張瑞哲，鐘育伶，李時東，呂煒熠，胡博源

（中國礦業(yè)大學（北京），北京 100083）

0 引 言

煤炭在我國能源結(jié)構(gòu)中具有重要地位，2021年我國煤炭消費量占能源消費總量的56%。煤礦開采過程中容易引發(fā)種類繁多的事故，其中由瓦斯氣體引起的瓦斯爆炸在各類煤礦事故中最為嚴重。瓦斯事故具有極強的突發(fā)性、破壞性，極易造成重大人員傷亡和財產(chǎn)損失，是現(xiàn)代采煤作業(yè)中不可忽視的一大安全隱患。

煤炭事故深受公眾關(guān)注，一旦發(fā)生，不僅會給煤炭生產(chǎn)帶來嚴重影響，還會引起強烈的輿論反響，嚴重阻礙我國煤炭行業(yè)發(fā)展，不利于保障我國能源安全。得益于近幾年煤炭災害防控方面的研究與發(fā)展，煤礦事故的發(fā)生率、死亡率得以大幅下降，瓦斯氣體濃度的實時監(jiān)測報警工作是保障煤炭生產(chǎn)安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是從源頭上防范化解重大安全風險，真正將問題解決在萌芽之時、成災之前的重要保障，研究瓦斯氣體的檢測具有非常重要的現(xiàn)實意義?，F(xiàn)在常用的礦用瓦斯檢測報警儀結(jié)構(gòu)簡單成本低廉，但在功能性與精度上仍有較大的發(fā)展空間。

通常認為瓦斯?jié)舛冗_到1%以上就有引發(fā)瓦斯事故的危險，在不同工作地點，安全濃度閾值要求略有不同。礦用瓦斯檢測報警儀選用高低溫循環(huán)檢測傳感器，其輸出電平轉(zhuǎn)換為氣體濃度在液晶屏上顯示，借助有線通信將氣體濃度信息實時反饋給上位機，并在瓦斯?jié)舛雀哂陬~定值時進行聲光報警。

1 硬件設計

1.1 硬件系統(tǒng)總體設計

礦用瓦斯檢測報警儀的硬件系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集電路、顯示電路、電源電路以及聲光報警電路。核心控制單元采用基于ARM32 位Cortex-M3 CPU 為內(nèi)核的STM32F103 的開發(fā)板，核心處理器最高支持36 MHz 工作頻率，可進行單周期乘法和硬件除法。擁有兼容8 060/6 800 模式的并行LCD 接口以及112 個多功能雙向I/O 端口，每個端口最高電壓可達5 V。供電區(qū)間在2.0～3.6 V，具有2 通道12 位D/A 轉(zhuǎn)換器。功耗低，具有睡眠、停機以及待機三種模式，接口豐富，可拓展性好，可以根據(jù)預定功能使用對應接口連接驅(qū)動多個應用模塊。

礦用瓦斯檢測報警儀的顯示、濃度檢測、聲光報警等外設裝置通過通用I/O 口與開發(fā)板相連；微控制器通過UART接口實現(xiàn)與上位機的通信。如圖1所示。

圖1 硬件框圖

1.2 模塊介紹

LCD12864 是一種擁有豐富接口的點陣式液晶顯示模塊，包括128×64 點的液晶面板以及CMOS 驅(qū)動。由于該模塊有整體的圖形點陣顯示，因而用它來顯示圖形和字符。具有功耗低，體積小、質(zhì)量輕、驅(qū)動可編程性強等眾多優(yōu)點。該模塊操作靈活、簡便，可借助簡單指令構(gòu)建人機交互界面。不僅可以顯示字符與圖案，而且能實現(xiàn)屏幕左右分屏、全自由滾動以及動畫等功能。LCD12864 共有20 個引腳，其中引腳7～14 位D0～D7 為數(shù)據(jù)總線端口。CS1、CS2 引腳分別控制液晶屏的左右半屏顯示。為解決IO 口緊張的情況，選擇將其中一個接地，使用串行方式控制液晶屏幕。與單片機之間采用串行通信模式，通過RS、RW、END0～D7 等多個引腳控制液晶屏幕，向其發(fā)送指令、讀取工作狀態(tài)以及驅(qū)動顯示數(shù)據(jù)。

