基于Arduino的礦井多參數(shù)監(jiān)測儀設計

1、    基于arduino的礦井多參數(shù)監(jiān)測儀設計    王曉丹陳越超摘 要：針對煤礦開采過程中，甲烷、一氧化碳和粉塵等有害氣體會不斷積累，濃度不斷增大，引起爆炸或中毒，造成安全隱患。文章結(jié)合傳感器技術、單片機技術和通信技術等技術，設計一種基于arduino的礦井多參數(shù)監(jiān)測儀，實現(xiàn)對礦井下溫度、濕度及粉塵、甲烷、一氧化碳等氣體濃度進行實時測量、顯示。關鍵詞：環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)；arduino；甲烷檢測；一氧化碳檢測：td175 文獻標志碼：a ：2095-2945（2017）36-0028-02我國能源目前仍以煤碳資源為主，而且隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，煤炭資源需

2、求量也在不斷增加，煤礦安全生產(chǎn)就顯得尤為重要，能夠?qū)崟r準確地監(jiān)測礦井下環(huán)境參數(shù)就顯得尤為重要。煤炭開采過程中，甲烷、一氧化碳和粉塵等有害氣體會不斷積累，濃度不斷增大，可能引起氣體爆炸或人員中毒，造成安全隱患。如何有效、快速、精準地監(jiān)測礦井下的各項環(huán)境參數(shù)的實時數(shù)值，從而對礦井的安全進行實時預警處理，已成為礦井安全生產(chǎn)的重要組成部分，本監(jiān)測儀采用arduino開發(fā)板實現(xiàn)礦井環(huán)境參數(shù)的采集與預警。arduino是源自意大利的一個開源代碼的硬件項目平臺，該平臺包括一塊具備簡單i/o功能的電路板以及一套程序開發(fā)環(huán)境軟件。arduino有“電子積木”之稱，可以用來開發(fā)交互產(chǎn)品，比如可以讀取大量的開關量和

3、傳感器信號，并且可以控制電燈、電機和其他物理量；arduino也可以開發(fā)與pc相連的周邊裝置，也可以購買已經(jīng)組裝好的模塊。arduino的開發(fā)環(huán)境（arduino ide）是完全免費而且是綠色開源的，無需安裝，下載完成并解壓后就可以直接打開使用，arduino開發(fā)環(huán)境是基于eclipse的軟件平臺，采用類c的語言進行編程，模塊化的封裝函數(shù)供程序開發(fā)者調(diào)用，同時開發(fā)者可使用usb將編寫好的程序燒制到arduino開發(fā)板，提高其靈活性。1 設計原理本監(jiān)測儀由arduino控制模塊、溫濕度檢測模塊、甲烷濃度檢測模塊、一氧化碳檢測模塊顯示模塊等部分構(gòu)成，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。arduino控制模塊采

4、集各傳感器模塊檢測信號，進行數(shù)據(jù)處理與分析，將實時監(jiān)測數(shù)據(jù)在液晶屏中顯示，并將實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與閾值進行比較，當某一個參數(shù)指標達到閾值，報警裝置發(fā)出聲光報警，同時將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂剖?，有利于礦井管理人員及時了解礦井安全情況，對生產(chǎn)環(huán)境進行正確評估。2 硬件設計本監(jiān)測儀采用的arduino mega2560的核心處理器，具有多達54路數(shù)字i/o口（其中16路可作為pwm輸出），16路模擬輸入，一個電源插座，一個icsp header和一個復位按鈕，一個16mhz晶體振蕩器，一個usb口（便于在線進行程序調(diào)試），4路uart接口。同時能兼容為arduino uno設計的擴展板。本監(jiān)測儀采用5v電壓供電，

5、將甲烷傳感器、一氧化碳傳感器、粉塵傳感器檢測的數(shù)據(jù)傳給arduino進行a/d轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理與分析，采用dht11采集溫濕度數(shù)據(jù)，與arduino數(shù)字端口4相連，聲光報警電路與數(shù)字端口5、6相連、顯示電路采用lcd12864串口方式與數(shù)字端口3、8和9相連，串口電路與tx和rx相連，系統(tǒng)的硬件連接如圖2所示。2.1 一氧化碳檢測模塊一氧化碳傳感器采用me3-co氣體傳感器，它是三電極電化學傳感器，由于電化學傳感器的特性，在未上電時，傳感器的引腳會由于化學反應積攢電荷，因此，本設計選用p溝道結(jié)型場效應管短接參考電極和敏感電極之間，進行放電。me3-co氣體傳感器輸出為電流信號，且當一氧化碳濃度從

