基于单片机的矿井环境监测系统设计本科论文.docx
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基于单片机的矿井环境监测系统设计本科论文
题目基于单片机的矿井环境监测系统设计
学生姓名学号
所在学院物理与电信工程学院
专业班级电子1203班
指导教师
完成地点物理与电信工程学院实验室
2016年6月5日
毕业论文﹙设计﹚任务书
院（系）物理与电信工程学院专业班级电子学生姓名
一、毕业论文﹙设计﹚题目基于单片机的矿井环境监测系统设计
二、毕业论文﹙设计﹚工作自2016年1月10日起至2016年6月5日止
三、毕业论文﹙设计﹚进行地点:
陕西理工学院
四、毕业论文﹙设计﹚的内容要求：
矿井的内部有害气体众多，对身心都有巨大的影响。
当煤矿井下发生事故时，由于工作环境，人流量都会有极大的影响，还有矿井内的各种危险因素对矿井安全生产和人员及时解救有重要意义。
矿井内部环境比较复杂，监测亦成为一大重要问题。
无线传感器网络是一种效率很高，成本不高的解决手段，但是其通信范围、网络结构和路由算法等问题需要根据矿井的具体结构来进行规划，所以在矿井安全监测方面运用无线传感网络是有优越性的，不但为矿井安全的管理极易人员的救援有极大的帮助，也为矿井安全监测提供有力的手段。
本课题要求利用单片机作为核心控制器件，设计一种基于单片机的矿井环境监测装置，对矿井下温度、湿度、瓦斯浓度等数据的采集，通过无线传感器网络传输并实时显示，具备采集数据超限报警功能。
在仿真电路基础上制作硬件，完成样机的调试。
撰写毕业设计论文。
（应包括方案设计、比较与论证、分析与计算、电路图与相关设计文件以及心得体会等）。
五、毕业论文﹙设计﹚应收集资料及参考文献：
收集传感与检测、单片机编程与控制等方面的专业资料，阅读和学习下列参考文献：
[1]童诗白,华成英.模拟电子技术基础（第四版）[M].北京:
高等教育出版社,2006.
[2]李建忠.单片机原理及应用（第三版）[M].西安:
西安电子科技大学出版社,2013.
[3]谭浩强.C程序设计（第二版）[M].北京:
清华大学出版社,1999.
[4]高文玲.基于无线传感器网络的矿井环境监测系统研究.[J].电子质量.网友世界2012年4月30日
六、毕业论文﹙设计﹚的进度安排：
1月10日——3月20日：
查阅资料，完成外文翻译原文和开题报告。
3月21日——4月20日：
完成系统硬件电路的设计并提交中期检查报告。
4月21日——5月20日：
完成整体设计并调试，准备作品验收。
5月21日——6月15日：
撰写、修改毕业设计论文，准备并完成答辩。
指导教师签名系（教研室）主任签名
专业负责人签名批准日期
基于单片机的矿井环境监测系统设计
（陕西理工学院物理与电信工程学院电子信息工程专业1203班，陕西汉中723000）
指导老师：
[摘要]煤炭是我国的主要能源，保障煤矿的安全生产对我国能源产业有重要意义。
设计了一款以单片机AT89C51为核心的矿井环境监测系统。
该系统主要包括控制模块，信息采集模块，显示模块，无线传输模块以及报警模块。
温湿度传感器和甲烷浓度传感器对矿井下空气质量进行信息采集，无线模块将采集到的信息传递到控制中心，单片机对数据进行处理判断，通过显示模块和报警模块实现对矿井下环境的实时监测。
该设计实现了矿井环境的实时监测与无线传输。
系统具有性能稳定，价格低廉，易于操作，适用性强的特点。
[关键词]矿井监测；单片机；报警；无线传输
DesignofMineEnvironmental
MonitoringsystemBasedonMCU
（Class1203,MajorElectronicsandInformationEngineering，CollegeofPhysicsandTelecomEngineering，ShaanxiUniversityofTechnology，Hanzhong723000，Shaanxi）
Tutor:
Abstract:
CoalisthemainenergyinChina.ItisimportantforChineseenergyindustrytoensurethesafeproductionofcoalmine.AsystembasedonMCUofAT89C51isdesignedtomonitorEnvironmentalParametersofMine.The system includes control module,informationcollectionmodule,displaymodule,wirelesstransmissionmoduleandalarmmodule.Temperatureandhumiditysensorsandmethaneconcentrationsensorcollectairqualityinformationofmine.Wirelessmodulesendstheinformationtothecontrolcenter.TheMCUprocessesthedata.Therealtimemonitoringofundergroundenvironmentofmineisrealizedbydisplaymoduleandalarmmodule.Thedesignrealizedthereal-timedetectionandwirelesstransmissionofmineenvironment.Andthesystemhasthecharacteristicsofstableperformance,lowprice,easyoperationandstrongapplicability.
