《基于单片机的煤矿安全生产监控系统设计》8600字

第一章绪论基于单片机的煤矿安全生产监控系统设计目录TOC\o"1-3"\h\u摘要 I第一章绪论 11.1课题的研究背景与意义 11.2国内外发展现状 11.3本文研究的主要内容 2第二章系统总体设计方案 32.1煤矿安全生产监控的总体设计 32.2煤矿安全生产监控系统方案设计 32.2.1单片机芯片选择方案 32.2.2温湿度传感器选择方案 42.2.3蓝牙模块方案 42.3核心器件选型 4第三章硬件系统设计 53.1单片机 63.2温湿度检测电路设计 73.3甲烷浓度检测电路设计 83.4一氧化碳浓度检测电路设计 83.5液晶显示电路设计 93.6报警电路设计 103.7按键电路设计 113.8无线通信电路设计 11第四章软件设计 124.1软件设计选择 124.2煤矿安全生产监控主程序 124.3报警电路子程序 134.4液晶显示子程序 14第五章系统安装和功能测试 165.1硬件调试 165.2软件调试 165.3功能检测 16第六章总结与展望 17参考文献 19附录 20摘要当前针对煤矿的开采安全是一个非常重要的问题，对于煤矿工人在地下作业的场景中会出现无法避免的情况，甚至是危险情况。因此对于一些特殊情况下，是无法采用人力地下作业的方式实现，基于此需求设计一款基于单片机核心控制的煤矿安全生产监控系统用来帮助用户实现地下工作的情况分析显得尤为重要。本文基于STC89C52单片机作为核心的煤矿安全生产监控系统的设计分为硬件和软件部分，硬件部分包含传感器电路、通信电路、单片机核心控制电路、液晶显示电路、键盘电路以及相关的蓝牙模块和报警电路设计与液晶显示模块一同搭配实现相应的地下环境检测工作，检测结果经蓝牙模块进行主机信号传输。软件部分通过子程序的编程来对系统的读取按键和处理进行设置。关键词：传感器电路，通信电路，煤矿安全生产监控，蓝牙模块，液晶显示电路第一章绪论1.1课题的研究背景与意义在井下矿工作业上需要精益求精，所以矿下人员的安全是重中之重，相比其它环境监测系统，本系统具备了功能全面、实时监测，及时报警等优点，可以有效地弥补传统生产监测系统存在操作监测实时性差，准确度低，数据分拣繁琐等问题，其应用可以协助企业实现对生产环境的实时监测，有效地避免了生产事故，尽而为井下作业人员提供一个更加舒适安全的工作环境[3]。1.2国内外发展现状当前在发达国家中，将信息计算技术应用于硬件控制的各项业务中，从而实现多种进程并发的工作网络化设计，至今已经取得相当多的成就。美国作为计算机发展与发明的强国，在单片机硬件的编程方面的进步可谓是较为先进，当前基于单片机的设计已经更新为相关的树莓派等相关的智能家居的研究领域，同时基于多种机器学习或者神经网络的研究对硬件加之软件的整合和相关的驱动设计进行更上一层楼的技术更迭。国外对于硬件的单片机的重视使得各个地区都有存在这配备完整设备的相关的实时计算系统，实现了在硬件检测的操作系统管理的前提下，加人工的管理操作保持相关的实时计算表达式的基础得到相比较其他系统最为宽泛的功能实现[5]。1.3本文研究的主要内容单片机煤矿安全生产监控系统设计主要采用以STC59C52单片机作为控制驱动核心，硬件上包括多种传感器电路和通信电路和多种上拉电阻以及通过蓝牙模块对检测出来的环境参数进行实时传输，同时在当前的有害气体安全阀值被破坏时，驱动相关的报警电路并警告工作人员启动矿井本身存在的通风系统，基于温湿度的变化范围数值超过所设置的范围浓度时，驱动空调机进行降温工作保证系统的检测的正常运行[4]。