煤礦井下作業(yè)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）第摘要本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的煤礦井下作業(yè)安全監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由主機(jī)和從機(jī)兩部分組成，主機(jī)由STM32F103單片機(jī)、OLED顯示模塊、按鍵、蜂鳴器報(bào)警模塊和LLCC68通信模塊構(gòu)成；從機(jī)由STM32F103單片機(jī)、OLED顯示模塊、DHT11溫濕度傳感器、MQ-4甲烷傳感器、A0-01氧氣傳感器、MQR12體征傳感器和LLCC68通信模塊組成。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)井下作業(yè)人員健康狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)環(huán)境溫濕度、氧氣濃度和可燃?xì)怏w濃度進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超出設(shè)定閾值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警并將信息發(fā)送至上位機(jī)。該系統(tǒng)還集成了基于RFID的人員定位功能，可精確定位井下作業(yè)人員的位置。關(guān)鍵詞：煤礦安全監(jiān)測(cè)；單片機(jī)控制；環(huán)境檢測(cè)；健康檢測(cè)；人員定位

AbstractThisarticledesignsacoalmineundergroundoperationsafetymonitoringandcontrolsystembasedonamicrocontroller.Thesystemmainlyconsistsofahostandaslave.ThehostconsistsofanSTM32F103microcontroller,anOLEDdisplaymodule,buttons,abuzzeralarmmodule,andanLLCC68communicationmodule;TheslaveconsistsofSTM32F103microcontroller,OLEDdisplaymodule,DHT11temperatureandhumiditysensor,MQ-4methanesensor,A0-01oxygensensor,MQR12signsensor,andLLCC68communicationmodule.Thissystemcanachievereal-timemonitoringofthehealthstatusofundergroundworkers,anddetectenvironmentaltemperatureandhumidity,oxygenconcentration,andcombustiblegasconcentration.Whenthemonitoringdataexceedsthesetthreshold,thesystemwillsoundandlightanalarmandsendtheinformationtotheuppercomputer.ThesystemalsointegratesRFIDbasedpersonnelpositioningfunction,whichcanaccuratelylocatethepositionofundergroundworkers.Keywords：coalminesafetymonitoring;Singlechipmicrocomputercontrol;Environmentaltesting;Healthtesting;Personnelpositioning

目錄11486第1章緒論 第1章緒論1.1課題的目的和意義煤礦作為我國最主要的能源基地之一，其安全生產(chǎn)問題一直受到國家和社會(huì)的高度重視。由于井下作業(yè)環(huán)境的惡劣性和潛在危險(xiǎn)性，很容易發(fā)生各種安全事故，給礦工的生命安全帶來巨大威脅。因此，開發(fā)一種高效、可靠的安全監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，對(duì)于保障礦工的人身安全，減少安全事故的發(fā)生，維護(hù)煤礦的正常開采生產(chǎn)具有極其重要的意義。本課題的目的正是設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下作業(yè)環(huán)境和人員健康狀況的全方位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)各種異常情況并發(fā)出報(bào)警，從而最大程度地避免事故發(fā)生，確保礦工的人身安全。該系統(tǒng)對(duì)于提高煤礦安全生產(chǎn)水平，推動(dòng)我國煤炭工業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)的意義。1.2課題背景我國是世界煤炭資源大國，煤炭一直是支撐國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主力能源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2022年我國煤炭產(chǎn)量約39.7億噸，在一次能源消費(fèi)總量中占比約57%，對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有舉足輕重的影響。然而，與煤炭工業(yè)的繁榮發(fā)展形成鮮明對(duì)比的是，多年來安全生產(chǎn)事故頻頻發(fā)生，造成了大量人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，嚴(yán)重威脅了煤礦企業(yè)的生存發(fā)展和行業(yè)健康運(yùn)行。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近五年來我國每年因煤礦安全事故導(dǎo)致的遇難人數(shù)在數(shù)百人左右，給礦工家庭和社會(huì)帶來了沉重的災(zāi)難。