单片机的矿井安全监测及报警系统，分为两部分，一部分是数据采集一部分是数据显示和报警，两部分由无线传输模块NRF24L01连接起来，两部分都是以单片机为控制核心，数据采集部分主要是采用气敏传感器MQ-2、MQ-7、MQ-4作为可燃气体传感器模块，采集可燃性气体信息和烟雾信息，采用BMP085气压传感器和温湿度传感器对井下的大气压和环境中的温湿度进行监控，使用NRF24L01进行无线传出模块将数据传输出去。
数据接收部分主要由单片机、LCD12864、报警电路和无线接收模块NRF24l01模块组成，通过两部分电路实现矿井安全监控。
（1）对矿井下的有害气体进行监测。
通过传感器采集井下的甲烷、一氧化碳和烟雾浓度，当它们的浓度超过设定值时系统将会自动报警。
（2）对矿井下工作环境条件进行监控，通过气压监测模块和温湿度检测传感器对井下工作环境的大气压和温湿度进行监控，实现工人工作环境的最基本安全条件。
1.2矿井安全监控系统的总体构成
本矿井安全监控系统主要由七部分电路组成：
（1）STC89C52单片机组成的中央控制器；
（2）数据检测传感电路，包括一氧化碳、甲烷和烟雾的检测；
（3）转换电路；
（4）键盘控制电路；
（5）报警电路；
（6）显示电路；
（7）无线接收和发射电路。
显示模块用于显示监测气体的浓度、环境温湿度和大气压，当监测气体浓度、温湿度超过安全设定值时就会自动报警。
键盘用于手动控制查看各监测部分的参数和参数的调节，并实现报警后安全隐患解除后取消报警。
系统的整体设计框图如图1。
图1系统的整体设计框图
1.3系统方案的选择及论证
要实现矿井安全监控系统设计，则需要通过单片机硬件设计和程序设计完成功能控制，再通过显示屏显示。
整个系统的主要电路模块有：
主控模块，显示模块，温湿度检测模块，大气压检测模块，烟雾检测模块，一氧化碳检测模块，甲烷检测模块，无线发射和接收模块，键盘模块。
1.3.1单片机芯片的选择及论证
方案一:
以STC89C52芯片为中心。
STC89C52是使用较为广泛的单片机，它具有8KBROM存储空间和512字节数据存储空间，并且带有2K字节的EEPROM存储空间，与MCS-51系列单片机完全兼容,它可以通过串口下载，烧写方便。
方案二:
以AT89S52作为核心芯片。
单片机AT89S52具有8K字节程序存储空间，只有256字节的数据存储空间，没有EEPROM存储空间，它与MCS-51系列单片机完全兼容，具有在线编程可擦除技术。
两种单片机都完全能够满足此次设计需要，但STC89C52相对ATS89C52价格便宜，且抗干扰能力强，烧写下载方式方便硬件的调试。
综合考虑，选用STC89C52作为CPU。
1.3.2AD转换电路的选择及论证
在AD转换芯片中，ADC0809和ADC0804都是较好的AD转换芯片，都可以把模拟量转换为数字量，考虑到本次设计中检测气体需要转换的模拟量较多，而ADC0804只是单通道，ADC0809有8路选择通道，所以选择ADC0809作为AD转换的芯片。
1.3.3显示模块的选择及论证
方案一：
采用LCD1602作为显示部分。
LCD1602可以显示大量的信息,对于显示数字和字母等比较合适,它小巧，I/O少与单片机连接较简单灵活，写入数据也较简单。
方案二：
采用LCD12864液晶显示作为显示部分。
LCD12864液晶显示屏的显示功能强大,可显示大量文字、图形等，显示多样,清晰可见,且价格适中，每一页可显示的内容都比其他同类的的显示屏多。
对于液晶显示可以选择LCD12864和LCD1602，由于LCD1602不能显示文字，每一页所能显示的内容较少，不符合此次设计的需要，所以选择LCD12864液晶显示屏。
1.3.4键盘模块的选择及论证
方案一：
矩阵式键盘是单片机外部设备中所使用的排布类似于矩阵的键盘组，按键位于行列的交叉点上，行线、列线分别连接到按键的开关两端。
它具有占用I/O较少的优点。
但这种按键适合用在按键数量较多的设计中，本次设计不需要很多的按键所以不采用。
方案二：
独立式键盘是指直接将按键端口与单片机I/O口连接起来组成按键电路，这样的按键电路配置灵活，易于实现，同时软件设计结构简单。
无论是是独立键盘还是矩阵键盘，单片机检测其是否被按下的依据都是一样的也就是检测与该按键的I/O口是否为低电平。
独立键盘有一端固定为低电平，单片机写程序检测时比较方便。
而矩阵键盘两端都与单片机I/O口相连，因此在检测时需要人为通过单片机I/O口送出低电平[2]。
考虑操作需要和简便性，所以本次采用独立式键盘作为键盘模块。
2系统硬件电路设计
2.1单片机STC89C52简介
引脚图说明：
1.主电源引脚（2根）
Pin40为VCC：
电源输入，接＋5V电源
Pin20为GND：
接地端
2.外接晶振引脚（2根）