RS232 是最常用的串行通信接口標準之一，廣泛應用于儀器儀表設備以及嵌入式領(lǐng)域的調(diào)試接口。具有傳輸穩(wěn)定性好、成本低廉等特點?！睹旱V安全規(guī)程》規(guī)定，所有煤礦必須裝備有線調(diào)度系統(tǒng)，有線調(diào)度系統(tǒng)通信電纜必須專用。RS232 無須單獨設置電源模塊，保證了供電的穩(wěn)定性，進而提升了通信模塊的可靠性。RS232 在傳輸過程中易出現(xiàn)共模干擾的問題，抗噪聲性能較弱。為解決信號傳輸中易受噪聲干擾的問題，需加裝一個利用磁光晶體效應僅允許光單向通過的光隔離器。光隔離器穿過一個隔離的屏障來傳輸信號。一個光隔離器由一個光敏電阻耦合的發(fā)光二極管構(gòu)成。流過發(fā)光二極管的電流使得它以可見光或者紅外線的方式釋放能量。這些能量將這個光敏電阻打開，導致在這個電阻的發(fā)射極和集電極之間的低阻抗。

聲光報警模塊選用103 型聲光報警器。其工作效果符合我國安全生產(chǎn)行業(yè)標準（GB/T 13486—2014）對報警音量大小和報警光線強度的要求。該型號聲光報警器采用5 V 電壓供電，對工作環(huán)境的要求低，電路構(gòu)造十分簡單但可以保證在大多數(shù)場景下穩(wěn)定工作，成本低廉，經(jīng)濟性較高。103 型聲光報警器性能與國家標準對照表如表1所示。

表1 “國標”與報警器性能對照表

MQ-7 型CO 氣體監(jiān)測器具有成本低廉、檢測靈敏、誤差小的特性。其通過檢測內(nèi)置的二氧化錫氣體敏感材料在高低溫循環(huán)情況下因氣體成分變化導致的電導率的改變引起端口電壓值的變化來測定一氧化碳濃度，電導率正比于待測氣體中一氧化碳的氣體濃度。低溫（1.5 V）下檢測待測氣體中的一氧化碳濃度，高溫（5.0 V）下清洗氣敏材料在低溫工作狀態(tài)下吸附的雜散氣體。傳感器模組通過A/D 轉(zhuǎn)換將電導率的變化轉(zhuǎn)換為與所測得的氣體濃度相對應的電平輸出信號，其他組件接收后進行預設反應，也可經(jīng)處理轉(zhuǎn)換為PPM 濃度值供工作人員直接讀取。該型號傳感器內(nèi)部電路如圖2所示。

圖2 傳感器模塊電路圖

2 軟件設計

2.1 軟件開發(fā)環(huán)境

STM32F103 開 發(fā) 板 基 于ARM32 位Cortex-M3 CPU 系列內(nèi)核設計。適于STM32 開發(fā)平臺的ARM 嵌入式開發(fā)環(huán)境眾多，考慮到編譯效率與操作難度，選用較為常用的開發(fā)工具Keil MDK。Keil 是嵌入式系統(tǒng)最常用的開發(fā)環(huán)境之一，版本種類眾多。Keil 生成的目標代碼效率高且相對容易理解，借助Keil 開發(fā)可以更好地展現(xiàn)采用高級語言編寫程序的優(yōu)勢。

采用Visual studio2019 編譯C 程序，開發(fā)工具集較為齊全，包括整個軟件生命周期所需的大部分開發(fā)工具。經(jīng)Visual studio 2019完成編寫與編譯的代碼具有良好的移植性，適用于微軟支持的所有平臺。

2.2 軟件總體設計

軟件系統(tǒng)包括主程序、數(shù)據(jù)采集子程序、瓦斯?jié)舛蕊@示子程序、報警子程序及通信子程序，是依托STM32 固件函數(shù)庫進行模塊化設計的程序。軟件的主程序和各個子程序遵循自頂向下的原則完成編寫與設計。軟件程序體系框圖如圖3 所示。

圖3 軟件框圖

程序在通電后進入初始化階段，各傳感器置零、復位，LCD 顯示模塊進行初始化設置，UART 有線通信模塊進行準備工作，待初始化完成后開始采集數(shù)據(jù)，通過A/D 轉(zhuǎn)換輸出數(shù)字量。核心板接收數(shù)字信號并依據(jù)預設程序判斷氣體濃度是否超限，超過限定值聲光報警模塊發(fā)出具有警示作用的聲光信號。將相應數(shù)據(jù)上傳給上位機的同時在顯示模塊顯示，軟件的工作流程圖如圖4所示。

