煤礦井下安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

河北理工大學(xué)信息學(xué)院 摘要 系統(tǒng)的軟件設(shè)計4.1軟件介紹本系統(tǒng)的軟件開發(fā)選用了Keil4作為集成開發(fā)環(huán)境。Keil4是一款在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)領(lǐng)域廣受歡迎的工具，其全面的功能和出色的性能為的設(shè)計提供了強有力的支持。Keil4不僅支持多種單片機芯片，還集成了項目管理、源代碼編輯、編譯、鏈接及下載仿真等全套開發(fā)工具，極大地方便了的軟件開發(fā)流程。在的設(shè)計中，Keil4的μVision組件發(fā)揮了核心作用。其高度集成的開發(fā)環(huán)境支持多種芯片平臺，非常適合這次針對煤礦井下安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的開發(fā)工作。μVision的項目管理功能幫助高效地組織和管理了所有的源代碼、庫文件以及目標(biāo)文件，使得復(fù)雜的軟件開發(fā)流程變得井井有條。同時，其強大的源碼編輯器提供了豐富的編輯功能，如代碼折疊、語法高亮等，顯著提升了的編程效率。充分利用了Keil4的C編譯器和鏈接器，它們能夠根據(jù)芯片架構(gòu)優(yōu)化代碼，確保最終生成的軟件能夠在煤礦井下的惡劣環(huán)境中穩(wěn)定運行。編譯器的完全ANSIC標(biāo)準(zhǔn)遵從性和對C++語法的支持，為的編程工作提供了極大的靈活性。同時，鏈接器的高效工作使得的軟件能夠順暢地運行在目標(biāo)硬件上。Keil4的模擬器在的設(shè)計過程中也發(fā)揮了重要作用。它能夠?qū)崿F(xiàn)基于芯片級的完全模擬，讓在無需實際硬件的情況下就能進(jìn)行程序代碼的調(diào)試和實時系統(tǒng)行為的模擬。這大大加速了的開發(fā)進(jìn)程，并確保了軟件的穩(wěn)定性和可靠性。Keil4以其出色的性能和友好的操作界面，成為了煤礦井下安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)軟件開發(fā)中不可或缺的工具。圖4.1Keil_4軟件界面4.2軟件程序的設(shè)計4.2.1系統(tǒng)工作流程本系統(tǒng)的主程序流程一般情況先初始化程序，對外設(shè)進(jìn)行初始化配置。包括初始化單片機、LCD、溫濕度和無線模塊等。定時讀取溫濕度、煙霧、粉塵等傳感器，對采集到的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)換。實時監(jiān)測各項參數(shù)是否超出預(yù)設(shè)的閾值。如果超過閾值，則跳轉(zhuǎn)至"報警處理"程序。循環(huán)掃描按鍵狀態(tài)，如果檢測到按鍵按下，則跳轉(zhuǎn)至"參數(shù)設(shè)置"程序。刷新LCD顯示屏，實時將檢測到的各項參數(shù)數(shù)值顯示出來，并顯示報警狀態(tài)等提示信息。定時發(fā)送檢測數(shù)據(jù)至手機App端，以便遠(yuǎn)程監(jiān)控檢測情況。這種主程序設(shè)計合理劃分了各模塊功能，并通過周期性掃描和處理各項參數(shù)，實現(xiàn)對復(fù)雜環(huán)境的實時監(jiān)控。同時主程序中設(shè)置了多個中斷服務(wù)子程序的分支，以應(yīng)對突發(fā)事件如報警、按鍵輸入等。整體的設(shè)計流程圖如圖4.3所示。圖4.2系統(tǒng)工作流程圖4.2.2粉塵監(jiān)測子程序粉塵監(jiān)測子程序負(fù)責(zé)實時讀取粉塵傳感器的輸出值，根據(jù)預(yù)設(shè)的粉塵濃度閾值，判斷當(dāng)前環(huán)境中的粉塵濃度是否超標(biāo)，并在超標(biāo)時觸發(fā)相應(yīng)的報警處理。在程序開始時，首先初始化粉塵傳感器GP2Y1010AU，確保傳感器能夠正常工作。