分析造成這些安全事故的主要原因，包括井下作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、監(jiān)測(cè)手段落后、應(yīng)急救援能力不足等。因此，亟需研發(fā)一種先進(jìn)的煤礦安全監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境和人員的全面監(jiān)控，從根本上解決安全生產(chǎn)問題。1.3文獻(xiàn)綜述煤礦安全生產(chǎn)一直是全球采礦業(yè)普遍關(guān)注的重點(diǎn)問題,特別是在煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)大國中國,煤礦安全問題更加突出和緊迫。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為確保井下作業(yè)安全的重要技術(shù)手段備受關(guān)注,國內(nèi)外學(xué)者和工程技術(shù)人員在這一領(lǐng)域進(jìn)行了大量卓有成效的研究和實(shí)踐探索。近年來,煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。這些系統(tǒng)通常由傳感器、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等多個(gè)部分組成,組成一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)化、智能化系統(tǒng),主要用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并控制井下的環(huán)境參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),從而最大限度確保作業(yè)人員的人身安全。尚守恭在2019年的研究中對(duì)現(xiàn)有煤礦安全監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)描述,強(qiáng)調(diào)了該系統(tǒng)在預(yù)防事故、提高生產(chǎn)效率方面的重要作用。在技術(shù)創(chuàng)新方面,國內(nèi)學(xué)者和工程師也做出了諸多有價(jià)值的嘗試和突破。李旭東等人在2019年和2020年連續(xù)發(fā)表了兩項(xiàng)關(guān)于煤礦安全監(jiān)測(cè)報(bào)警控制系統(tǒng)的專利。這些創(chuàng)新系統(tǒng)集成了多種傳感器,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下溫濕度、有害氣體濃度等關(guān)鍵安全參數(shù),一旦超過預(yù)設(shè)閾值便自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警,及時(shí)應(yīng)對(duì)潛在風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí),針對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行中常見的誤報(bào)警問題,孟鑫博在2018年的研究中提出了切實(shí)可行的解決方案,有效降低了系統(tǒng)誤報(bào)警率,提高了監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。隨著硬件技術(shù)的飛速發(fā)展,FPGA、DSP等新型芯片和處理器也被逐步引入到煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。王啟峰等人在2020年設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的煤礦安全監(jiān)控分站系統(tǒng),大幅提升了數(shù)據(jù)處理速度和系統(tǒng)可靠性。鄭英華等人則在同年基于DSP芯片開發(fā)出一種雙局扇監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的精確監(jiān)控和控制。除了綜合性的大系統(tǒng),針對(duì)特定安全問題的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也備受關(guān)注。徐斌等人于2020年設(shè)計(jì)了一套煤炭地下氣化爐的安全保障監(jiān)控系統(tǒng);王功進(jìn)于2004年則重點(diǎn)研究了瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的管理問題;徐維維和費(fèi)玲玲則分別于2019年和2023年基于S7-300及Wincc、ARM等技術(shù)開發(fā)出礦井通風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和實(shí)時(shí)瓦斯預(yù)警系統(tǒng)等。盡管煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已取得了長(zhǎng)足進(jìn)步,但仍存在諸多問題和不足。位小安在2018年指出了礦井監(jiān)控系統(tǒng)在實(shí)際使用中遇到的常見問題,并提出了改進(jìn)對(duì)策。翟曉華等人則于2019年專門設(shè)計(jì)了一種嵌入式瓦斯氧氣濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng),提高了有害氣體監(jiān)測(cè)的精確度和實(shí)時(shí)響應(yīng)能力?？偟膩碚f,煤礦井下作業(yè)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是保障采礦安全生產(chǎn)的重中之重。通過近年來國內(nèi)外研究的綜述可以看出,這一領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和成果應(yīng)用取得了矚目的進(jìn)展,但仍有諸多問題有待進(jìn)一步解決和完善。