6、0ppm500ppm變化時，電流的變化為0a35a，屬于微小電流信號，單片機無法處理，因此信號處理電路設計了i/v轉(zhuǎn)換電路和電壓放大電路兩部分。一氧化碳檢測模塊電路原理圖如圖3所示。u1b完成電流-電壓轉(zhuǎn)換功能：u1=i×rf-0.5式中：i為傳感器輸出電流值；rf為運算放大器u1b的反饋電阻，且rf=r6；u1為運算放大器u1b的輸出電壓。u1c完成電壓放大功能：式中：uo為運算放大器u1c的輸出電壓，即檢測模塊輸出電壓。2.2 甲烷濃度檢測模塊甲烷傳感器采用mjc4/3.0l氣體傳感器，它是催化燃燒式傳感器，具有快速的響應和良好的重復性、選擇性，橋路輸出電壓呈線性等特點，由于傳感

7、器輸出信號較強，所以本設計采用一級放大電路對傳感器輸出信號進行放大。甲烷濃度檢測模塊電路原理圖如圖4所示。圖中r4、r13與傳感器的敏感元件、參考元件組成惠斯登電橋，輸出電壓分別為u12和u11，r3=r14，r7=r9，uo1為甲烷濃度檢測模塊輸出電壓。3 軟件設計系統(tǒng)軟件設計由上位機軟件和下位機兩部分組成。下位機軟件設計：下位機采用“自上向下”“模塊化”的程序設計思想對各模塊進行設計，實現(xiàn)過程如下圖5所示，系統(tǒng)主程序包括初始化模塊、數(shù)據(jù)采集子模塊、數(shù)據(jù)處理子模塊、顯示及報警模塊、通信模塊等，串口初始化和波特率設置構(gòu)成初始化模塊，數(shù)據(jù)采集子模塊包括通過ad采集甲烷、一氧化碳、粉塵氣體濃度和數(shù)

8、字溫濕度檢測，數(shù)據(jù)處理子模塊包括數(shù)字濾波和補償算法，顯示及報警模塊包括lcd顯示模塊和聲光報警模塊，通信模塊包括數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送等。下位機軟件設計使用arduino ide編寫，該軟件基于c語言開放環(huán)境。下位機軟件包括各種傳感器的數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)處理程序、顯示程序及串口發(fā)送程序。初始化程序中設置波特率、端口模式，初始化串口，運行eeprom測試程序等。傳感器測量程序測量溫濕度、甲烷、一氧化碳和粉塵等環(huán)境信息，對比個各參數(shù)的報警限，超出報警線，進行聲光報警，最后按照一定協(xié)議通過串口發(fā)送給上位機，數(shù)據(jù)發(fā)送的時間間隔為30s。上位機軟件采用labxiew編寫，通過接受串口數(shù)據(jù)，經(jīng)過解碼協(xié)議進行解

9、碼，然后將數(shù)據(jù)在顯示控件實時顯示，繪制成曲線圖顯示，超出報警線時可以發(fā)出報警。labxiew（實驗室虛擬儀器工程工作臺）是ni（美國國家儀器公司）推出的圖形化開發(fā)軟件。是一種用圖標代替文本行創(chuàng)建應用程序的圖形化編程語言（g語言）。采用數(shù)據(jù)流的編程方式，程序框圖中節(jié)點之間的數(shù)據(jù)流向決定了函數(shù)的執(zhí)行順序。圖形化的編程方法使編程變得簡單、生動有趣并且易于理解和掌握。labxiew軟件開發(fā)的工作流程：確定功能要求建立labxiew工程設計流程圖設計前面板使用虛擬串口和串口助手調(diào)試vi生成規(guī)范完成設計。4 結(jié)束語本監(jiān)測儀與其他的監(jiān)測系統(tǒng)存在較大的不同，它可以通過粉塵濃度、甲烷濃度、一氧化碳濃度、溫度、濕度的集成檢測完成礦井多參數(shù)檢測；通過液晶顯示器使礦井下工作人員能夠掌握實時參數(shù)數(shù)據(jù)，并在超出報警線時通過蜂鳴和指示燈發(fā)出聲光報警，發(fā)出安全警示，同時將檢測數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳輸給控制室，對于提升礦井的實時安全狀態(tài)評價具有一定的意義。參考文獻：1張雪平，楊興全.基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)研究j.電子測試，2014：2240-2243.2劉楚紅，董震.基于arduino的倒車雷達系統(tǒng)設計j.現(xiàn)代電子技術，2014，37（17）：148-150.3蔡睿妍.arduino的原理及應用j.電子設計工程，2013，20（16）：155-157.endprint科