定時從粉塵傳感器的模擬量輸出端口讀取電壓值，該電壓值代表了當(dāng)前的粉塵濃度，將讀取到的模擬量電壓值通過特定的轉(zhuǎn)換公式轉(zhuǎn)換成實際的粉塵濃度值。將計算得到的粉塵濃度值與預(yù)設(shè)的閾值進(jìn)行比較，判斷當(dāng)前濃度是否超標(biāo)。若粉塵濃度超標(biāo)，則觸發(fā)聲光報警，并通過無線模塊向遠(yuǎn)程移動終端發(fā)送報警信息。圖4.3粉塵檢測子程序流程圖4.2.3煙霧監(jiān)測子程序煙霧監(jiān)測子程序用于實時監(jiān)測環(huán)境中的煙霧濃度，當(dāng)煙霧濃度超過預(yù)設(shè)閾值時，觸發(fā)報警處理，并通過無線模塊發(fā)送報警信息。首先程序初始化MQ-4煙霧傳感器，包括預(yù)熱等操作，以確保傳感器正常工作。定時從煙霧傳感器的模擬量輸出端口讀取電壓值，該電壓值代表了當(dāng)前的煙霧濃度。基于煙霧傳感器的特性曲線和輸出電壓值，計算當(dāng)前的煙霧濃度。將計算得到的煙霧濃度值與預(yù)設(shè)的閾值進(jìn)行比較，判斷當(dāng)前濃度是否超標(biāo)。若煙霧濃度超標(biāo)，則啟動聲光報警，并通過ESP8266無線模塊向遠(yuǎn)程移動終端發(fā)送包含煙霧濃度超標(biāo)信息的報警信號，以便相關(guān)人員及時采取應(yīng)對措施。圖4.4煙霧檢測子程序流程圖4.3本章小結(jié)本章介紹了系統(tǒng)軟件設(shè)計的相關(guān)內(nèi)容。首先對開發(fā)工具Keil4軟件環(huán)境進(jìn)行了詳細(xì)說明。然后分別給出了主程序、按鍵掃描處理程序、環(huán)境參數(shù)采集和判斷程序的流程圖，并對每個流程圖的核心步驟和功能邏輯進(jìn)行了細(xì)致闡述。通過這些圖文并茂的講解，使讀者能夠透徹理解軟件程序的整體架構(gòu)和具體實現(xiàn)細(xì)節(jié)。由于章節(jié)篇幅所限，后文中并未附帶完整的程序代碼，但通過流程圖和文字說明，也基本可以還原出系統(tǒng)軟件的編程思路和技術(shù)方案。結(jié)論結(jié)論PAGE23 5系統(tǒng)的測試5.1軟件硬件調(diào)試任何一個系統(tǒng)的都離不開反復(fù)的硬件測試和軟件調(diào)試，煤礦井下安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)也不例外。為了確保系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，進(jìn)行了多次的測試和調(diào)試工作。在硬件調(diào)試方面，需要對所有硬件電路的連接和元器件選型進(jìn)行檢查，確保線路無誤、元件型號的的準(zhǔn)確性等。特別是對于單片機最小系統(tǒng)電路和各個傳感器的鏈接。對所有硬件模塊進(jìn)行單元測試，測試時先將每個模塊與主控單片機獨立連接，檢查其是否能正常工作。比如，測試溫濕度傳感器時就將其單獨連接至單片機，編寫讀取溫濕度的測試程序，查看溫濕度讀數(shù)是否正確。同時也要檢查模塊在不同工作狀態(tài)下的電壓、電流和發(fā)熱等參數(shù)是否合理。對于出現(xiàn)異常的模塊，及時更換備件，直至全部模塊工作正常，在所有硬件測試通過后，對整個系統(tǒng)硬件電路進(jìn)行功能驗證測試。將所有模塊組裝在一起，檢查它們在協(xié)同工作時是否存在電路沖突和干擾。同時也觀察系統(tǒng)在不同工作模式下的功耗、溫升和可靠性，并進(jìn)行一定時間的老化測試，以發(fā)現(xiàn)硬件系統(tǒng)可能存在的潛在問題。硬件測試基本通過后，開始著手于軟件的調(diào)試工作。首先在Keil軟件中完成了每個程序模塊的編寫，包括主程序、按鍵掃描、溫度檢測、繼電器控制和ESP8266WIFI等模塊。對于出現(xiàn)邏輯錯誤的程序，通過設(shè)置斷點、查看變量等手段準(zhǔn)確定位并修正錯誤。在Keil仿真器上運行測試通過后，將程序逐步下載至目標(biāo)板，進(jìn)行實際的硬件運行測試。在硬件運行測試中，重點關(guān)注了各模塊的工作狀態(tài)。