圖4 軟件流程圖

2.3 A/D 采集模塊軟件部分

A/D 采集模塊軟件部分內(nèi)部電阻阻值比—PPM 擬合曲線過程如圖5所示。

圖5 內(nèi)部電阻阻值比—PPM 擬合曲線過程

MQ-7 電化學甲醛傳感器的技術(shù)指標如表2所示。輸出電平值，根據(jù)MQ-7 傳感器產(chǎn)品說明書中給定的內(nèi)部工作電阻阻值比—PPM 曲線，經(jīng)過五次多項式標點擬合，如圖5。得到PPM 計算公式：PPM=98.322×（Rs/R0）^（-1.458）。

表2 MQ-7 一氧化碳傳感器的技術(shù)指標

2.4 RS232 有線通信模塊

基于RS232 的UART 有線串行通信模塊收發(fā)數(shù)據(jù)，根據(jù)約定的報文幀頭和功能字組織報文幀結(jié)構(gòu)，持續(xù)發(fā)送含有瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)的報文幀。組織含瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)的報文幀并向上位機發(fā)送的子函數(shù)示例程序為：

向上位機發(fā)送預先定義的一個包括幀頭、校驗位、功能字以及多個數(shù)據(jù)位，代表數(shù)據(jù)幀的數(shù)組。根據(jù)需求將各位置位或置零，用一個循環(huán)調(diào)用發(fā)送函數(shù)，將整個數(shù)組發(fā)送到上位機。幀頭設定為0x88，功能字有待根據(jù)使用實際情況進行定義。而校驗和為所有數(shù)據(jù)位加和得到的結(jié)果，上位機接收到數(shù)據(jù)后可再次進行校驗計算并核對，以確保數(shù)據(jù)的正確傳輸。

2.5 顯示模塊軟件部分

在使用LCD12864 前，需將LCD 初始化，待初始化完成后，方可進行讀寫數(shù)據(jù)等操作。

CS 引腳接高電平時，LCD12864 可以接收數(shù)據(jù)，在低電平狀態(tài)下轉(zhuǎn)換為鎖存狀態(tài)。

傳遞信息的過程中，數(shù)據(jù)被拆分成2 個字節(jié)傳輸或接收，低四位均置0。例如大寫字母A 的二進制碼0100 0010 在該過程被拆分成0100 0000 與0010 0000 進行傳輸。

ST7920 作為LCD12864 的控制芯片，擁有豐富的字庫資源。在串行通信模式下發(fā)送數(shù)據(jù)，字符編碼被寫入控制器內(nèi)部的顯示數(shù)據(jù)隨機緩存器后芯片從字庫中找到對應編碼，在屏幕上顯示對應字符。

2.6 聲光報警子程序

在程序中預先設置瓦斯?jié)舛葓缶撝?，傳感器采集?shù)據(jù)經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換將氣體濃度模擬量轉(zhuǎn)換為電平值傳送至CPU 核心區(qū)域經(jīng)過PPM 轉(zhuǎn)換公式后與報警濃度閾值比較，當采集到的濃度數(shù)據(jù)高于報警閾值時，IO 引腳輸出高電壓信號，引導報警模塊工作。

3 檢測與分析

在濃度數(shù)據(jù)采集子程序中，MQ-7 一氧化碳傳感器采用I/O 口實現(xiàn)與單片機的數(shù)據(jù)交換與傳遞。檢測儀在正常運轉(zhuǎn)時，周期性地向具有數(shù)據(jù)采集功能的傳感器模塊發(fā)出讀取氣體濃度命令?！埃╝dc_get=Get_Adc_Average（ADC_Channel_5，20）；temp（float）adcx*（3.3/4 096）” 并 對模塊返回的電壓數(shù)據(jù)，利用擬合的公式：PPM ＝98.322×（/0）^（-1.458）進行處理，得到空氣中的一氧化碳PPM 濃度。程序返回的一氧化碳PPM 濃度數(shù)值高于預先設定值會改變報警模塊的輸入電平，誘發(fā)聲光報警模塊進入警報工作模式，器件安裝如圖6所示。

圖6 實際測試安裝效果

4 結(jié) 論

煤炭在能源行業(yè)、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域仍占有重要地位，瓦斯氣體濃度的實時監(jiān)測報警工作是保障煤炭生產(chǎn)安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。研究瓦斯氣體災害的監(jiān)測預警對開發(fā)煤炭資源、保障我國能源安全、穩(wěn)定具有現(xiàn)實意義。研究瓦斯氣體災害，是貫徹安全生產(chǎn)、生命至上的體現(xiàn)。本文設計的礦用瓦斯檢測儀具有成本低、可靠性高、低功耗以及響應速度快等特點，能夠快速可靠地檢測瓦斯氣體的濃度并及時報警。