Pin19为XTAL1：
片内振荡电路的输入端
Pin20为XTAL2：
片内振荡电路的输出端
3.控制引脚（4根）
Pin9为RST/VPP：
复位引脚，引脚上如果出现2个机器周期的高电平时将使单片进行机复位。
Pin30为ALE/PROG：
地址锁存允许信号端
Pin29为PSEN：
外部存储器读选通信号端
Pin31为EA/VPP：
这个引脚是程序存储器的内外部选通，当接低电平时从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。
4.可编程输入/输出引脚（32根）
STC89C52单片机I/O口说明，共四组I/O口：
分别位P0口、P1口、P2口、P3口，每个口有8根引脚，总共32根
Pin39～Pin32为P0口：
8位双向I/O口线，排序为P0.0～P0.7
Pin1～Pin8为P1口：
8位准双向I/O口线，排序为P1.0～P1.7
Pin21～Pin28为P2口：
8位准双向I/O口线，排序为P2.0～P2.7
Pin10～Pin17为P3口：
8位准双向I/O口线，排序为P3.0～P3.7
STC89C52的引脚如图2所示
图2STC89C52引脚图
2.2ADC0809简介
1.内部结构
ADC0809的组成主要是由8路模拟开关、地址锁存、译码器、比较器、寄存器、三态输出锁存器等组成。
所以，ADC0809可处理8路模拟量输入，并且有三态输出功能，既可以与各种微处理器相连，也可以单独工作。
很方便使用，输入输出也与TTL兼容。
内部结构如图3所示
图3ADC0809内部结构图
ADC0809的工作过程是：
首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。
此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器，START上升沿逐次逼近寄存器复位。
下降沿启动A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。
直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。
当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。
转换数据的传送，A/D转换后得到的数据传送给单片机进行处理，再由单片机写入显示器将数据显示出来。
2.3数据检测电路设计
根据本次设计的功能要求，需要的检测电路比较多。
可分为：
（1）温湿度传感电路；
（2）烟雾传感电路；
（3）大气压传感电路；
（4）一氧化碳传感电路；
（5）甲烷传感电路。
传感器是一种检测器件，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他形式的信息传输，以满足信息的传输、处理、存储、显示和控制等要求，它是此次设计的首要环节。
2.3.1温湿度传感器电路设计
DHT11数字温湿度传感器是一款实用较为普遍的传感器，它内部含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。
既可以检测温度也可以检测湿度，二者合一，功能强大。
内部主要有一个电阻式感湿元件，一个NTC测温元件，它们与一个8位单片机相连接。
它的特点主要有：
超快响应、抗干扰能力强、体积很小、功耗极低，信号传输距离大，性价比高，极高的可靠性和卓越的长期稳定性等。
DHT11是单线制串行接口，与单片机连接非常简单。
只需与单片机的I/O口连接通过程序控制就可以实现检测需要，独特的设计使它可以适应各种场合的检测需，温湿度传感器DHT11只有四个引脚。
封装比较特殊化，DHT11的封装信息如图4所示。
图4DHT11图
DHT11引脚说明：
DHT11的供电电压为3－5.5V。
传感器上电后，需等待1s以越过不稳定状态，在此期间无需发送任何指令。
电源引脚（VDD和GND）之间可增加一个100nF的电容，用来去耦滤波，其引脚说明如表1所示。
表1DHT11引脚说明
Pin
名称
注释
1
VCC
供电3-5.5V
2
DATA
串行数据，单总线
3
NC
悬空
4
GND
接地，电源负极
温湿度检测电路设计如图5所示，图中是它与单片机的连接电路，DHT11采用单总线数据格式，总线为低电平，说明DHT11发送响应信号，DHT11的管脚3直接连单片机I/O口，同时需要接上拉电阻实现通信需要。
处理检测信号时再调用DHT11内部的校准系数，送与单片机处理后发送到接收模块并在LCD12864上显示出来。
图5湿度检测电路设计
2.3.2气体传感器电路设计