软件设计部分主要以检测感应主程序相关报警驱动程序为主，通过软件仿真的形式进行实现[6]。本文章节内容安排如下所示：第一章绪论，绪论主要站在选题的背景及其选择该题目的设计意义方向出发，通过对国内外单片机煤矿安全生产监控系统设计的研究工作进行资料查询得到论文的研究内容。第二章是系统总体方案设计，主要以设计该单片机煤矿安全生产监控计算所需要的设计方案选择进行一一罗列介绍，实现以最通俗易懂的方式对技术进行实现。第三章是系统硬件设计，通过系统的功能化需求和非功能化需求为切入点对系统设计需求进行全方位的剖析，同时针对系统设计中电源按键和键盘输入以及液晶显示为主进行单片机硬件电路的设计实现介绍，通过以不同的电路的分析将其相关图示内容的讲解实现相关的设计操作实现，并在系统硬件设计的基础上完成对单片机硬件电路的焊接操作。第四章是系统软件设计，通过对系统的架构设计和相关的模块设计对系统相关功能进行总体设计分析，该部分主要以软件程序设计和仿真为主，通过对其中所存在的设计实现方式达到最佳的程序实现思路，并以供暖程序和重量检测程序以及液晶显示程序为主要介绍程序，并最后通过软件仿真测试完成对硬件逻辑的控制。第五章是系统调试部分，该章节包含对其系统工作的软件、硬件以及功能测试，通过根据需求分析为主进行详细设计编码阶段，并实现煤矿安全生产监控的实时输入数值计算为主进行发布的方式呈现相关功能。第六章是总结与展望，结合上述分析需求设计软件编码和硬件实物焊接过程中出现的错误，同时对于其中已经存在的设计思路我们对其进行实际的操作设计，基于此实现对其流程反思自己哪些方面做的不够妥当并在日后对系统进行完善。第二章系统总体设计方案

第二章系统总体设计方案2.1煤矿安全生产监控的总体设计基于单片机的煤矿安全生产监控系统的设计将89C52系列单片机作为核心控制芯片，在检测地下环境参数上，采用一氧化碳、甲烷气体以及温湿度传感器检测，实现对于其中所需要的各相功能以及基础设置。其中传感器检测程序负责采集地下环境参数信息，气体传感器检测地下环境的有害气体是否超标；键盘电路设置地下环境参数的检测参数修改。系统中添加液晶显示电路和蜂鸣器电路，方便用户知道当前煤矿安全监控系统的正常运行状态和报警[7]。其系统的设计框架图如图1所示。图1煤矿安全生产监控系统框架设计图2.2煤矿安全生产监控系统方案设计2.2.1单片机芯片选择方案(1)STC89C52方案STC89C52作为51系列单片机的代表，通过STC89C52进行核心逻辑控制测量是指的是通过相关的单片机最小系统为主进行核心模块驱动，通过对其高低电平的检测和识别所进行的相关单片机设计方式的核心驱动控制方式，在STC89C52单片机所应用的核心控制器中，由于其性价比高，响应快速，高可用比等特点有着最为广泛的使用[13]。其中最为常见的便是基于该STC89C52核心控制器所实现的各种的日常生活中所使用的操作器件，比如铁路指示灯、语音问答装置等等都体现着核心控制器的广泛应用体现，通过查阅资料，如果将单片机作为铁路指示灯的原理是通过不同电路的高低电平与核心控制器相连，并通过不同的时钟响应进行信号的传递，核心控制器主要用来处理相关的电平设计和相关的时钟周期的响应设计，在响应完成后，这时通过一定的时间进行响应输出，并实现相关信号的反馈，当然采用这种方式测量响应，在于其便捷性的方式进行，同时这也需要一定的响应等待时间，所以可以根据逻辑设计应用在本文设计的煤矿安全监控系统，但是这种方式在面对大流量的信号需求任务时，无法达到在最短时间内完成即时信号处理的任务[14]。