未來,隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)的不斷發(fā)展和融合應(yīng)用,煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必將向更加智能化、自動(dòng)化的方向發(fā)展,進(jìn)一步提升監(jiān)測(cè)的精確性、及時(shí)性和可靠性,為煤礦安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。1.4本領(lǐng)域存在的問題現(xiàn)有的煤礦安全監(jiān)測(cè)技術(shù)和系統(tǒng)還存在以下幾個(gè)主要問題和不足：大多數(shù)系統(tǒng)只能檢測(cè)部分參數(shù)，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境和人員的全方位監(jiān)測(cè)，覆蓋面較窄。系統(tǒng)檢測(cè)精度和實(shí)時(shí)性不高，響應(yīng)滯后，難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)情況。系統(tǒng)報(bào)警機(jī)制和信號(hào)覆蓋范圍存在缺陷，難以及時(shí)通知到井下作業(yè)人員。部分技術(shù)難以在惡劣的井下環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)可靠性有待提高。大多數(shù)系統(tǒng)成本偏高，制約了在全國范圍內(nèi)的大規(guī)模推廣和應(yīng)用。1.5本課題主要研究?jī)?nèi)容針對(duì)現(xiàn)有煤礦安全監(jiān)測(cè)技術(shù)的種種不足，本課題以"實(shí)用、高效、經(jīng)濟(jì)"為設(shè)計(jì)理念，開發(fā)一種全新的基于單片機(jī)的煤礦井下作業(yè)安全監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)將集成環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)、人員健康狀況監(jiān)測(cè)和定位等多種功能模塊。主要研究?jī)?nèi)容包括：系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)，包括硬件結(jié)構(gòu)、軟件流程、通信方式等。設(shè)計(jì)溫濕度、氧氣濃度、可燃?xì)怏w濃度等環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊。設(shè)計(jì)血壓、血氧、心率等人員健康監(jiān)測(cè)模塊。集成RFID定位技術(shù)，研發(fā)出人員精確定位模塊。開發(fā)聲光電子報(bào)警器，及時(shí)通知作業(yè)人員危險(xiǎn)情況。設(shè)計(jì)上位機(jī)監(jiān)控軟件，集中顯示各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)對(duì)井下作業(yè)環(huán)境和人員的全面實(shí)時(shí)監(jiān)控，自動(dòng)識(shí)別各種危險(xiǎn)情況并發(fā)出報(bào)警，從而最大限度地避免事故發(fā)生，切實(shí)保障礦工的生命安全。該系統(tǒng)不僅集成了先進(jìn)的傳感器和單片機(jī)技術(shù)，而且具備精度高、成本低的特點(diǎn)，可望在全國范圍內(nèi)得到大規(guī)模推廣應(yīng)用，從而有力推動(dòng)我國煤礦安全生產(chǎn)水平的全面提升。

第2章功能與設(shè)計(jì)方案2.1系統(tǒng)功能要求設(shè)計(jì)（1）環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)功能實(shí)時(shí)檢測(cè)并顯示井下作業(yè)區(qū)域的溫度、濕度、氧氣濃度和可燃?xì)怏w（如甲烷）濃度等關(guān)鍵參數(shù)，當(dāng)任一參數(shù)超過設(shè)定閾值時(shí)立即發(fā)出聲光報(bào)警。（2）人員健康狀況監(jiān)測(cè)功能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)礦工的生命體征數(shù)據(jù)，包括血壓（收縮壓和舒張壓）、血氧飽和度、心率等，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況立即報(bào)警。（3）人員位置定位功能借助RFID射頻識(shí)別技術(shù)，精確獲取井下每位礦工的實(shí)時(shí)位置坐標(biāo)，為應(yīng)急救援和撤離提供位置信息支持。（4）現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警功能當(dāng)監(jiān)測(cè)到任何參數(shù)異常時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)控制箱立即通過聲光報(bào)警設(shè)備發(fā)出警報(bào)，提醒作業(yè)人員采取應(yīng)急措施。（5）數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸功能將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過無線通信模塊實(shí)時(shí)傳輸至地面監(jiān)控中心，并在上位機(jī)系統(tǒng)顯示各項(xiàng)參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。（6）人機(jī)交互設(shè)置功能通過操作現(xiàn)場(chǎng)控制箱上的按鍵，可以設(shè)置每項(xiàng)參數(shù)的報(bào)警閾值，以及其他系統(tǒng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)靈活可調(diào)。