Keywords:
minemonitoring；MCU；alarm；wirelesstransmission
1.绪论
1.1研究背景与发展现状
我国是世界上煤炭产量最高的国家。
煤炭是我国使用的主要能源，每年煤炭占全年能源的使用量七成以上。
我国煤炭资源丰富，而石油，天然气等资源匮乏的资源特点导致了煤炭将在未来的长时间内是我国最主要的能源来源[1]。
近几年以来煤矿事故屡见不鲜，事故率仍不容乐观，保障煤矿安全生产对我过煤矿生产事业具有迫切需求。
影响煤矿安全生产的因素复杂繁多，包含瓦斯爆炸、透水事故、顶板事故等[2]。
而瓦斯浓度过高导致的爆炸事故危害最为严重。
降低矿难的发生率就是提高了煤炭的生产效率[3]。
瓦斯是多种易燃易爆气体的总称，其主要成分是甲烷，它是在成煤过程中形成并大量贮存于煤层中的气体，浓度过高时会导致人缺氧、呼吸困难、窒息等。
当它与空气混合的百分比达到3.5%到16%时，遇到明火就会发生爆炸，给国家和人民的生命财产造成巨大的损失[4]。
所以，对瓦斯的浓度进行实时的检测和报警以及对其采取相应的控制措施在煤矿系统中有着非常现实的意义。
我国瓦斯监测监控技术的研究工作起步较晚，国内第一台催化原理的瓦斯报警器是1958年出现，采用铂丝元件位传感器。
1961年，由北京劳动保护研究所和和抚顺煤矿安全仪器厂协作开展了研究工作，于1964年研制出我国第一个达到实用水平的载体催化元件，接着制成了以这种元件位传感器的AQR-1型瓦斯测量仪。
随着电子计算机技术的应用，一套监测系统除了能检测出甲烷的浓度外，还可测一氧化碳、氢气的浓度，同时又可以对井下设备的工作状态进行监控。
当前我国矿井正在运行的瓦斯监控系统主要有三类：
一是20世纪80年代初，从英、法、美、波兰等国家引进的一批安全监控系统，并通过消化和吸收研制出适用于我国煤矿实际情况的监控系统，由于当时技术水平低和维护跟不上等原因系统已面临更新改造的机遇；二是20世纪90年代后期，国内各主要科研单位和生产厂家又相继推出了MSNM、WEBGIS、KJF2000等监控系统，但是整个系统的信息传输速率最高只能达到5000bps；三是21世纪以来，各个瓦斯监控系统生产厂家都在原有基础上推出了升级系统[5]。
因此，根据我国的煤矿生产和管理模式，依照我国的有关技术标准，其技术的先进性、产品的可靠性和实用性则是本项目的关键所在，而且基于单片机的矿井瓦斯监测系统的研究和开发生产具有十分广泛的现实市场和潜在的市场需求。
由于我国检测技术应用较晚，所以我国当前对瓦斯的检测设备还存在很多的问题，例如，检测设备的寿命周期短，易受矿井不良坏境的影响并且会导致检测设备的工作性能不稳定、检测结果不准确，容易出现误报警等现象，维护周期短且费用高[5]。
而单片机具有体积小，运行块、稳定、低廉等特点，所以基于单片机的矿井瓦斯检测系统设计是势在必行的。
1.2研究主要内容
利用单片机AT89C51作为核心控制器件，设计一种基于单片机的矿井环境监测系统，实现矿井环境的实时监测与报警，及时有效的反映矿井下环境指标，保障安全生产。
要求通过对矿井下温度、湿度和瓦斯浓度进行信息采集，当各项指标低于或高出设定的安全值时，单片机将发出报警信号并指示报警的指标。
安全值可以人为调整。
在此基础上，该设计系统还需要满足在矿井下复杂环境中仍能保持有效及时监测的能力。
2.方案选择
2.1总体方案论述
矿井环境监测系统利用单片机AT89C51作为信息处理器和核心控制器件。
系统利用温湿度传感器和瓦浓度传感器将采集到的矿井温湿度和瓦斯浓度经过处理传递给单片机，单片机将得到的信息发送到地面控制中心进行处理，判断是否超限，达到报警限度时单片机将发出指令进行声音和灯光报警，未达到限度时屏幕实时显示温湿度和瓦斯浓度。
总体的系统结构图如图2.1所示。
2.2方案一的论述
2.2.1方案一的设计结构图
系统由数据采集模块、A/D转换模块、显示模块、报警模块和无线模块组成。
单片机：
STC89C52RC；
采集模块：
温湿度传感器DHT11、甲烷浓度传感器MQ-4；
A/D转换模块：
ADC0809；