(2)AT89S52方案AT89S52可兼容MCS-51系列产品功能，作为一种高性能、但同时也是高能耗的核心控制器以该装置作为本方案的单片机核心，它有着类似于STC89C52系列的核心控制器的处理能力，其功能是满足本轮为的设计需求，而且该单片机的型号可以实现在短时间内完成对大量请求的时钟类型测试响应工作，这在仿真测试期间的时间设计的测量有着非常重要的作用，同时不可接触式的设计实现基础功能有着高响应比的设计，也能通过实际的核心控制器的设计完成对其中所处于的相关状态进行感应测试请求响应设计[10]。2.2.2电源供电选择方案基于单片机的煤矿安全装置设计为保证用户使用的便捷性，一个完整的系统项目设计的导向往往是建立在需求基础上的，它包含在功能上的以及性能上的分析。单片机煤矿安全装置的设计采用单片机作为核心控制器进行设计，根基四年所学在设计方案上对于其中所拥有的功能有着最为清楚的归纳总结，同时在大型的供电方式上需要减轻了用户使用该单片机实现的煤矿安全装置的灵敏度和便捷性内存占用问题，只需要2节1.5V电池便可以对其进行驱动，实现相关的设计功能，同时操作更加趋向于基础，符合矿井的工人使用，因此对于用户所需要的煤矿安全装置机的供电装置是否简单便捷，在更换时是否方便是尤为重要的。2.2.3蓝牙模块方案本次煤矿安全生产监控系统的设计需要选择CC2541型号进行蓝牙模块的操作。同时该型号的蓝牙模块的连接需要容量大小为8kb的存储器连接，从而使其具有功能强大、低功耗等特点，同时蓝牙模块与主控芯片的通信则通过UART接口来获取检测器的信号，并通过蓝牙与矿井中控制系统进行连接传输数据信息。蓝牙因其信息传输可靠，被众多电子设备特别是家用设备广泛采用，此外，蓝牙遥控方式还有容易实现，功率低等特点。2.3核心器件选型结合以上分析两种控制芯片的特点、以及温湿度传感器器件和蓝牙模块的设计实现都可以满足设计的实现功能，综合多方面分析STC89C51系列单片机相比AT89S52成本低，同时满足本设备所需，故采用STC89C51单片机。第三章硬件系统设计第三章硬件系统设计3.1单片机单片机核心控制器系统作为井下有毒气体检测的核心控制器，它的作用相当于电脑中的CPU的设计，是数据处理的大脑。基于单片机的多个引脚的功能设计主要以连接液晶显示，模块、按键模块和相关的处理最小系统模块，当前所使用的51系列单片机其中最为核心的设计便是单片机的控制系统设计，基于该系统的设计为主的工作功能控制，是通过当按下按键时，单片机读取到用户通过按键电路所输入的数据并对其进行数据分析，达到最为有效的功能实现。基于单片机作为核心控制器，主要包括相关的功能实现有检测气体、温度、湿度与突破阀值的报警蜂鸣器。同时基于多个输入电路与输出电路与单片机核心控制器进行联合，得以实现本文设计初衷的一系列功能，以控制系统的时钟电路驱动各个电路为主进行实现[10]。如图2为单片机简介图。图2单片机引脚图3.2温湿度检测电路设计温湿度检测功能的实现是基于DHT11的温湿度传感器的实时温湿度检测的功能设计实现的，基于DHT11的温湿度传感器自身的温湿度感应特点，因此该型号的温湿度传感器的相关温湿度检测功能是最为有效的、最为灵敏的且适合本文设计的。该电路的工作原理主要以温湿度检测为主，通过以相关电阻的热敏感应进行温湿度的实时检测，通过该传感器的初始化操作完成后，针对当前的环境，以最为有效的让温湿度电阻的检测机制对输入信号进行录入和获取，并由相关的转换电路进行信号的实时传输到单片机的控制模块中进行处理，并实现单片机控制相关液晶显示驱动的设计，便于针对当前温湿度检测的相关温湿度的实时显示工作。