比如觀察溫濕度傳感器讀數(shù)是否正常、LCD顯示內(nèi)容是否正確等。一旦發(fā)現(xiàn)問題，就立即根據(jù)具體現(xiàn)象分析原因，查找程序錯誤并加以修正。在反復(fù)的硬件調(diào)試和軟件修正中，系統(tǒng)不斷完善，直至最終通過所有測試。這個過程對人的耐心和細(xì)致是有很大要求的，更需要硬件驅(qū)動編程和系統(tǒng)調(diào)試能力，以及對所有軟硬件細(xì)節(jié)熟悉，因此確保系統(tǒng)的精度。5.2實物展示經(jīng)過長期的設(shè)計和測試，最終設(shè)計出基于STC12C5A60S2單片機的煤礦井下安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的實物。該實物板集成了溫濕度、煙霧、粉塵環(huán)境監(jiān)測、液晶顯示、按鍵操作、聲光報警以及無線通信等全部功能模塊，可實現(xiàn)對煤礦環(huán)境的全方位監(jiān)測和智能預(yù)警。圖5.1系統(tǒng)實物圖5.3本章小結(jié)最后一章圍繞系統(tǒng)的軟硬件聯(lián)調(diào)測試以及實物展示進(jìn)行了詳盡的介紹。在測試環(huán)節(jié)，進(jìn)行了單元測試、集成測試、環(huán)境測試、極限測試等多個層次的測試工作。通過反復(fù)測試不斷發(fā)現(xiàn)并修正缺陷，最終確保系統(tǒng)各項功能和性能指標(biāo)均能滿足設(shè)計要求。結(jié)論本文針對煤礦安全生產(chǎn)的實際需求，設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于STC12C5A60S2單片機的智能化煤礦井下安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)融合了溫濕度、煙霧濃度、粉塵濃度等多種環(huán)境參數(shù)的實時檢測功能，能夠全面監(jiān)控井下作業(yè)環(huán)境。同時，系統(tǒng)還集成了聲光報警和無線通信兩大模塊，一旦發(fā)生環(huán)境異常，立即觸發(fā)報警并將報警信息發(fā)送至遠(yuǎn)程移動終端，從而有效保障礦工的人身安全。在硬件設(shè)計方面，該系統(tǒng)集成了STC12C5A60S2單片機控制核心、各種先進(jìn)傳感器、液晶顯示模塊、無線通信模塊以及其他配套電路，結(jié)構(gòu)緊湊、性能卓越。軟件設(shè)計上則采用了模塊化的編程思路，將不同功能劃分為獨立模塊，程序結(jié)構(gòu)清晰、可靠性高。經(jīng)過大量的測試和實物演示，該系統(tǒng)各項性能指標(biāo)均達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，完全滿足了煤礦復(fù)雜環(huán)境下的檢測和預(yù)警需求。相比現(xiàn)有產(chǎn)品，本系統(tǒng)具有功能全面、體積小巧、操作簡便、性價比高等優(yōu)勢，在提高煤礦安全生產(chǎn)水平方面具有重要的應(yīng)用價值。未來，將進(jìn)一步完善和優(yōu)化系統(tǒng)功能，提高監(jiān)測精度和可靠性，增強抗干擾能力，以期為煤礦企業(yè)提供更加智能化、一體化的安全生產(chǎn)解決方案，為祖國的能源事業(yè)貢獻(xiàn)自己的一份力量。附錄A謝辭參考文獻(xiàn)[1]LiS,TianJ,KuiH,etal.Designandimplementationofvehiclemonitoringandearly-warningsystembasedonWinCE[J].IEEE,2011.DOI:10.1109/ICEICE.2011.5777140.[2]Guang-MingGU.Designandimplementationofcoalminesafetymonitoringandmanagementsystem[J].ElectronicDesignEngineering,2011.[3]李旭東,張明,田大兵,等.