显示模块：
LCD1602；
无线模块：
NRF2401。
方案一的系统设计结构图如图2.2所示。
图2.2方案一设计结构图
2.2.2方案一的设计方法
设计系统主要分为两大部分。
矿井下，温湿度传感器和甲烷浓度传感器进行数据采集，之后将采集到的数据通过模数转换电路并送入单片机（监测系统）中进行处理，在矿井下显示实时监测的结果，并将处理后的数据通过无线发射装置发送至地面的控制中心。
地面控制中心通过无线接收装置收到处理后的实时监测数据。
通过控制系统实时显示矿井下各项数据指标之外，还将数据与设定的安全值进行比较，超出或者低于安全值范围，报警模块发出相应的声光报警。
信息采集模块主要采集温度、湿度以及甲烷浓度三个指标，分别通过DHT11温湿度传感器、MQ-4甲烷浓度传感器实现。
温湿度传感器DHT11采集到矿井下空气温湿度，向单片机输出一组数字信号，经单片机处理。
MQ-4通过对甲烷等气体的浓度感应输出模拟信号，经模数转换芯片转换成8位数字信号输入单片机。
单片机将采集到的信号还原摄氏温度、相对湿度以及甲烷体积浓度，通过LCD1602显示屏进行显示，同时通过无线射频芯片NRF2401发送和接收数据。
2.2.3方案一的优缺点
方案一的设计思路具有廉价、易于实现的优点。
传感器DHT11、MQ-4，显示屏LCD1602以及无线模NRF2401都是市面上常见而且价格低廉的器件。
缺点在于传感器精度不高，显示屏显示空间有限，无线传输距离较短。
2.3方案二的论述
2.3.1方案二的设计结构图
系统由数据采集模块、模拟/数字转换模块、显示模块、报警模块、无线模块以及无线中继模块组成。
单片机：
STC89C52RC；
采集模块：
温湿度传感器DHT21（又名AMS2301）、甲烷浓度传感器MQ-4；
A/D转换模块：
ADC0809；
显示模块：
OLED；
无线模块：
NRF905；
无线中继模块：
NRF905。
方案二的设计结构图如图2.3所示。
图2.3方案二设计结构图
2.3.2方案二的设计方法
设计系统主要分为三大部分。
矿井下，与方案一类似。
单片机（监测系统）中进行处理，在矿井下显示实时监测的结果，并将处理后的数据通过无线发射装置发送至中继系统。
根据矿井下环境复杂程度，设置N个中继器用来接继无线信号，直至发送到地面控制中心。
各器件的工作方式同方案一。
温湿度传感器改采用DHT11的升级芯片DHT21；显示模块使用OLED屏幕；无线模块改使用NRF905芯片。
2.3.3方案二的优缺点
方案二针对方案一的缺点进行了改进。
方案二的设计思路对于温湿度的采集精度更高，在显示模块显示空间更大，并且无线传输距离大大增长。
增加的中继系统更加符合复杂矿井环境下的无线传输要求。
方案二相比方案一，制造成本高。
2.4方案的选择
将方案一与方案二进行如下对比。
方案二比方案一更加精确和适用。
在无线模块的选择上。
NRF2401更适应于室内短距离传输。
905系列具有NRF905B、NRF905SE、NRF905RD、RFC-30系列等模块，可以达到最低100米，最远3000米的直线可视传输距离。
因此选用方案二来实现本系统的设计。
这里选用NRF905芯片进行无线传输，根据不同的复杂矿井环境，可以选择不同的905模块。
该系统目前以NRF905SE模块进行设计，可以达到300米的直线可视距离。
下表2.1为两种方案的比较。
表2.1两种方案的详细比较
对比项目
方案一
方案二
温度
DHT11精确度1℃；有效量程0~50℃
DHT21精确度0.1℃；有效量程-40~80℃
湿度
DHT11精确度1RH%
DHT21精确度0.1RH%
甲烷浓度
MQ-4经ADC0809转换成8位数字信号，精确度40ppm；有效量程0~10000ppm
显示屏
LCD1602显示2行16列；需要11个I/O口
OLED显示4行；需要4个I/O口
无线传输
NRF2401工作在2.4Ghz，1Mkbps，短距传输
NRF905工作在433Mhz，50kbps，传输距离长
中继器
无
延长传输距离
器件成本