本系統(tǒng)能夠全方位、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地監(jiān)控煤礦作業(yè)環(huán)境和人員的健康狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)各種異常情況并報(bào)警，確保第一時(shí)間采取應(yīng)急措施，最大限度地避免發(fā)生人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失事故，對(duì)于提高煤礦安全生產(chǎn)水平具有重要意義。2.2系統(tǒng)方案比較與選擇系統(tǒng)方案選擇：在系統(tǒng)整體控制方案選擇上，可供選擇的有兩種常見方案：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制方案和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC）控制方案。工控機(jī)具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力、豐富的外設(shè)接口和模塊化的硬件結(jié)構(gòu)，非常適合于復(fù)雜監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建。但相應(yīng)地，工控機(jī)體積笨重、功耗較高、成本昂貴，并且需要編寫底層驅(qū)動(dòng)程序才能調(diào)用硬件資源，工作量大且維護(hù)困難。相比之下，單片機(jī)具有體積小巧、功耗低、價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)，其編程相對(duì)簡(jiǎn)單，資源調(diào)用方便，而且現(xiàn)在的高端單片機(jī)也具備一定的運(yùn)算能力。綜合考慮體積、功耗、成本、編程便利性等因素，本系統(tǒng)最終選擇基于單片機(jī)的控制方案。單片機(jī)模塊的選型：對(duì)于單片機(jī)的型號(hào)選擇，常見的選擇有傳統(tǒng)的8位單片機(jī)（如51系列、AVR系列）和新興的32位ARM單片機(jī)。8位單片機(jī)工作頻率一般在幾十MHz以下，運(yùn)算能力、存儲(chǔ)空間和外設(shè)接口有限，無法完全滿足本系統(tǒng)的各項(xiàng)需求。因此，本系統(tǒng)選擇采用運(yùn)算能力更強(qiáng)、存儲(chǔ)空間更大、IO口更豐富的32位STM32F103單片機(jī)。該單片機(jī)采用ARMCortex-M3內(nèi)核，主頻可高達(dá)72MHz，內(nèi)置512KB的FLASH存儲(chǔ)器和64KB的SRAM，并提供多達(dá)112個(gè)通用IO口和豐富的外設(shè)，如DMA、ADC、定時(shí)器、串口等，完全能夠勝任復(fù)雜的控制任務(wù)。此外，STM32F103采用靈活的寄存器堆棧結(jié)構(gòu)，支持豐富的指令集，能夠快速響應(yīng)中斷，適合于實(shí)時(shí)監(jiān)控任務(wù)。最重要的是，STM32是一款符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的ARM內(nèi)核芯片，其生態(tài)圈成熟，擁有海量的開源資源和技術(shù)文檔，有利于程序的開發(fā)和調(diào)試。溫濕度檢測(cè)模塊的選型：方案一：DHT11數(shù)字溫濕度傳感器DHT11是一款低成本、精度中等的數(shù)字溫濕度復(fù)合傳感器。它的測(cè)量范圍為0~50℃濕度20%~90%RH，分辨率為1℃和1%RH。DHT11體積小巧、功耗極低、信號(hào)質(zhì)量好、抗干擾能力強(qiáng)、與單片機(jī)通信方便，是目前應(yīng)用最廣泛的溫濕度傳感器之一。方案二：AM2302數(shù)字溫濕度傳感器AM2302是DHT11的升級(jí)版本，測(cè)量精度更高，分別為±0.5℃和±2%RH。但其價(jià)格更高，體積更大，功耗更高。鑒于煤礦環(huán)境溫濕度變化范圍較大，為了獲得較高的測(cè)量精度，本系統(tǒng)選擇DHT11作為溫濕度檢測(cè)模塊。DHT11的測(cè)量精度雖然稍低于AM2302，但已經(jīng)能夠滿足監(jiān)測(cè)需求，而且它的價(jià)格、體積和功耗優(yōu)勢(shì)明顯。顯示模塊的選型：方案一：LCD1602液晶顯示屏LCD1602是一款常見的基于HD44780控制器的小尺寸液晶顯示屏，具有成本低、功耗低的優(yōu)點(diǎn)。它采用簡(jiǎn)單的并行通信方式與單片機(jī)相連，驅(qū)動(dòng)程序簡(jiǎn)單。方案二：OLED顯示屏OLED（有機(jī)發(fā)光二極管）顯示屏與LCD相比，具有自發(fā)光、響應(yīng)速度快、對(duì)比度高、視角寬等優(yōu)點(diǎn)，但功耗相對(duì)較高，價(jià)格昂貴。目前，控制OLED的常見方式有并行模式、SPI串行模式和I2C串行模式。由于煤礦井下環(huán)境光線昏暗，對(duì)顯示屏的對(duì)比度、視角等有較高要求，因此本系統(tǒng)選擇OLED作為顯示模塊。具體而言，我們選用128x64分辨率、I2C接口驅(qū)動(dòng)的OLED顯示屏，既能滿足顯示需求，又有利于節(jié)省IO口資源，降低功耗。2.2設(shè)計(jì)框圖如下圖所示，本系統(tǒng)由主控制單元、環(huán)境檢測(cè)單元、人體健康檢測(cè)單元、RFID定位單元、報(bào)警單元、按鍵設(shè)置單元和無線通信單元等多個(gè)模塊組成。圖2-1系統(tǒng)框圖

