基于虚拟仪器技术的煤矿安全监控系统.docx
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基于虚拟仪器技术的煤矿安全监控系统
前沿
目前，煤炭是世界上组要的三大能源之一，而我国又是一个产煤大国，但也是一个煤矿事故多发的国家。
近年来，又有我国大力发展经济，对能源的消耗也越来越大，采矿规模也在不断可扩大，从近几年看煤矿事故也呈现上涨的趋势。
煤矿中，时常发生煤矿安全事故，这是由于煤矿作用主要在矿下施工，矿井下环境十分的复杂，瓦斯爆炸又是引发矿难最主要的原因之一，所以煤矿监控系统显得尤为重要，通常要检测瓦斯浓度、粉尘浓度、风速、空气温度和湿度等参数，才能确保矿井工作环境的安全。
所以煤矿监控系统是煤矿监控系统是保证煤矿高效、高产、安全生产的重要保证。
虚拟仪器的煤矿监控系统是由大量传感器节点组合起来，通过串口线与上位机进行数据传输与控制，数据结果显示在虚拟仪器中，监控中心通过虚拟仪器控制矿井中的传感器节点执行相应的动作，也能根据采集到的参数实现自动控制。
传感器节点也能移动和添加，组网成本较低，所以虚拟仪器的煤矿监控系统是解决煤矿瓦斯全方位、实时监控可行方案。
本煤矿监控系统的硬件设计主要包括：
电机控制电路，瓦斯传感器电路设计，气压传感器，温度传感器电路设计，湿度和风速传感器电路设计，彩屏显示电路和无线模块。
软件部分包括对LabVIEW图像程序、温度、湿度、瓦斯、风速、气压、一氧化碳、参数的采集和显示。
本设计实现煤矿井下瓦斯、温度和湿度等环境信息的采集、传输、显示、和控制，完成传感器网络在煤矿安全生产中的应用，达到煤矿环境监控的目的，具有创兴性和实用性，对传感器网络在工业中的应用有重要的意义。
第一章系统总体设计
单片机系统到上位机系统的框图如图1.1所示：
图1.1LabVIEW接收框图
上位机系统到单片机系统的框图如图1.2所示：
图1.2LabVIEW发送框图
第二章传感器硬件设计
2.1温度传感器—DS18B20
DS18B20是美国DALLAS半导体公司推出的第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，它具有微型化，低功耗，高性能，抗干扰能力强，易配微处理器等优点，可直接将温度转化为串行数字信号供微处理器。
特性：
适应电压范围宽，电压范围在3.0~5.5V，。
独特的单线接口方式，仅需要一条口线即可实现与微处理器的双向通信。
多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。
在使用中不需要任何外围元件，全部传感器元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。
测温范围-55℃~+125℃，在-10℃~+85℃时精度为±0.5℃。
可编程分辨率为9~12位，可实现高精度测温。
DS18B20的引脚图和俯视图如图2.1所示：
图2.1DS18B20引脚图和俯视图
DS18B20外围电路如图2.2所示：
图2.2DS18B20电路
2.2湿度传感器—湿敏电容HS1101
HS1101外形如图2.3所示
图2.3HS1101湿敏电容
湿敏电容HS1101是基于独特工艺设计的电容元件，这些相对湿度传感器可以大批量生产。
可以应用于办公室自动化，车厢内空气质量控制，家电，工业控制系统等。
它有以下几个显著的特点：
全互换性，在标准环境下不需校正,长时间饱和下快速脱湿,可以自动化焊接，包括波峰或水浸,高可靠性与长时间稳定性,专利的固态聚合物结构,可用于线性电压或频率输出回路
相对湿度在0%～100%RH范围内；电容量由162pF变到200pF,其误差不大于
2%RH；响应时间小于5s；温度系统为0.04pF/℃。
可见其精度是较高的。
其湿度－电容响应曲线如图2.4所示
图2.4HS1101湿度－电容响应曲线
HS1101电容传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。
涉及如何将电容的变化量准确地转变为计算机易于接受的信号时，常用两种方法:
一是将HS1101置于运放与阻容组成的桥式振荡电路中，所产生的正弦波电压信号经整流、直流放大、再A/D转换为数字信号;另一种是将HS1101置于555振荡电路中，将电容值的变化转为与之呈反比的电压频率信号，可直接被计算机所采集，在这里，我们选择后一种。
其555振荡电路的湿度测量电路如图2.5所示：
图2.5HS1101和555组成多谐振荡电路
2.3CO传感器—MQ-7
其外形和尺寸如图2.6所示
图2.6MQ-7外形尺寸图
其应用电路如图2.7所示
图2.7MQ-7应用电路
其对CO的响应曲线如图2.8所示
图2.8MQ-7对CO响应图
2.4瓦斯传感器—KGS-20