以上传感器各取一件和20元左右
以上传感器各取一件和65元左右
3.系统软件设计
程序分为三主体：
监测系统、中继系统、控制系统。
监测系统由OLED显示程序，DHT21温湿度读取程序，A/D转换程序，NRF905无线发送程序以及主程序组成。
中继系统由OLED显示程序，NRF905接收和发送程序以及主程序组成。
控制系统由OLED显示程序，NRF905接收程序，报警程序，键盘控制程序以及主程序组成。
3.1系统流程分析
单片机通过主程序的逻辑顺序调用各个其他程序。
首先，单片机进行初始化。
各系统中OLED模块、A/D转换模块，NRF905模块完成初始化。
之后，DHT21采集温湿度信号，MQ-4输出模拟信号经由ADC0809转换输入单片机，OLED将单片机处理后的温湿度和甲烷浓度进行显示。
由无线模块发送到中继系统再发送到控制系统，由控制系统单片机进行处理，若超出限额则启动声光报警，若未超出限额则返回等待无线模块接收新的数据，重新进行比较。
监控系统主程序解析：
voidmain（）
{
LCD_Init（）;//OLED初始化
init（）;//ADC0809初始化，其中包括开中断和定时器
LCD_P8x16Str（10,0,"Beingwarmup"）;//显示“正在预热”
delayqidong（600）;//MQ-4需要30秒预热，其中包括预热读秒的显示程序
LCD_CLS（）;//OLED清屏
CSH905（）;//这里是对905进行了配置
Peizhi905（）;//单片机对905的配置寄存器进行配置
SetTxMode（）;
LCD_P8x16Str（98,0,"N"）;//在屏幕上显示尚未发送标志
while
（1）//无限循环
{
RH（）;//从DHT21读取温湿度数据并处理
AD（）;//从ADC0809读取模数转换后的甲烷浓度
SetTxMode（）;
TxPacket（）;//通过905发送数据
TxBuf[0]=DHT2shishu;//发送五组数组：
分别为温度整数部分
TxBuf[1]=DHT2xiaoshu;//温度小数部分
TxBuf[2]=DHT1shishu;//湿度整数部分
TxBuf[3]=DHT1xiaoshu;//湿度小数部分
TxBuf[4]=AD_DATA[0];//未经过处理的甲烷数字信号
Delay905（500）;//延时函数等待发送完毕
LCD_P8x16Str（98,0,"S"）;//在屏幕上显示发送成功标志
display（）;//OLED显示程序
}
}
中继系统主程序解析：
voidmain（）
{
LCD_Init（）;//OLED初始化
CSH905（）;//这里是对905进行了配置
Peizhi905（）;//单片机对905的配置寄存器进行配置
SetTxMode（）;
LCD_P8x16Str（98,0,"N"）;//在屏幕上显示尚未发送标志
while
（1）//无限循环
{
SetTxMode（）;
TxPacket（）;//通过905发送数据
TxBuf[0]=RxBuf[0];//将接收到的五组数据发送出去
TxBuf[1]=RxBuf[1];
TxBuf[2]=RxBuf[2];
TxBuf[3]=RxBuf[3];
TxBuf[4]=RxBuf[4];
Delay905（500）;//延时函数等待发送完毕
LCD_P8x16Str（98,0,"S"）;//在屏幕上显示发送成功标志
SetRxMode（）;/
if（DR）//如果DR管脚收到高电平，说明发射完毕
RxPacket（）;//905开始接收数据
display（）;//OLED显示程序
}
}
中继系统主程序解析：
voidmain（）
{
LCD_Init（）;//OLED初始化
CSH905（）;//这里是对905进行了配置
Peizhi905（）;//单片机对905的配置寄存器进行配置
while
（1）//无限循环
{
SetRxMode（）;
if（DR）//如果DR管脚收到高电平，说明发射完毕
RxPacket（）;//905开始接收数据
