本項目由吉林建筑大學何冬雪、岳俊華開發設計完成，該基于單片機的瓦斯監測控制系統，其硬件主要由 STM32 單片機、甲烷氣體傳感器、溫濕度傳感器、Wi-Fi 模塊、蜂鳴器報警電路模塊、控制電路及顯示電路模塊等組成。 系統以單片機為核心，能夠實時檢測到煤礦中的有毒氣體，當有害氣體的濃度超標時，蜂鳴器會發生聲音進行報警提醒工作人員撤離，并開啟繼電器控制風扇排氣，增加空氣流通；還結合溫濕度傳感器采集煤礦的環境，實現煤礦數據的采集與設定閾值對比后，并通過蜂鳴器報警。同時結合 Wi-Fi 模塊實現機智云電腦端頁面顯示和控制，最后還能夠通過有機發光二極管顯示屏顯示。

01

引 言

隨著科技的日益進步，人們對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生，對人們的生命安全和經濟財產造成了巨大損失。近年來，隨著電子技術、計算機軟硬件技術的快速發展，中國的一些研究機構和廠家推出了各種各樣的監控系統，紛紛加大了對煤礦安全生產監控系統研究、開發投入，煤礦安全監測監控系統的先進性、穩定性、可靠性也在逐步提升，在煤礦安全生產過程中發揮不可忽視的重要作用。

針對上述情況，本文設計出這一款基于 STM32 單片機煤礦瓦斯監測控制管理系統，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、報警電路、繼電器控制電路及顯示電路。 STM32 單片機作為核心，具有監測煤礦礦井溫濕度、瓦斯濃度參數的功能，并具有瓦斯濃度超限報警功能；具有自動強制通風功能：采集數據可通過液晶屏顯示。監控數據和告警信息可以通過 Wi-Fi 模塊傳輸到遠程機智云云端。

02

系統方案設計

2.1 設計思路
本次設計的主要核心是機智云平臺對煤礦瓦斯安全環境的監控，使用移植機智云 GAgent 的 Wi-Fi / GPRS 模組建立橋梁，使煤礦瓦斯監測系統采集的數據與機智云互聯互通。煤礦瓦斯監測系統與機智云數據交互圖如圖1所示。

圖1 數據交互圖2.2總體方案設計

煤礦瓦斯安全監測系統涉及的主要硬件設備有單片機最小系統控制電路、瓦斯氣體采集模塊、溫濕度傳感器采集模塊、蜂鳴器報警模塊、有機發光二極管 顯示模塊、繼電器自動化控制模塊和 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測系統，主要功能實現如下：

運用有毒氣體傳感器，檢測煤礦有害氣體濃度（比如瓦斯、一氧化碳等）是否超標,當檢測到有毒氣體超標，開啟排風口排有毒氣體，同時開啟蜂鳴器警報報警，開啟工作人員安全撤離，保障工作人員的安全。

運用溫濕度傳感器，采集當前煤礦環境的溫濕度值。當溫濕度值超過設定的閾值時，開啟風扇散熱排濕，實現煤礦工作環境的穩定。

運用光敏傳感器，采集煤礦工作的光強環境。

OLED 液晶屏幕顯示煤礦環境溫濕度值、瓦斯濃度值。

• 手機 App 機智云頁面的監控。采用 Wi-Fi 模塊，實現數據無線傳輸在手機 App 端顯示監控以及控制。手機 App 端可以顯示采集的數據,還可以控制瓦斯濃度報警閥值，系統方框圖如圖 2 所示。

圖2 系統方框圖

03

系統軟硬件設計

3.1硬件電路設計1）單片機最小系統介紹

單片機最小系統一般由下載電路、電源電路、復位電路、晶振電路和單片機芯片組成,也是系統能夠實現運轉的最小電路原理圖。可以說,每個項目設計的每一個系統都離不開這幾個電路的支撐，其外設各種功能都是在此基礎上開發。