温湿度检测电路原理图如图3所示。图3温湿度传感器电路设计图3.3甲烷浓度检测电路设计甲烷浓度检测系统的设计针对当前矿井内部甲烷浓度发生变化时的检测由空气压力传感器BMP180进行实时检测，当矿井内部的浓度变化时，超过维持的最大安全阀值时，通过相关的控制信号进行传输到单片机的核心控制模块，当单片机对其相关的控制信号进行处理后，驱动相关的报警电路，并提前对矿下的工人进行报警与疏散。甲烷浓度检测原理图如图4所示。图4甲烷浓度检测电路设计图3.4一氧化碳浓度检测电路设计在顶岗实习单位基于MQ-7进行修改的一氧化碳浓度检测电路，一氧化碳浓度检测电路的设计时需要建立在不同时间持续输入的高低电平信号的基础上，通过不同阶段的高低电平信号对当前地下环境中的一氧化碳浓度进行检测，通过以进行不同的信号检测机制的设计，同时对于一氧化碳浓度检测模块它的初始化操作时，进行系统的时间以及信号波都是以当前的环境浓度进行设计操作，以相关的一氧化碳的设计浓度电路完成对具体操作时间的相互结合，其一氧化碳浓度检测设计原理图如图5所示。图5一氧化碳浓度检测电路设计图3.5液晶显示电路设计单片机煤矿安全装置系统采用LCD1602液晶显示模块表示当前温度的正常显示，通过它与单片机相连接，操作方便可行。液晶显示通过指令识别进行动态显示操作所以在使用前要确保空指令的情况考虑。基于设计中的液晶模块为基础，如图6所属为液晶显示电路设计图。液晶显示模块使用总线和排阻进行简化连接方式。图6液晶显示电路设计图主要引脚的解释如表1所示表1引脚说明表编号符号引脚说明编号符号引脚说明1GND接地9DB2数据2VCC电源正极10DB3数据3VO液晶显示偏压11DB4数据4RS数据/命令选择12DB5数据5R/W读/写选择13DB6数据6E使能信号14DB7数据7DB0存储15BG/VCC正极背光源8DB1数据16BG/GND背光源负极3.6报警电路设计报警电路由蜂鸣器以及周围连接电路组成。当检测气体环境，检测到当前进展的环境中有害气体浓度过高或出现相关指示灯的故障时，只需要一个无线的远程控制器，为当前的检测仪器进行开放和关闭操作，同时在设计中加入报警的模块设计，其应用于主要提示当前环境有害气体突破阀值或是温湿度出现不平衡需要报警操作时，在不合适的时间出现安全状况时，会发出警报提醒用户。该模块设计的实质是继电器驱动蜂鸣器实现报警操作，设计图如图7所示。图7报警电路设计图3.7按键电路设计按键输入电路作为最为重要的设计部分，主要实现基于对其设计所需要的按钮操作设计实现，通过不同按键的操作规则，实现单片机接收信号检测各项数值的功能。同时电路实现的功能为：用户通过输入按键的设置，该实时检测所能负载输入的数值的范围设计，即通过按下按键来促使其操作进行规则化操作实现，使得其按键变为低电平单片机可接受的数据进行录入，实现监控的功能。对于本次矿下内所需检测的数值的键盘操作设置是工作人员与产品直接交互的装置，所设置的按键包括数字1-9并对各项需要检测的数值进行录入等，如图8所示。图8按键电路设计图3.8无线通信电路设计单片机煤矿安全装置系统采用的主要是利用电磁作用为特性的继电器、原理为物理学中的电磁感应应用，主要通过多个下拉电阻和发光二极管以及相关的开关电路进行，基于此实现对于其中的单片机电路进行相对应的煤矿安全设计，同时以继电器信号为主进行相关的功能操作设计，从而达到驱动电阻丝加热等控制阀的设计，如图9所示为无线通信电路设计图。图9无线通信电路设计图第四章软件设计