display（）;//OLED显示程序
beep_LED（）;//声光报警程序
}
}
3.2温湿度采集及处理函数
温湿度采集模块使用传感器DHT21。
这是一款通过对空气中温湿度采样并输出数字信号的传感器。
DHT21模块具有三个管脚，分别接5V直流电源，接地以及数据输出口。
数据输出口采用单总线数据格式与单片机进行通讯。
通过输出四十位的高低电平信号来传输温湿度数据，每一位响应时间在80-100微秒左右。
数据格式：
40bit数据=16bit湿度数据+16bit温度数据+8bit校验码
温湿度数据分高8位数据和低8位数据组成。
校验码是前32位数据之和。
单片机将DHT21总线拉低500us并拉高后，DHT21会立即响应。
下图为单片机向DHT21发送开始信号，DHT21响应的工作过程。
图3.2DHT21响应单片机开始信号的工作过程
对应程序解析：
voidRH（void）//定义读取温湿度函数
{
DHT=0;//单片机拉低，对应上图“主机拉低500us”
Delay905（5）;//保持拉低状态，这里采用模糊延时，不一定需要精准
DHT=1;//拉高主线
yanshijingque_10us（）;//以下为保持拉高状态。
这里需要精确延时
yanshijingque_10us（）;
yanshijingque_10us（）;
yanshijingque_10us（）;
DHT=1;
if（!
DHT）//判断DHT21是否响应，对应上图“DHT21响应信号80us”
{
U8FLAG=2;
while（（!
DHT）&&U8FLAG++）;//等待响应
U8FLAG=2;
while（（DHT）&&U8FLAG++）;//等待响应
COM（）;//运行数据接收函数
Shidu_gao=U8comdata;//读出湿度高8位
COM（）;
Shidu_di=U8comdata;//读出湿度低8位
COM（）;
wendu_gao=U8comdata;//读出温度高8位
COM（）;
wendu_dip=U8comdata;//读出温度低8位
COM（）;
Xiaoyanma=U8comdata;//读出8为校验码
DHT=1;
Xiaoyanma=（Shidu_gao+Shidu_di+wendu_gao+wendu_di）;//校验
if（U8temp==U8checkdata_temp）//核对校验码
if
（1）
{
DHT1shishu=Wendu_gao;//导出湿度，方便后面显示模块调用
DHT1xiaoshu=Wendu_di;
U8T_data_H=Wendu_gao;
Wendu_di=Wendu_di;
DHTData2=wendu_gao;
DHTData2<<=8;
DHTData2|=Wendu_di;//获得完整的温度
if（DHTData2&0x8000）//判断温度是否为负值
{
flagtemp=1;
DHTData2&=0x7FFF;
}
DHT2shishu=DHTData2/10;//导出温度，方便后面显示模块调用
DHT2xiaoshu=DHTData2%10;
U8checkdata=U8checkdata_temp;
}
}
}
DHT21开始传输数据后，梅1bit数据都是由一个低电平间隙和一个高电平组成。
共40bit数据，当最后1bit传输完毕时，单总线将被再次拉低50us，随后释放被拉高。
对应程序解析：
voidCOM（void）//定义数据接收函数
{
unsignedchari;
for（i=0;i<8;i++）//循环八次，接收一组数据
{
U8FLAG=2;
while（（!
DHT）&&U8FLAG++）;//等待低电平间隙，对应上图“1bit开始”
Delay_10us（）;//等到30us，这里需要精确延时
Delay_10us（）;
Delay_10us（）;
U8temp=0;//等待30us后我们预设值为0
if（DHT）U8temp=1;//如果依然为高电平，可以确定数据值为1
U8FLAG=2
升级会员 