首先先来了解气敏传感器的工作原理，半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体（主要是金属氧化物）表面接触时,产生的电导率等物性变化来检测气体。
半导体气敏器件被加热到稳定状态下,当气体接触器件表面而被吸附时,吸附分子首先在表面自由地扩散（物理吸附）,失去其运动能量,其间的一部分分子蒸发,残留分子产生热分解而固定在吸附处（化学吸附）。
这时,如果器件的功函数小于吸附分子的电子亲和力,则吸附分子将从器件夺取电子而变成负离子吸附，如果器件的功函数大于吸附分子的离解能,吸附分子将向器件释放电子,而成为正离子吸附。
如果器件的功函数大于吸附分子的离解能,吸附分子将向器件释放电子,而成为正离子吸附。
当氧化型气体吸附到N型半导体上,还原型气体吸附到P型半导体上时,将使载流子减少,而使电阻增大。
相反,当还原型气体吸附到N型半导体上,氧化型气体吸附到P型半导体上时,将使载流子增多,使电阻下降，一般随气体的浓度增加，元件阻值明显增大，在一定范围内呈线性关系。
甲烷传感器模块
MQ-X系列传感器模块是对气体检测灵敏度较高的一类传感器，下图6是MQ-X模块的电路图，图中lm393是电压比较器。
模块预热过后，当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率就会随着空气中可燃气体浓度的增加而增大。
它使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。
P1是模块的4个引脚，模块的电气特性中，DO输出：
TTL数字量0和1（0.1和5V）；AO输出：
0.1-0.3V，最高浓度电压4V左右。
可根据需要选择是AO或者是DO输出选择引脚，D0可以与单片机直接相连，通过单片机来检测高低电平，由此来检测环境是否有检测气体；AO可以和AD模块相连，通过AD转换，可以获得环境中所测气体浓度精准的数值
图6MQ-X气体传感器模块的电路图
与ADC0809和单片机的连接图如下图7：
图7MQ-X与ADC0809和单片机的连接图
2.3.3大气压检测电路设计
本次大气压检测采用BMP085模块来与单片机连接检测大气压，它是由电阻式压力传感器、AD转换器、控制单元（包括E2PROM和I2C接口，BMP085传送没有经过补偿的温度压力值）组成，是新一代基于压阻效应技术的传感器，具有稳定的电磁兼容性、高精度、线性性以及稳定性等特点。
可以通过I2C总线直接与处理器直接相连接。
下面是其引脚功能说明如表2所示
表2BMP085引脚功能说明
引脚
名称
功能
1脚
GND
接电源地
2脚
EOC
完成转换输出
3脚
VDDA
正电源
4脚
VDDD
数字正电源
5脚
-
空
6脚
SCL
IIC的时钟端
7脚
SDA
IIC的数据端
8脚
XCLR
复位初始化寄存器和控制器
它在与单片机相连时引脚SCL和SDA需要接上拉电阻，一般为5K。
单片机发送开始信号启动温度和压力测量，经过一定的转换时间后，从IIC接口读出结果，后将数据送达单品机处理，再由单片机写入显示器显示数值。
下图8为BMP805与单片机的连接图
图8BMP805与单片机的连接图
2.4各单元模块的设计
2.4.1单片机主控模块的设计
本设计无论是数据采集模块还是数据接收模块都是以单片STC89C52为主控中心。
单片机的最小系统如图9所示，最小系统包括振荡电路，复位电路。
其中单片机18引脚（XTAL2）和19引脚（XTAL1）直接接时钟电路，20引脚为接地端，40引脚为接电源端。
第31引脚（EA）接高电平，以保证对单片机内部ROM的正常读写。
图9单片机主控系统
在单片机最小系统中，几部分组成的电路都是至关重要的，特别是振荡电路，它是系统正常工作的重要保证，它是由一个晶振11.0592MHZ和两个瓷片电容33p组成的，X1和X2分别接单片机的PinX1和PinX2。
Pin9（RST）为复位输入端，接上电容，电阻及开关即可构成上电复位电路，给单片机一个复位信号（一个一定时间的低电平），使程序从头开始执行。
2.4.2显示模块的设计
LCD12864与单片机连接的I/O口较多，但它的显示功能远远比LCD1602强很多，Vo（3脚）接10K滑动变阻器可调节其对比度。
寄存器选择功能RS（4脚）、读写选择功能R/w（5脚）、脉冲信号功能E（6脚）分别接到单片机的P2.4、P2.5、P2.6口。
背光电源正极（17脚和19脚）接电源VCC，背光电源负极（20脚）接地，如图10所示为LCD显示模块电路。
图10LCD12864显示模块电路
2.3.3键盘模块的设计
独立键盘的好处在于它与单片机的连接比较灵活，在不需要很多按键处理的电路设计中使用独立式键盘可以省去好多编程和元件数量上的麻烦，只需与单片机的I/O直接相连就可以通过程序就可以实现调节需要。