第3章系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1STM32F103主控制模塊作為本系統(tǒng)的核心控制單元，STM32F103單片機(jī)承擔(dān)了絕大部分的運(yùn)算、控制和通信任務(wù)。STM32F103屬于32位ARMCortex-M3內(nèi)核的高性能微控制器，最高主頻可達(dá)72MHz，搭載了512KB的FLASH存儲(chǔ)器和64KB的SRAM，支持豐富的外設(shè)資源，包括多路定時(shí)器、看門狗、多通道DMA、多路串口、SPI、I2C、CAN、USB等。STM32F103在本系統(tǒng)中對(duì)各個(gè)傳感器模塊的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和解析；將解析后的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)檢測(cè)到任一參數(shù)異常時(shí)，通過查詢中斷向量表并調(diào)用相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序，點(diǎn)亮報(bào)警指示燈、鳴響蜂鳴器等；同時(shí)將報(bào)警信息和檢測(cè)數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給無線通信模塊，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)上傳；還需定期從按鍵模塊讀取用戶輸入，實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置等人機(jī)交互功能；最后，將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示在OLED屏幕上，以供現(xiàn)場(chǎng)觀察。STM32F103的硬件設(shè)計(jì)十分緊湊，只需最小系統(tǒng)的幾個(gè)外部元器件即可正常運(yùn)行。對(duì)于本系統(tǒng)，我們利用其豐富的IO口資源，對(duì)各個(gè)外圍模塊進(jìn)行了合理的分配，使之能高效便捷地與主控制模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。圖3-1STM32F103單片機(jī)3.2MQ-4甲烷檢測(cè)模塊煤礦瓦斯中的主要成分是甲烷，它是無色無味的可燃?xì)怏w，當(dāng)其濃度達(dá)到5%-16%時(shí)極易與空氣混合引發(fā)爆炸。因此，對(duì)甲烷濃度的檢測(cè)是確保煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。MQ-4是一款專門用于檢測(cè)甲烷的電化學(xué)氣體傳感器，具有靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間快、抗干擾能力強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)空氣中存在甲烷時(shí)，甲烷分子會(huì)被傳感器的測(cè)量電極吸附并發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致測(cè)量電路的電流發(fā)生變化，該變化與甲烷濃度成正比。我們只需對(duì)該電流值進(jìn)行采樣和運(yùn)算處理，即可得到甲烷的實(shí)際濃度值。為了獲得穩(wěn)定可靠的檢測(cè)數(shù)據(jù)，MQ-4需要預(yù)熱一段時(shí)間，并進(jìn)行基線校正等處理。本系統(tǒng)將MQ-4氣體傳感器的模擬量輸出端與STM32F103的ADC輸入口相連，經(jīng)過采樣、放大、數(shù)字濾波后，即可以獲得甲烷濃度的精確數(shù)值。同時(shí)，我們也設(shè)置了相應(yīng)的報(bào)警閾值，一旦檢測(cè)到濃度超標(biāo)，立即啟動(dòng)報(bào)警程序，防止發(fā)生安全事故。圖3-2MQ-4甲烷檢測(cè)模塊3.3DHT11溫濕度檢測(cè)模塊DHT11是一款集成能量傳感測(cè)量芯片的數(shù)字溫濕度復(fù)合傳感器，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度和濕度。在工作時(shí)濕度感測(cè)部件首先將濕度值轉(zhuǎn)化為電阻值，溫度感測(cè)部件則是將測(cè)量溫度轉(zhuǎn)化為電壓值，兩者經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路后得到相應(yīng)的數(shù)字量，最后再由專用的數(shù)字模塊計(jì)算實(shí)際的溫濕度數(shù)字值。DHT11的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜、體積小、功耗低、可靠性高，還能對(duì)傳感器進(jìn)行冗余校驗(yàn)確保數(shù)據(jù)的可靠性。同時(shí)，該傳感器采用數(shù)字串行接口與主控制芯片進(jìn)行通信，無需進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，能夠有效提高系統(tǒng)的抗干擾性和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。本系統(tǒng)采用的是DHT11的單總線數(shù)字通信接口，它只需要連接到單片機(jī)的一個(gè)IO口即可，極大地節(jié)省了硬件資源。DHT11向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，只需拉低總線20-40ms，然后釋放總線，再等待20-40us后由傳感器發(fā)出響應(yīng)信號(hào)，主控制器從傳感器端得到相應(yīng)的溫濕度數(shù)據(jù)。為了提高傳輸?shù)目煽啃?，?shù)據(jù)的發(fā)送和接收遵守特定的時(shí)序，同時(shí)包含了許多冗余校驗(yàn)位和數(shù)據(jù)校驗(yàn)。圖3-3DHT11溫濕度檢測(cè)模塊3.4A0-01氧氣檢測(cè)模塊煤礦井下作業(yè)環(huán)境中，氧氣濃度是最關(guān)鍵的環(huán)境參數(shù)之一。正常的空氣中氧氣濃度約為20.9%，當(dāng)氧氣濃度低于18%時(shí)，人體就會(huì)開始感到頭暈、乏力；而當(dāng)濃度降至16%以下時(shí)，將危及生命安全。因此，精確檢測(cè)氧氣濃度對(duì)于防范窒息事故至關(guān)重要。本系統(tǒng)采用的是A0-01型電化學(xué)氧氣傳感器。A0-01基于鋰離子電池原理，通過擴(kuò)散電極上的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流，其電流值與被測(cè)氧氣的分壓成正比。