基于虚拟仪器技术的煤矿安全监控系统.doc

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1、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

2、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

3、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。目录前沿2第一章 系统总体设计4第二章传感器硬件设计52.1 温度传感器DS18B2052.2 湿度传感器湿敏电容HS110162.3 CO传感器MQ-772.4 瓦斯传感器KGS-2082.5 风速传感器热敏电阻NTC 10D-1592.6 气压传感器BMP08510第三章ATmega32外围硬件电路设计113.1 ATmega32介绍113.2 ILI9325彩屏介绍113.3 RS-232原理图123.4 系统原理图12第四章ATmega32系统软件设计14第五章电机控制系统15第六章虚拟仪器LabVIEW程序设计1

4、66.1 LabVIEW介绍166.2 主界面介绍166.3 子界面介绍17结论与展望19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1.1 LabVIEW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1.2 LabVIEW发送框图第二章 传感器硬件设计2.1 温度传感器DS18B20DS18B20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3.05.5V，。独特的单线接口方式，仅需要一条口线即可实

5、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912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2.1 DS18B20引脚图和俯视图DS18B20外围电路如图2.2所示：图2.2 DS18B20电路2.2 湿度传感器湿敏电容HS1101HS1101外形如图2.3所示图2.3 HS1101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

6、。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2.4 HS1101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

7、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2.5 HS1101和555组成多谐振荡电路2.3 CO传感器MQ-7其外形和尺寸如图2.6所示图2.6 MQ-7外形尺寸图其应用电路如图2.7所示图2.7 MQ-7应用电路其对CO的响应曲线如图2.8所示图2.8 MQ-7 对CO响应图2.4 瓦斯传感器K

8、GS-20KGS-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2.9 KGS-20应用电路2.5 风速传感器热敏电阻NTC 10D-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

9、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

10、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BMP085BMP085是一款高精度、超低

11、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： 5A 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：0.1A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

12、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2.10 BMP085应用电路第三章 ATmega32外围硬件电路设计3.1 ATmega32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3.1 ATmega32引脚图3.2 ILI9325彩屏介绍LCD我们采用ILI9325的2.8

13、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3.2 ILI9325引脚图3.3 RS-232原理图RS-232通信电路如图3.3所示：图3.3 RS-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3.4 ATmega32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AVR Studio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

14、件流程图。图4.1 ATmega32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6.1 LabVIEW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

15、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

16、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6.1 LabVIEW 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

17、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，L

18、ABVIEW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L

19、abVIEW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

20、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。19