一種煤礦安全監(jiān)測報警控制系統(tǒng):,CN110195614A[P].2019.[4]孟鑫博.煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)防治無信號、誤報警應(yīng)用技術(shù)研究[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟,2018(9):3.[5]王啟峰,祝國源,孫小進(jìn).基于FPGA的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控分站的設(shè)計[J].工礦自動化,2020(10):3.[6]鄭英華,王勇,侯媛彬.基于DSP的雙局扇監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)下位機的設(shè)計與實現(xiàn)[C]//全國煤礦自動化學(xué)術(shù)年會暨中國煤炭學(xué)會自動化專業(yè)委員會學(xué)術(shù)會議.2020.[7]冀汶莉.煤礦安全綜合監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成與應(yīng)用研究[D].西安科技大學(xué).2021.[8]徐斌,杜慧華,徐軍,等.一種煤炭地下氣化礦井式氣化爐安全保障系統(tǒng):,CN210738541U[P].2020.[9]王功進(jìn).淺談瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的管理[J].煤炭技術(shù),2004,23(011):76-77.[10]徐維維,胡亞非,李解.基于S7-300和Wincc的礦井通風(fēng)機監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)[J].煤礦安全,2019,42(7):3.[11]費玲玲.基于ARM的瓦斯實時監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)[J].煤炭技術(shù),2023.[12]高濤,章俊,郝科峰,等.水泵自動控制系統(tǒng)在新義煤礦的應(yīng)用[J].煤炭科技,2022(2):2.[13]翟曉華,喬守全,潘銘志.嵌入式瓦斯和氧氣濃度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].煤炭技術(shù),2019(12):3.[14]位小安.礦井監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)使用中問題及對策[J].煤炭科技,2018(4):3.[15]龔大立,朱曉寧,李園園,等.煤炭生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng)及方法:,CN114859839A[P].2022.[16]陳向飛.煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)邏輯控制自動檢測裝置設(shè)計[J].工礦自動化,2022,48(6):5.[17]黃志敏.智能控制在礦山機電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟,2021(15):2.[18]秦貴成,何健,孫月明,等.一種煤炭礦山井下瓦斯安全監(jiān)測裝置:,CN212456164U[P].2021.[19]于雁南.基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)及分布式SVG礦用綜合安保裝置的研究[C]//煤炭行業(yè)青年科學(xué)家論壇.2018.[20]劉怡沛,江龍韜,秦嶺,等.基于嵌入式的可移動環(huán)境監(jiān)測機器人系統(tǒng)設(shè)計與研究[J].計算機測量與控制,2023,31(2):8.附錄A謝辭謝辭本課題的完成得益于指導(dǎo)老師的悉心指導(dǎo)。在整個設(shè)計和實現(xiàn)的過程中，老師不僅傳授了專業(yè)知