KGS-20瓦斯传感器是以二氧化锡为基本敏感材料的，专门用于检测可燃性气体的半导体型传感器。
它的基本特征是：
极高的灵敏度和极快的反应速度且功耗低。
KGS-20常用于对瓦斯等可燃性气体浓度的检测，传感器的内部电路和应用电路如图2.9所示：
图2.9KGS-20应用电路
2.5风速传感器—热敏电阻NTC10D-15
热敏电阻加一稳定直流电流，额定值为Ic，使热敏电阻通电发热，温度上升。
由于负温度系数的作用，其阻值不断下降。
温度t上升到一定值时，再当热敏电阻表面散热与本身发热达到一热平衡态时，温度t将趋于稳定，同时热敏电阻的阻值Rt也趋于一稳定值。
此时测得热敏电阻两端电压值也达到一个稳定值即Uc，这就是热敏电阻工作平衡态时的状况，也即风速为0时的状况。
若当热敏电阻周围空气介质的流速不为0时，流体介质将带走热敏电阻表面的热量，使热敏电阻本身的温度下降，阻值上升；并且在恒定的风速作用下，又趋于一个新的平衡点，对于不同的风速处于不同的热平衡状态的热敏电阻，其阻值基本恒定，此时热敏电阻消耗的功率等于该风速下传递给周围空气的热量。
风速的变化与热敏电阻的阻值Rt变化相关，同时热敏电阻的工作温度t的变化也与Rt变化相关．因此，将热敏电阻接人一个平衡电桥的桥臂，当风速为0时，桥路保持平衡，输出为0。
但随着风速的变化，即可将热敏电阻相应阻值的变化转换为电桥在不平衡时的输出电压．因此，只需找出不平衡电桥输出电压与风速之间的对应关系，便可设计成风速计。
其应用电路如图2.10所示
图2.10热敏电阻侧风速电路
为提供给热敏电阻恒流，采用镜象电源为恒流源，由每两只10型片状热敏电阻（R5=10欧姆）串联为一臂，构成温度补偿和测量风速两个相应的桥臂。
采用两只串联的热敏电阻可提高灵敏度，选择对应桥臂为同型号的热敏电阻可消除环境温度变化产生的影响。
通过调整电位器R7和R8，可使对应桥臂阻值相等，使每两只串联热敏电阻构成的对应桥臂流过Ic和Ic’，且Ic=Ic'通电流热敏电阻加热升温达到平衡点后，即达到电压稳定值Uc时，测得AB之间的电位差就可。
2.6气压传感器—BMP085
BMP085是一款高精度、超低能耗的压力传感器，可以应用在移动设备中。
它的性能卓越，BMP085采用强大的8-pin陶瓷无引线芯片承载（LCC）超薄封装，可以通过I2C总线直接与各种微处理器相连。
主要特点:
压力范围：
11000-30hPa（海拔-500米-9000米）
电源电压：
1.8V-3.6V（VDDA）1.62V-3.6V（VDDD）
低功耗：
5μA在标准模式
高精度：
低功耗模式下，分辨率为0.06hPa（0.5米）高线性模式下，分辨率为0.03hPa（0.25米）
反应时间：
7.5ms
待机电流：
0.1μA无需外部时钟
bmp085气压传感器采用I2C接口，可直接与各种微处理器相连进行数据传输。
电路简单，主要是微处理器I2C协议程序的编写。
其电路如图2.10所示：
图2.10BMP085应用电路
第三章ATmega32外围硬件电路设计
3.1ATmega32介绍
单片机我们采用ATMEL公司的ATmega32，它是高性能、低功耗8位AVR微处理器，最高工作频率16MHz，其速度理论上是普通51单片机16倍左右。
自带异步通信接口、同步串行I2C和同步串行SPI接口，而不需要用软件I/O来模拟时序。
其内部自带8路十位AD，有6种睡眠模式，其中一种就是AD噪声抑制。
其DIP封装的引脚如图3.1所示：
图3.1ATmega32引脚图
3.2ILI9325彩屏介绍
LCD我们采用ILI9325的2.8寸彩屏，其显示效果良好，显示字数多，其引脚如图3.2所示：
图3.2ILI9325引脚图
3.3RS-232原理图
RS-232通信电路如图3.3所示：
图3.3RS-232通信电路
MAX232是一块电平转换芯片，可以把RS-232电平转化为TTL电平，供单片机通信。
3.4系统原理图
我们做的ATmega32外围硬件电路如图3.4所示：
图3.4ATmega32外围电路
其中包括复位电路、蜂鸣器报警电路、LCD显示电路、时钟电路、按键输入电路等等。
第四章ATmega32系统软件设计
ATmega32等系列AVR软件我们用AVRStudio和GCC编程软件开发，它的编译效率很高，下图是我们这次的软件流程图。
图4.1ATmega32软件流程图
第五章电机控制系统
由于中型或大型的工业电动机价格昂贵，体积重量较大，在这我们用小直流电动机模拟的其工作原理。
NCV7B是价格实惠驱动简单小直流电动机，再选用ULN2003an达林顿反向驱动器作为驱动芯片，其工作电压高，工作电流大，灌电流能达到500MA，并且在关断状态能承受50V的电压，采用Atmega16作控制芯片，来完成对电机控制。
其电路如图5.1所示
图5.1电机控制电路
第六章虚拟仪器LabVIEW程序设计
6.1LabVIEW介绍
