基于Arduino的矿井多参数监测仪设计

1、    基于arduino的矿井多参数监测仪设计    王晓丹陈越超摘 要：针对煤矿开采过程中，甲烷、一氧化碳和粉尘等有害气体会不断积累，浓度不断增大，引起爆炸或中毒，造成安全隐患。文章结合传感器技术、单片机技术和通信技术等技术，设计一种基于arduino的矿井多参数监测仪，实现对矿井下温度、湿度及粉尘、甲烷、一氧化碳等气体浓度进行实时测量、显示。关键词：环境监测系统；arduino；甲烷检测；一氧化碳检测：td175 文献标志码：a ：2095-2945（2017）36-0028-02我国能源目前仍以煤碳资源为主，而且随着社会经济的飞速发展，煤炭资源需

2、求量也在不断增加，煤矿安全生产就显得尤为重要，能够实时准确地监测矿井下环境参数就显得尤为重要。煤炭开采过程中，甲烷、一氧化碳和粉尘等有害气体会不断积累，浓度不断增大，可能引起气体爆炸或人员中毒，造成安全隐患。如何有效、快速、精准地监测矿井下的各项环境参数的实时数值，从而对矿井的安全进行实时预警处理，已成为矿井安全生产的重要组成部分，本监测仪采用arduino开发板实现矿井环境参数的采集与预警。arduino是源自意大利的一个开源代码的硬件项目平台，该平台包括一块具备简单i/o功能的电路板以及一套程序开发环境软件。arduino有“电子积木”之称，可以用来开发交互产品，比如可以读取大量的开关量和

3、传感器信号，并且可以控制电灯、电机和其他物理量；arduino也可以开发与pc相连的周边装置，也可以购买已经组装好的模块。arduino的开发环境（arduino ide）是完全免费而且是绿色开源的，无需安装，下载完成并解压后就可以直接打开使用，arduino开发环境是基于eclipse的软件平台，采用类c的语言进行编程，模块化的封装函数供程序开发者调用，同时开发者可使用usb将编写好的程序烧制到arduino开发板，提高其灵活性。1 设计原理本监测仪由arduino控制模块、温湿度检测模块、甲烷浓度检测模块、一氧化碳检测模块显示模块等部分构成，系统总体框图如图1所示。arduino控制模块采

4、集各传感器模块检测信号，进行数据处理与分析，将实时监测数据在液晶屏中显示，并将实时监测数据与阈值进行比较，当某一个参数指标达到阈值，报警装置发出声光报警，同时将数据传输到控制室，有利于矿井管理人员及时了解矿井安全情况，对生产环境进行正确评估。2 硬件设计本监测仪采用的arduino mega2560的核心处理器，具有多达54路数字i/o口（其中16路可作為pwm输出），16路模拟输入，一个电源插座，一个icsp header和一个复位按钮，一个16mhz晶体振荡器，一个usb口（便于在线进行程序调试），4路uart接口。同时能兼容为arduino uno设计的扩展板。本监测仪采用5v电压供电，

5、将甲烷传感器、一氧化碳传感器、粉尘传感器检测的数据传给arduino进行a/d转换、数据处理与分析，采用dht11采集温湿度数据，与arduino数字端口4相连，声光报警电路与数字端口5、6相连、显示电路采用lcd12864串口方式与数字端口3、8和9相连，串口电路与tx和rx相连，系统的硬件连接如图2所示。2.1 一氧化碳检测模块一氧化碳传感器采用me3-co气体传感器，它是三电极电化学传感器，由于电化学传感器的特性，在未上电时，传感器的引脚会由于化学反应积攒电荷，因此，本设计选用p沟道结型场效应管短接参考电极和敏感电极之间，进行放电。me3-co气体传感器输出为电流信号，且当一氧化碳浓度从

6、0ppm500ppm变化时，电流的变化为0a35a，属于微小电流信号，单片机无法处理，因此信号处理电路设计了i/v转换电路和电压放大电路两部分。一氧化碳检测模块电路原理图如图3所示。u1b完成电流-电压转换功能：u1=i×rf-0.5式中：i为传感器输出电流值；rf为运算放大器u1b的反馈电阻，且rf=r6；u1为运算放大器u1b的输出电压。u1c完成电压放大功能：式中：uo为运算放大器u1c的输出电压，即检测模块输出电压。2.2 甲烷浓度检测模块甲烷传感器采用mjc4/3.0l气体传感器，它是催化燃烧式传感器，具有快速的响应和良好的重复性、选择性，桥路输出电压呈线性等特点，由于传感

7、器输出信号较强，所以本设计采用一级放大电路对传感器输出信号进行放大。甲烷浓度检测模块电路原理图如图4所示。图中r4、r13与传感器的敏感元件、参考元件组成惠斯登电桥，输出电压分别为u12和u11，r3=r14，r7=r9，uo1为甲烷浓度检测模块输出电压。3 软件设计系统软件设计由上位机软件和下位机两部分组成。下位机软件设计：下位机采用“自上向下”“模块化”的程序设计思想对各模块进行设计，实现过程如下图5所示，系统主程序包括初始化模块、数据采集子模块、数据处理子模块、显示及报警模块、通信模块等，串口初始化和波特率设置构成初始化模块，数据采集子模块包括通过ad采集甲烷、一氧化碳、粉尘气体浓度和数

8、字温湿度检测，数据处理子模块包括数字滤波和补偿算法，显示及报警模块包括lcd显示模块和声光报警模块，通信模块包括数据接收和数据发送等。下位机软件设计使用arduino ide编写，该软件基于c语言开放环境。下位机软件包括各种传感器的数据采集程序、数据处理程序、显示程序及串口发送程序。初始化程序中设置波特率、端口模式，初始化串口，运行eeprom测试程序等。传感器测量程序测量温湿度、甲烷、一氧化碳和粉尘等环境信息，对比个各参数的报警限，超出报警线，进行声光报警，最后按照一定协议通过串口发送给上位机，数据发送的时间间隔为30s。上位机软件采用labxiew编写，通过接受串口数据，经过解码协议进行解

9、码，然后将数据在显示控件实时显示，绘制成曲线图显示，超出报警线时可以发出报警。labxiew（实验室虚拟仪器工程工作台）是ni（美国国家仪器公司）推出的图形化开发软件。是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言（g语言）。采用数据流的编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了函数的执行顺序。图形化的编程方法使编程变得简单、生动有趣并且易于理解和掌握。labxiew软件开发的工作流程：确定功能要求建立labxiew工程设计流程图设计前面板使用虚拟串口和串口助手调试vi生成规范完成设计。4 结束语本监测仪与其他的监测系统存在较大的不同，它可以通过粉尘浓度、甲烷浓度、一氧化碳浓度、温度、湿度的集成检测完成矿井多参数检测；通过液晶显示器使矿井下工作人员能够掌握实时参数数据，并在超出报警线时通过蜂鸣和指示灯发出声光报警，发出安全警示，同时将检测数据通过网络传输给控制室，对于提升矿井的实时安全状态评价具有一定的意义。参考文献：1张雪平，杨兴全.基于物联网的煤矿安全监测系统研究j.电子测试，2014：2240-2243.2刘楚红，董震.基于arduino的倒车雷达系统设计j.现代电子技术，2014，37（17）：148-150.3蔡睿妍.arduino的原理及应用j.电子设计工程，2013，20（16）：155-157.endprint科