键盘电路如图11所示。
图11键盘电路
2.3.4无线发射模块的设计
nRF24L01的工作频率在2.4GHz～2.5GHzISM频段，内置集成了频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。
此设计使用的NRF24L01模块的原理图如图16所示
下面是它与单片机连接的几个管脚的说明，如表3所示
表3nRF24L01引脚功能描述
管脚次序
管脚定义
功能描述
1
GND
电源地（方形焊盘）
2
VIN
输入电源（3.0—3.3V）
3
CE
工作模式选择，RX或TX模式选择
4
CSN
SPI使能,低有效
5
SCK
SPI时钟
6
MOSI
SPI输入
7
MISO
SPI输出
8
IRQ
中断输出
nRF24l01与单片机的连接图如图11所示
nRF24L01通过SPI接口和STC89C52进行信息交换，CE连接P0.1，P0.4与CSN连接，IRQ连接到P0.6端口，可通过STC89C52将其进行配置，可配置为外部中端口。
其他接口接线如图12所示
图12nRF24L01与单片机连接电路图
2.3.5报警电路的设计
报警电路由蜂鸣器和8550三极管组成，8550用来驱动蜂鸣器，当单片机I/O口输出低电平时，蜂鸣器发出报警声。
当单片机I/O口输出高电平时，三极管截止，蜂鸣器不工作。
本次报警电路如图13所示
图13报警电路原理图
2.5电源模块电路
本系统无论是单片机还是各模块，正常工作电压都是5V，由于直接接入不经过滤波的交流电对各模块的数据采集都有影响，所以需要一个直流5V电源，设计原理图如图14所示，由桥式整流电路D1～D4，滤波电容C8、C10，防止自激电容C9和一只三端稳压管LM7805简捷搭建而成。
图14电源电路图
3系统软件的设计
3.1主程序流程的设计
主程序初始化后，各模块开始工作，气体传感模块开始对气体采集，温湿度及气压模块也开始监控周围环境，并将数据发给接收模块，在LCD上显示处理的数据，并将数据与上限值对比并作出判断，若超过上限值则蜂鸣器报警，主程序流程图如图15所示。
图15主程序流程图
3.2关键子程序流程设计
检测气体的子程序流程图16所示，当被检测的气体浓度值大于上限值时报警，否则返回继续检测。
图16气体检测子程序流程图
温湿度检测子程序流程图如图17所示，当检测的环境温湿度超过设定时系统报警，否则返回继续检测。
图17温湿度检测子程序流程图
无线发射接收程序流程图如图18所示，在发送和接收系统上分别设置两盏灯来反映发射和接收是否正常，通过观察两盏灯的闪动频率和LCD12864显示的数据来判断发射接收是否正常工作。
图18nRF24l01发射接收流程图
4系统调试
本设计系统调试分为硬件调试和软件调试，其中再分模块进行调试。
4.1硬件调试
硬件电路板制作完成后，对照原理图和PCB图进行焊接和检查，要将元件放置正确，特别是有些元件的管脚一定要放置正确，如三极管，电容正负极和发光二极管正负极等，焊接完成后对电路板进行仔细的检查，看电路板上是否有漏焊、虚焊以及元件各端是否接反，是存在短路或者断路现象。
焊接过程中要注意检查元器件是否完好，有些元件可能购买运送过程或者其他原因就已经损坏，如有损坏的元器件就要更换或者重新购买，焊接时间不宜过长以免损坏元器件，焊接完成后进行上电后检查电路是否完整工作，如存在部分电路不正常工作要及时检查查找原因并处理。
显示电路LCD12864由于I/O较多，放置时一定要管脚一一对应以免烧坏。
4.2软件调试
软件的调试主要是对键盘输入、液晶显示、温湿度、各类检测气体、大气压以及无线发射接收等模块的调试。
采用C语言编程，使用KeiluVision4进行编译。
写程序时在同一个工程内按模块分开写，然后在主函数里调用就行，在编写程序过程中要一部分一部分写好并注释。
这样既可以思路清晰也方便在最后编译有错误时方便查找。
对于调试过程中小部分修改的可以单步运行或断点运行方式，注意将延迟部分的先注释掉方便调试，一步步直到全部程序调试结束。
调试数据如表4所示，将各类气体的初始值设为：
甲烷浓度=400ppm，一氧化碳浓度=400ppm烟雾浓度=400ppm，温度=25℃，湿度=75%，对于达到上限值后系统都进行了报警，符合设计要求。
表4调试数据
被检测项
与上限值比较
是否报警
湿度值
＞75%RH
报警
温度值
＞25℃
报警
一氧化碳浓度
＞400ppm
报警
甲烷浓度
＞400ppm
报警
烟雾浓度
＞400ppm
报警
5结论
本文介绍了基于STC89C52单片机设计的矿井安全监控系统，通过软硬件的结合
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