晶振電路

本設計采用的是外接晶振電路：本晶振電路有兩個電容和一個晶振源組成，兩個無極電容的主要作用是消除晶振源產生干擾電感的阻抗。晶體振蕩器在系統電路中主要起著產生振蕩頻率的作用，可以說所有的系統電路都離不開時序的頻率驅動，這是一種有序的時序邏輯電路，比喻為單片機的心臟也不為過，起著至關重要的作用，而晶振的頻率主要采用 12 M，可以根據單片機需求進行鎖相環分頻，至高能達到 72 MHz。

復位電路

剛開始系統上電時給電容充電，此時的電阻和電容之間會形成高電壓，所以單片機的RST 復位引腳是高電平，當按鍵 S2 被按下后,此時的電阻和電容之間會形成低電壓,單片機復位引腳 RST 是低電平狀態，處于這個狀態超過兩個機器周期，單片機就會進行程序初始化(復位)。

2）甲烷氣體傳感器電路

甲烷、一氧化碳等有毒氣體檢測電路是整個系統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、穩定性好、電路結構簡單的優點，所以常用于家庭、工廠和公共場所的氣體安全檢測。而且 MQ-5 不僅能檢測甲烷，還能檢測氫氣、苯、天然氣等氣體的探測。所以相對準確地說，MQ-5 是個多種氣體檢測傳感器。

3）溫濕度傳感器電路

本次設計采用 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量溫度和濕度的復合型元器件，也是一種能夠自行校準數字信號并且串行輸出的傳感器。其中濕度能夠檢測的范圍 20% ~ 90% RH，溫度為 0 ~ 50 ℃ ，濕度的精確度在 ±5% RH，誤差較大點，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 PB12 的電阻主要起到限流的保護作用，工作原理是只要單片機 PB12 端口輸出低電平至三極管基極，集電極與發射極超過0. 7 V 的導通電壓，三極管被導通,有較大的電流經過三極管，蜂鳴器機會進行報警，此處用于煤礦有毒氣體超標時和溫濕度值過大時就會進行警報。

5）顯示模塊電路

屏幕的電路設計采用的是一種 IIC 接口，該類型接口連接單片機的接口只需要 4 根腳連接，SCL 是時鐘接口, VCC 接電源，SDA 是數據接口，GND 接地。簡而言之，兩根數據線就可顯示內容。IIC 是一種通信接口協議，通信協議中有起始信號、終止信號、應答和非應答四個信號。

6）繼電器控制電路

因為單片機的 I / O 口驅動能力有限，所以需要加裝一個繼電器模塊以小電流控制大電流進行驅動。由于本次設計需要用到風扇散熱、有毒氣體排氣、排濕自動控制系統的應用，所以需要1 個繼電器模塊接口。

繼電器模塊工作原理簡介：

PC1 當輸入高電平時，三極管Q2 處于飽和導通，繼電器線圈通電，觸點吸合。

PC1 當輸入低電平時，三極管Q2 處于截止，繼電器線圈斷電，觸點斷開。

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傳輸方式來設定瓦斯報警濃度的閾值，Wi-Fi 控制的特點是成本較低，傳輸速度快，穩定性強，集成度高，操作也簡單，用串口進行無線網絡模式的數據傳輸即可。所以此次設計中采用 ESP8266 Wi-Fi 連接系統，確保能夠與機智云平臺進行通信，可以進行遠程的一個相關控制。即對瓦斯有毒氣體進行一個遠程的監控（機智云監控）。3.2 軟件程序設計

本設計采用的是 Keil5 軟件，目前最主流編程軟件。功能強大：提供了 C 語言編譯器、連接器、宏匯編、庫函數管理功能，還能在線調試和仿真。

1）主控制程序設計

系統上電后，進入主程序之前循環之前，需要先對各個模塊的程序進行初始化，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，重新初始化可以復位系統電路，并獲取傳感器初始化狀態。初始化完成后，主程序會對 MQ-5 有毒氣體傳感器實時采集有毒氣體、DHT11 溫濕度傳感器采集溫濕度、 OLED 屏幕實時更新顯示等，將獲取的數據經過單片機的對比后，作出相應的緊急判斷，最后通過 Wi-Fi 上傳數據，實現手機 App 端機智云的監控，從而實現煤礦瓦斯安全監測等自動化操作。系統主程序流程圖如圖3 所示。