第四章软件设计4.1软件设计选择系统开发里很多企业在新开发的产品中都会使用Keil软件进行调试，通过该软件能够完整的兼容C语言程序等相关的编程语言的嵌入设计，同时基于汇编语言在实际的应用中，若如果没有硬件的嵌入式配合，是很难理解并直接使用的，因此采取汇编语言虽然其运行的速度较为快速，但是在实际的开发中其开发效率也比较低。所以，Keil程序成为了我们单片机软件开发最实用，最高效的一款软件。这款软件可以放在各大应用的产品上。通过采用该软件能够实现最为快速的搭建硬件电路的设计模型，例如单片机核心控制器即开即用，同时对于液晶显示模块也是一样，通过基于单片机的核心控制器的处理，对用户通过按键程序模拟的用户输入的算术表达式进行优先级的计算为主，以单片机模拟运算器的方式进行实现设计，同时针对相关的软件设计，Keil无疑的效率高、简单实用的设计，使用该软件进行基于单片机核心控制器的煤矿安全的开发模拟设计，最为合适不过。4.2煤矿安全生产监控主程序基于单片机的煤矿安全软件设计部分作为压力、气体、温度等参数检测设计的核心之一，实现的实质便是用户通过压力、温度传感器的信号输入将其不同的时间信号进行温度、气体检测数值输入，并设置相应的运算符号输入，软件设计部分，便是通过以硬件中键盘电路和时钟电路进行数值电平的读取，通过每一个数值的不同的电平进行读取，类似于函数调用的方式，通过硬件检测来的数据对其进行算法运算，运算方式包括设置矿下温度、压力检测范围等操作，同时为了操作者更方便理解，所以当软件部分的程序运算得到结果并返回给液晶显示模块，其程序的设计总流程图如图10所示。图10煤矿安全生产监控主程序设计图4.3报警电路子程序报警电路由蜂鸣器以及周围连接电路组成。当检测到当前进展的环境中温度与有害气体浓度过高或出现相关指示灯的故障时，只需要一个无线的远程控制器，为当前的检测仪器等某些固定规模的设备进行开放和关闭操作，同时在设计之初加入报警的模块设计，主要应用于提示当前需要通过的相关操作出现温度过高需要报警操作时，在不合适的时间出现安全状况时，会发出警报提醒用户。该模块设计的实质是继电器驱动蜂鸣器实现报警操作，如图11所示表示报警程序流程图。图11输出驱动电路程序设计图4.4液晶显示子程序液晶显示程序的实现过程为首先对LCD1602器件进行初始化清零操作，目的是在于将其系统内之前存储的信息进行释放清零，使得该数据与之后的信号传输进行同步，避免不同的数据上传发生错误与冲突。在出现连接成功时表示识别装置系统已经连接完毕可以使用。如图12所示表示液晶显示程序设计图。图12液晶显示电路程序设计图总结

第五章系统安装和功能测试5.1硬件调试硬件调试的任务主要以检测电路板焊接情况，电源模块的通电维护情况，按键按钮的调试输入正确度的检测，同时还有数值计算等相关操作是否正确。对于电路板焊接检测一般所需要的万用笔对焊接好的各个元器件进行检测，查看是否有虚焊、漏焊或是元件本身损坏等情况，同时也包括按钮的电路板焊接，对相关功能按钮的检测，同时根据硬件设计PCB图，将其他功能电路焊接到控制电路上。其次是对电源电路的通电性检测，查看在通电情况下，所有电路被焊接在一起之后是否存在短路、断路等致命问题。5.2软件调试对于本次的煤矿安全识别的软件编程设计，软件编程主要以嵌入式的C语言编程为主，并对计算程序进行完善规划，进行硬件仿真测试，查看C语言的在嵌入硬件装置时是否有冲突，在执行需要的命令时候是否有错误，在检测各项数值时是否灵敏，最后加长测试程序运行的时间来检测程序在长时间运行下是否有逻辑上的bug。