上位机编程采用的是NI公司的LabVIEW图形化编程软件。
LabVIEW是一种图形化的编程语言，使用这种语言编程时，基本上不用写程序代码，取而代之的是程序框图。
LabVIEW是一个面向最终用户的工具，它可以增强用户构建自己的工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径，使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。
LabVIEW是通过图形符号来描述程序的行为，它消除了令人烦恼的语法规则，减轻了用户编程的负担，提高了效率，其特点如下：
（1）编程简单，不需要记忆编程语言，只要通过交互式图形前面板进行系统控制和结果显示，再通过程序框图进行功能模块的组合操作来指定各种功能，即可完成软件编程。
（2）开发周期短，只需通过交互式图形前面板进行系统控制和结果显示，可省去硬件
面板的制作。
（3）高效性，这主要是以软件做保证。
（4）开放性，可根据实际情况进行更新扩展，发展迅速。
（5）自定义性，工程师可以在非常广泛的测量和控制应用中自定义芯片级硬件功能。
（6）性价比高，能一机多用。
6.2主界面介绍
主界面如图6.1所示：
图6.1LabVIEW主界面
左边为7个子界面，分别包括开启Normal界面、温度子系统界面，湿度子系统界面，风速子系统界面等。
点击按钮可以进入对应子系统界面。
右边4个为控制按钮，可以实现在监控界面对矿井现场的操控。
例如：
按下电机正转，电机立即正转。
其他按钮功能也一样。
当然该监控程序还可对现场故障做出及时响应，实现实时的过程自动化。
比如：
当煤矿环境中温度过高，则该上位机能立即发出响应，让蜂鸣器实现高温报警，同时还可以是电机正转，当环境温度恢复正常时，蜂鸣器停止报警，电机停转。
当然还针对其他故障的动作，这里不做详细介绍。
6.3子界面介绍
当我们单击主界面的“温度子系统”按钮时，进入相对应的子界面，如图6.2所示。
从图可以看出，该子界面设计了波形图表显示，包括实时曲线显示和历史曲线显示（上面是历史曲线，下面是实时曲线）。
参数设定包括：
端口（实现串口的选择），温度上、下限设定等。
指示控件：
温度计，高低温报警指示灯等。
其他子系统与以上述温度子系统相似，这里也不再详加叙述。
此外，综合各方面因素，该监控系统只对温度子系统做了过程自动控制，即当温度过高时，LABVIEW会发出响应，让电机正转，蜂鸣器发出高温报警；当温度值处于上、下限之间时，电机不动作，蜂鸣器停止报警；当温度低于所设置的下限值时，电机反转，蜂鸣器发出低温报警。
（鉴于各方面条件考虑，我们所选择的对象只是电机和蜂鸣器，其实像继电器，各种开关，交流电机等多种对象，只要加上相对应的设备，均可以控制）。
图6.2温度子界面
结论与展望
目前国内煤矿监控系统还不够完善，煤矿安全事故也时常发生。
针对这种情况，本文设计了一个基于虚拟仪器的煤矿监控系统。
我们只采用RS232工业总线协议实现传感器节点与电脑进行通信，再显示在虚拟仪器LabVIEW中，通过本次的设计，总结所做的工作如下：
1．研究了虚拟仪器LabVIEW技术，分析了LabVIEW的应用与组建。
实现了数据的接收、发送与显示。
2．为了节省成本，我们选择了NCV7B小直流电动机来代替工业用的电动机，用来控制所需要控制的控制对象。
3．实现了传感器节点与电脑进行实施的现实与控制，这其中包括瓦斯传感器模块、温度和湿度传感器模块、风速传感器模块、RS232工业总线接口的设计。
4．由于煤矿监控系统要监控的参数较多，本设计选用了彩屏，显示也更加美观。
5．通过软件编程实现了瓦斯浓度、温度、湿度、风速采集与显示，且能通过数据对比实现电机的自动控制。
6．通过实验结果表明：
本系统能过很好的采集到瓦斯浓度、温度、湿度、风速和一氧化碳浓度，并且超过设定的温度的上下限值，就能自动产生报警，电机产生相应的动作。
并且能采集到的数据能通过RS232传给上位机，实现远程实时监控，满足安全监控的要求。
7．本系统可移植性较好，只要更换传感器探头即可实现系统的应用创新。
可以用在智能家居、汽车电子等方面。
但由于时间和能力有限本系统研究过程中必有所疏漏和欠缺，还存在一些需要改进和优化的地方。
因此还有以下几个方面的工作有待进一步的开展：
1．由于时间的原因，还没来得及对无线模块的调试。
2．由于条件和能力的限制，气压模块没有做成功，系统电路板做的也不是很完美，对有些电路板采样参数也没校准。
3．瓦斯传感器模块可以进行固定安装实现定点的瓦斯浓度检测，也可以制作成手持设备，实现瓦市浓度的流动性检测。
使整个煤矿安全检测系统更为可靠。
总之还有许多要改进和完善的地方，待以后进一步的研究和解决。
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