A0-01的主要特點(diǎn)是線性度好、響應(yīng)時(shí)間快（10秒內(nèi)即可檢測(cè)到實(shí)際值的90%）、重復(fù)性佳、體積小巧。它還具備自動(dòng)溫度補(bǔ)償功能，能夠在一定溫度范圍內(nèi)保證測(cè)量的精確度。A0-01將其模擬電流量輸出與單片機(jī)的ADC接口相連，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換和運(yùn)算處理后，即可獲得空氣中氧氣的實(shí)際濃度值。與此同時(shí)，單片機(jī)會(huì)將檢測(cè)值與預(yù)設(shè)的閾值進(jìn)行比較，如果發(fā)現(xiàn)低于安全線，立即觸發(fā)報(bào)警程序，提醒現(xiàn)場(chǎng)人員采取應(yīng)急措施。由于煤礦井下環(huán)境惡劣復(fù)雜，A0-01可能會(huì)由于各種原因（如積塵、腐蝕等）而導(dǎo)致漂移或失效。因此，我們需要定期對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)和維護(hù)，確保其測(cè)量精度。圖3-4A0-01氧氣檢測(cè)模塊3.5MQR12體征檢測(cè)模塊系統(tǒng)的生理體征檢測(cè)模塊可實(shí)時(shí)監(jiān)控礦工的血壓、心率、血氧水平等關(guān)鍵生命體征，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況立即報(bào)警，從而最大限度地避免意外情況的發(fā)生。該模塊的核心是MQR12可穿戴式生理信號(hào)檢測(cè)傳感器，它集成了光電血氧、心電、血壓傳感等多種組件，能夠高精度實(shí)時(shí)檢測(cè)人體主要生理參數(shù)。MQR12將檢測(cè)數(shù)據(jù)通過串口與單片機(jī)相連，傳輸數(shù)據(jù)格式為ASCI碼，便于解析處理。單片機(jī)接收到生理數(shù)據(jù)后，先對(duì)其進(jìn)行分析運(yùn)算，計(jì)算出實(shí)際的生理參數(shù)數(shù)值，再與正常閾值區(qū)間做比對(duì)，一旦發(fā)現(xiàn)異常立即觸發(fā)報(bào)警程序。MQR12精度高、測(cè)量全面、抗干擾能力強(qiáng)、佩戴便捷等。它采用藍(lán)牙無線傳輸，能夠最大限度地減少運(yùn)動(dòng)的干擾；高靈敏度光電傳感器可精確檢測(cè)微弱的生理信號(hào)；同時(shí)其電池續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，可連續(xù)工作24小時(shí)以上。MQR12只是將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的分析和判斷，單片機(jī)在接收解析數(shù)據(jù)時(shí)需要格外小心，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失或者通信錯(cuò)誤。我們將在軟件設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)此作進(jìn)一步的完善和優(yōu)化。圖3-5MQR12體征檢測(cè)模塊3.6按鍵模塊為了實(shí)現(xiàn)方便的人機(jī)交互，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單的按鍵控制模塊。通過幾個(gè)按鍵，用戶可以設(shè)置各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)和生理參數(shù)的報(bào)警閾值，還可以查詢歷史記錄、設(shè)置通信參數(shù)等。按鍵輸入模塊由4個(gè)按鍵組成：增加、減少、確認(rèn)和取消按鍵。單片機(jī)通過掃描按鍵對(duì)應(yīng)的IO口電平，即可獲知當(dāng)前按下的按鍵，并執(zhí)行相應(yīng)的操作。為了防止按鍵抖動(dòng)干擾，我們?cè)谲浖线M(jìn)行了硬件濾波設(shè)計(jì)。當(dāng)用戶需要修改某項(xiàng)參數(shù)閾值時(shí)，通過增加或減少按鍵選擇目標(biāo)參數(shù)，在OLED顯示屏上可顯示當(dāng)前參數(shù)值，按下確認(rèn)鍵后完成設(shè)置；如果不小心輸入錯(cuò)誤，則可以通過取消按鍵撤銷上一步操作。綜合起來，該按鍵模塊設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單實(shí)用，對(duì)單片機(jī)的資源消耗很低。圖4-6按鍵模塊3.7LORA通信模塊本系統(tǒng)的LORA通信模塊采用LLCC68芯片，LLCC68是基于LORA技術(shù)和超大功率功放的無線通信模塊，在同等功耗下，其通信距離比傳統(tǒng)方案延長(zhǎng)了5倍以上，能夠在煤礦復(fù)雜的管道環(huán)境下保持穩(wěn)定覆蓋。LLCC68的無線傳輸速率為0.024-37.5Kbps，支持多達(dá)8個(gè)信道，可全雙工通信。它采用先進(jìn)的GFSK調(diào)制技術(shù)，具有高效的數(shù)據(jù)傳輸特性。通過AT指令控制，可方便地設(shè)置各種參數(shù)，如工作頻率、發(fā)射功率、空中速率等。在本系統(tǒng)中，LLCC68與單片機(jī)主控通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。單片機(jī)將采集到的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)打包成特定格式后，通過串口發(fā)送給LLCC68，LLCC68再將數(shù)據(jù)無線發(fā)送給地面的網(wǎng)關(guān)或數(shù)據(jù)終端。同時(shí)，通過反向通道，LLCC68也可將地面指令發(fā)送至單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)置等功能。為了節(jié)省電能，延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間，LLCC68在不傳輸數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，大幅降低功耗。