5.3功能检测在进行单片机煤矿安全系统软件的测试部分的时候，通过针对当前本地编译的C语言代码进行嵌入式结合硬件系统中，进行软件与硬件相结合的仿真测试，于是功能调试的操作设计实现主要由Keil软件承担相应的功能仿真，通过该软件新建硬件系统所需要的器件，能够实现针对硬件电路模型的拟真创建，比如创建核心控制器STC89C52单片机和液晶显示装置，按键电路，在创建完成后基于软件程序嵌入的方式，向软件中导入程序，并通过启动相关的电源供电模拟器进行模拟井下煤矿安全监控的检测运行，最后在液晶显示模拟模块输出相关的结果信息。

第六章总结与展望本文以温湿度传感器、甲烷、一氧化碳传感器为主进行设计监控系统作为地下环境的相关环境参数的测量工作，采用STC89C52型号单片机作为主要的控制芯片，对于按键输入的信号进行接收并处理加以反馈，同时采用蓝牙模块将其所测量的数据以控制信号的方式进行发送操作，而且这也作为实际的工作使用的检测设计，对于单片机系统内部设计采用无线蓝牙通信电路设计同时本论文论述了在当前传统或是老旧单片机在控制驱动中在应用性低的背景下，阐明了单片机在煤矿安全监控系统设备设计的意义，并对国内的相关的电子器件研究与欧美单片机的发展进行横向和纵向对比得到的各项数值差别。论文硬件设计任务包括电路总原理图设计、传感器检测电路和报警电路以及电源电路、按键电路等以此设计硬件电路。系统的软件设计主要通过嵌入式的C语言编程为主，以C语言为主的编程程序，基于程序流程图的分析，通过最为直接的循环或者判断语句为主进行组合进行实现软件程序的编写，并最终达到与硬件相结合的方式进行实现。在硬件和软件设计完成后，开始进行相关功能的硬件调试和软件仿真测试，其中硬件调试主要针对单片机核心控制电路、电源电路、键盘电路以及相关装置的操作问题和焊接问题，根据硬件调试中出现的错误进行规划和总结，之后进行软件仿真测试相关方面的检测，检测其中的C语言程序逻辑是否有错误，或是在Keil软件中将硬件系统仿真创建后嵌入C语言程序执行仿真命令是否出现冲突，在通过仿真软件输入环境的模拟量来检测硬件系统在需要报警时是否灵敏，是否能够及时报警等一系列相关的调试操作，最后将所有功能测试中出现的问题收集起来，并加以改正。最后通过本论文，我发现只有自己真正脚踏实地的参与到基于单片机的设计之中，才能够深刻了解到国内在单片机研究领域方面与国内外的差距，毕竟实践才是检验真知的唯一道理，正因为如此，作为当代自动化专业的大学生，我需要为祖国未来的单片机事业贡献自己的力量。参考文献参考文献[1]张伟.单片机的煤矿安全生产监控工作原理及联动应用[J].中华民居(下旬刊),2019(03):321-322.[2]程光,赵崇侃.基于单片机环境检测系统[J].电力系统装备,2017(04):329—330.[3]朱国富,廖明涛,王博亮.蓝牙模块数据连接传送系统[J].电子技术应用,2018(01):1—3.[4]韩文波,曹维国,张精慧.矿井中环境检测系统设计[J].长春光学精密机械学院学报,2016(04):2-4.[5]王国臣.矿井安全综合视频监控系统的发展[J]煤炭技术,2019(8):65-66.[6]蔡俊,姚萌.基于Z8F6423的煤矿安全系统井下智能终端设计[J].微计算机信息,2018(07):2—5.[7]卢嘉宁.KJ66煤矿安全生产计算机监控系统[J].微计算机信息,2019(05):2—14.[8]张德增,郑江萍.煤矿安全监测技术基础知识[M]北京:煤炭工业出版社,2016.[9]李海滨.单片机技术课程设计与项目实例[M].北京:中国电力出版社