圖3 系統主程序流程圖

2）電子電路設計

本設計的硬件制作原理圖主要使用 Altium Designer這款軟件進行制作。此款軟件可以漢化支持中文顯示，使用比較的方便,功能強大齊全，設計上比較的簡單，對電子電路開發有著一整套的電路開發系統，適宜電子愛好者的設計與開發，在網上學習資料也比較的齊全。

以下是設計操作的幾個主要步驟：

步驟一：打開軟件運行后創建文件。新工程需要選創建工程文件，然后保存命名為“ 單片機的煤礦瓦斯監測控制管理系統的設計與研究”。

步驟二：在工程項目中創建原理圖，對一些需要用到的元器件進行庫增加，在庫元件中找到自己設計所需要的元器件推拽出來，然后對元器件進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測控制管理系統。電路原理圖如圖 4 所示。

圖4 電路原理圖

3.3 數據自動采集與監測機智云是一個致力于物聯網和云服務的開發平臺。機智云云平臺主要專注于物聯網硬件上的智能云服務和解決方案，是行業的長期努力，是對傳統物聯網行業的深刻改造，為個人和企業開發者提供一站式智能硬件開發和云服務平臺。該平臺提供從定義的產品、設備端開發和調試、應用程序開發、生產測試、云開發、運營管理和數據服務訪問到運營管理的智能硬件訪問，以實現服務的全生命周期。機智云平臺為開發人員提供自助的智能硬件開發工具和開放的云服務。通過簡單的自助工具，完善的 SDK 和API 服務功能，最大限度地降低物聯網硬件開發的技術門檻，降低開發人員的成本，提高開發人員的產品生產速度，智能升級開發人員，更好地連接和服務最終消費者。

本設計中借助機智云平臺，通過 Wi-Fi 模塊實現數據傳輸，實現對瓦斯氣體采集并上傳至機智云的功能，本設計機智云設備訪問的基本過程如圖 5 所示。

圖5 機智云設備訪問圖

開發順序步驟如下：

步驟一：注冊并登錄機智云開發者賬號。在使用機智云物聯網云平臺服務之前，需要先注冊一個開發者賬號。

步驟二：創建產品。在開發者中心點擊“創建新產品” 后輸入產品名稱以及選擇對應設備接入方案即可完成“新產品”的創建。 * 點擊“創建新產品”；

* 輸入產品名稱與選擇設備接入方案；

* 創建數據點，點擊“ 新建數據點”，添加開關機數據點；

* 下載云端自動生成的協議。

步驟三：設備與應用開發。在設備端訪問設計中，把單片機設備采集的信息通過編寫智能云連接協議 GAgent 的網絡模塊，即可通過智能云平臺 Wi-Fi 模塊無線通信實現設備組網和智能。通過 Wi-Fi 模塊連接到智能云平臺，實現 App 通過云控制智能設備。步驟四：調試產品。產品開發完成后，單片機系統數據在調試過程中，開發和調試設備將連接到 Wisdom Cloud Sandbox 服務器( 測試服務器)，將采集的電壓值進行顯示在對應的界面，并且可以進行控制充電開啟以及關閉。

05

總 結

本文設計的基于單片機的煤礦瓦斯監測控制管理系統，以單片機為核心，通過傳感器將井下瓦斯濃度傳給單片機，單片機經過處理，判斷瓦斯濃度是否超標。當有害氣體濃度超標時，會發出聲光報警，開啟繼電器控制風扇進行空氣濃度調節，直至濃度降到設定值以下。 通過 Wi-Fi 模塊傳輸到機智云端，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生，保證井下工作人員的安全。