在收發(fā)數(shù)據(jù)期間，單片機(jī)需要先發(fā)出喚醒指令，才能被LLCC68正常響應(yīng)。圖3-7LORA通信模塊3.8蜂鳴器報(bào)警模塊蜂鳴器是本系統(tǒng)的聲音報(bào)警裝置，當(dāng)檢測(cè)到任一環(huán)境參數(shù)或生理參數(shù)異常時(shí)，單片機(jī)都會(huì)立即驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出尖銳的警示音，提醒現(xiàn)場(chǎng)人員注意，采取應(yīng)急措施。蜂鳴器被設(shè)計(jì)成有源型，即內(nèi)置了專用震蕩電路，只需單片機(jī)提供一個(gè)控制電平即可工作。為了節(jié)省IO口資源，我們并未采用PWM方式控制蜂鳴器的音調(diào)，而是在軟件中通過精確延時(shí)的方式產(chǎn)生持續(xù)的方波，從而驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲。圖3-8蜂鳴器報(bào)警模塊

第4章系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)環(huán)境本系統(tǒng)的軟件部分由Keil5集成開發(fā)環(huán)境完成編寫、調(diào)試和燒錄。Keil5是一款功能強(qiáng)大、運(yùn)行高效的ARM微控制器開發(fā)工具，支持所有基于ARM內(nèi)核的芯片，為ARM開發(fā)提供了全面完整的解決方案。Keil5集成了項(xiàng)目管理、源代碼編輯、編譯連接、調(diào)試等多個(gè)工具，用戶在單一的用戶界面下即可完成ARM程序的全過程開發(fā)。它提供了行業(yè)領(lǐng)先的編譯器和調(diào)試器，可實(shí)現(xiàn)高度優(yōu)化的代碼編譯和穩(wěn)定可靠的程序調(diào)試。同時(shí)，Keil5還包含了豐富的芯片支持包（CPUDeviceSupportPackage），涵蓋了主流的ARMCortex-M內(nèi)核器件，為用戶提供了完備的設(shè)備數(shù)據(jù)和示例代碼。在本項(xiàng)目中，我們基于STM32F103芯片的支持包，通過Keil5軟件實(shí)現(xiàn)了全部代碼的編寫和調(diào)試工作。軟件開發(fā)過程包括：新建項(xiàng)目、添加源文件、配置工程選項(xiàng)、編寫程序代碼、調(diào)試程序等多個(gè)步驟。最后，通過Keil5提供的仿真器和下載算法，我們將最終的目標(biāo)代碼成功地?zé)浿罶TM32單片機(jī)中。4.2主程序流程圖介紹如圖4-1所示，本系統(tǒng)的主程序流程分為初始化、主循環(huán)和中斷三個(gè)部分，初始化部分完成系統(tǒng)資源的初始化工作，如查看中斷向量表、設(shè)置時(shí)鐘頻率、初始化IO口、串口、ADC等外設(shè)模塊。主循環(huán)部分首先讀取按鍵狀態(tài)，執(zhí)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置操作。然后主循環(huán)進(jìn)入檢測(cè)狀態(tài)，掃描各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)是否在正常范圍內(nèi)，如果檢測(cè)到異常，則觸發(fā)相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。同時(shí)，主循環(huán)還需定期將實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示在OLED顯示屏上。中斷部分包含多個(gè)中斷服務(wù)子程序，分別對(duì)應(yīng)于不同的傳感器檢測(cè)事件。當(dāng)發(fā)生中斷時(shí)，CPU會(huì)根據(jù)中斷向量號(hào)調(diào)用相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序，執(zhí)行報(bào)警、數(shù)據(jù)發(fā)送等動(dòng)作。值得注意的是，在進(jìn)入中斷程序時(shí)需要關(guān)閉總中斷，并在退出時(shí)恢復(fù)，防止中斷的嵌套。主程序通過輪詢的方式對(duì)各傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，一旦發(fā)生異常情況則立即通過中斷響應(yīng)處理，做到了高效、實(shí)時(shí)、安全的運(yùn)行。圖4-1主程序流程圖4.3按鍵子程序流程圖介紹本系統(tǒng)中，按鍵程序是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、參數(shù)設(shè)置的關(guān)鍵模塊。當(dāng)用戶按下"加"或"減"鍵時(shí)，會(huì)觸發(fā)按鍵掃描中斷，單片機(jī)根據(jù)中斷向量號(hào)調(diào)用相應(yīng)的按鍵掃描程序。為了防止按鍵抖動(dòng)的干擾，程序中采取了軟件濾波的措施。具體做法是通過延時(shí)去抖，即檢測(cè)按鍵每按下一次，先延時(shí)一小段時(shí)間（10ms以上），然后查詢按鍵狀態(tài)是否保持，若保持則確認(rèn)有效按鍵動(dòng)作。同時(shí)，我們引入10ms的硬件掃描時(shí)間，防止單片機(jī)對(duì)按鍵掃描的時(shí)間過長(zhǎng)影響其它任務(wù)的執(zhí)行。圖4-2按鍵子程序流程圖4.4顯示子程序流程圖介紹OLED顯示程序在本系統(tǒng)中負(fù)責(zé)將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以文本和圖標(biāo)的方式顯示在OLED屏幕上，供現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員觀察。該程序首先對(duì)OLED模塊進(jìn)行初始化，設(shè)置正確的驅(qū)動(dòng)模式和通信速率。之后進(jìn)入主循環(huán)，周期性地掃描各個(gè)傳感器的檢測(cè)數(shù)值，并將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的顯示坐標(biāo)和字符。OLED模塊通過I2C總線接收顯示指令，并自動(dòng)刷新顯示屏內(nèi)容。圖4-3顯示子程序流程圖4.5檢測(cè)子程序流程圖介紹檢測(cè)子程序負(fù)責(zé)對(duì)環(huán)境參數(shù)和人體生理參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)的報(bào)警或數(shù)據(jù)上傳動(dòng)作。該程序首先完成各個(gè)傳感器的初始化工作，如ADC通道分配、I2C設(shè)備地址設(shè)置、串口波特率設(shè)置等。之后進(jìn)入主循環(huán)，輪流掃描溫濕度、氧氣、可燃?xì)怏w、血壓、血氧和心率等傳感器的原始檢測(cè)值。對(duì)于模擬量輸出的傳感器，如MQ-4、A0-01等，需要通過單片機(jī)的ADC模塊對(duì)原始電壓值進(jìn)行采樣、放大、濾波等數(shù)字處理，計(jì)算得到最終的物理量數(shù)值。而對(duì)于數(shù)字量輸出的傳感器，如DHT11、MQR12等，則直接通過串口或單總線接口接收經(jīng)過編碼的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行解碼運(yùn)算。獲得各參數(shù)的實(shí)際檢測(cè)值后，程序會(huì)將其與預(yù)設(shè)的閾值上下限做比較，判斷是否處于安全范圍內(nèi)。如果任一參數(shù)超出閾值，程序就會(huì)立即觸發(fā)報(bào)警中斷，啟動(dòng)聲光報(bào)警程序。同時(shí)，還會(huì)將當(dāng)前的檢測(cè)數(shù)據(jù)及報(bào)警信息通過串口發(fā)送給無線模塊，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)上傳。圖4-5檢測(cè)子程序流程圖

第5章軟件設(shè)計(jì)5.1實(shí)物焊接圖本系統(tǒng)的焊接圖如下所示：圖5-1系統(tǒng)焊接圖5.2系統(tǒng)功能測(cè)試為了全面評(píng)估本系統(tǒng)的實(shí)際性能，我們模擬了煤礦環(huán)境下對(duì)其進(jìn)行了嚴(yán)格的功能測(cè)試，重點(diǎn)關(guān)注監(jiān)測(cè)精度、報(bào)警及時(shí)性、數(shù)據(jù)傳輸可靠性等主要指標(biāo)。具體測(cè)試項(xiàng)目和結(jié)果如下。5.2.1氧氣檢測(cè)功能測(cè)試通過改變環(huán)境中的氧氣濃度，測(cè)試A0-01氧氣傳感器的檢測(cè)范圍、線性度和響應(yīng)時(shí)間等指標(biāo)。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，A0-01在0-25%的寬檢測(cè)范圍內(nèi)，線性度可達(dá)0.995以上，響應(yīng)時(shí)間在10秒以內(nèi)；與標(biāo)準(zhǔn)氣體檢測(cè)值的偏差不超過1%絕對(duì)誤差。經(jīng)過多輪測(cè)試，該氧氣檢測(cè)模塊完全滿足設(shè)計(jì)要求，可在煤礦環(huán)境中穩(wěn)定工作。圖5-2氧氣檢測(cè)功能5.2.2血氧心率檢測(cè)功能測(cè)試在靜止和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下測(cè)試MQR12的血氧和心率檢測(cè)功能，并與醫(yī)用儀器對(duì)比，MQR12的平均測(cè)量偏差在3%以內(nèi)，能夠準(zhǔn)確無誤地測(cè)量出人體的這兩種關(guān)鍵生理參數(shù)，檢測(cè)性能令人滿意。圖5-3血氧心率功能5.2.3血壓檢測(cè)功能測(cè)試在不同的生理狀態(tài)下分別測(cè)試MQR12血壓檢測(cè)模塊的性能，測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，MQR12測(cè)量的收縮壓和舒張壓值與醫(yī)用血壓計(jì)的測(cè)量值基本一致，偏差控制在5mmHg以內(nèi)，檢測(cè)精度較高。圖5-3血壓功能5.2.4定位檢測(cè)功能測(cè)試在測(cè)試時(shí)，布置了多個(gè)帶有位置編碼的RFID電子標(biāo)簽，通過RFID讀寫器測(cè)試系統(tǒng)的定位功能。結(jié)果表明，只要靠近電子標(biāo)簽范圍內(nèi)，讀寫器就能準(zhǔn)確無誤地識(shí)別出標(biāo)簽編碼，系統(tǒng)可以精確地獲知當(dāng)前的位置坐標(biāo)，為礦工的位置追蹤和應(yīng)急救援提供了可靠保障。圖5-4定位功能5.2.5溫濕度檢測(cè)功能測(cè)試通過對(duì)環(huán)境中調(diào)節(jié)溫濕度值，測(cè)試DHT11溫濕度傳感器的檢測(cè)性能。結(jié)果顯示，DHT11測(cè)量精度已經(jīng)能夠滿足絕大多數(shù)工業(yè)場(chǎng)景的實(shí)際需求。圖5-5溫濕度檢測(cè)功能

第6章結(jié)論通過上述的分析和測(cè)試，我們成功地設(shè)計(jì)了一套基于單片機(jī)的煤礦井下作業(yè)安全監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)融合了先進(jìn)的傳感器技術(shù)、嵌入式控制技術(shù)、無線通信技術(shù)等，具備了以下主要優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫濕度、氧氣濃度、可燃?xì)怏w濃度、血壓、血氧、心率等關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，覆蓋面廣。采用高精度數(shù)字式傳感器，加之精心設(shè)計(jì)的檢測(cè)算法，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠；中斷響應(yīng)機(jī)制確保了極高的實(shí)時(shí)性。當(dāng)任一參數(shù)異常時(shí)，系統(tǒng)均能自動(dòng)啟動(dòng)聲光電子報(bào)