矿井安全监控系统的研究硬件部分
目 录
1 绪论 1
1.1 课题的背景及意义1
1.2 课题在国内外发展状况1
1.3 课题的研究方法和主要工作2
2 矿井安全监控系统的总体设计方案3
2.1 系统的功能及要求 3
2.2 系统的体系结构 4
2.3 系统的工作原理 4
2.4 系统的设计原则5
2.5 矿井安全监控系统的总体设计思路5
2.6 矿井安全监控系统的结构框图6
3 矿井安全监控系统的硬件设计 7
3.1 单片机的选择7
3.2 时钟电路和复位电路的设计 11
3.3 天线的选择12
3.4 协调器硬件设计12
3.5 传感器节点硬件设计18
4 系统调试21
4.1 调试过程21
4.2 调试遇到的问题及解决方案23
结论与展望 23
致谢 24
参考文献27
附录A 核心模块原理图28
附录B 协调器原理图29
附录C 传感器节点原理图30
附录D 实物图31
1 绪论
1.1 课题的背景及意义
我国具有丰富的矿产资源，其中煤炭的储量位居世界前三。我国煤炭不仅在产量上占据世界第一，消费上也是。目前，国内的首要能源煤炭的生产和消费大约占所有矿产能源生产和消费中的67％[1]，所以煤炭的重要地位还要延续很长一段时间，这直接关系着我国国民经济建设和社会发展。据相关研究报告预测，到21世纪五六十年代，在我国能源消费结构中占据一半比 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
例的仍是煤炭。
由于矿井中复杂多变的地质环境条件，井下进行的煤炭生产过程一直存在着许多安全隐患，随时都会引发矿难。在煤炭的生产过程中，普遍存在着较高的生产工作危险系数[2]。
在我国煤炭生产过程中，引发煤炭安全事故的主要因素有瓦斯、温度、积水、粉尘等。矿难不光是威胁到了矿工们的生命，也危害到我国国民经济和社会发展。除了对生产过程加强管理外，对煤炭井下生产环境的实时监控也可以起到非常重要的防护作用[3、4、5],，它是对事故的发生进行预防和对矿井进行现代化管理的重要措施[6]。
矿井安全监控系统中，对井下瓦斯浓度、风速、温度、水仓水位的监控是监控工作中的重要部分。预防这些因素所带来的危害，保障煤炭的安全生产成了很多科技开发者和工作人员的首要任务；在煤炭生产过程中，及时对井下环境参数进行检测不仅保证了煤炭生产过程的安全，也是管理现代化矿井的主要手段，其重要的意义是提高了我国煤炭生产的安全性[7]。
本课题所要设计的系统是对井下可能发生的灾害进行预测。经过井下节点对环境参数的实时采集，并将井下信息及时提供给井上协调器，井上通过对数据的分析比较，若超过了设定旳值，便及时发出报警、对井下设备断电和闭锁，同时采取相应的应急措施，防止事故扩大。
1.2 课题在国内外发展状况
1.2.1 课题在国外发展状况
矿井安全监控技术起步于上世纪60年代，因通信技术的不断进步，至今已有四代产品[8]。依据监测监控技术的改进过程中采用不一样的信息传输方法来进行划分[9]:第1代的传输方式为空分制，例如法国在二十世纪六十年代产的CTT63/40系统；第2代的传输方式为频分制，很大程度上减少了传输电缆的芯线，例如西德Siemens公司产的TST系统；第3代的传输方式为时分制，抗干扰能力强和通讯规格严格是它的特征，例如英国产的MINOS系统；第4代系统是一款兼开放性、集成性和网络化等特点于一体的监控系统，例如加拿大渗透里昂600型等系统。
1.2.2 课题在国内发展状况
矿井安全监控系统在国内起步的比较迟。上世纪八十年代，我国才初步开发和应用矿井安全监控技术。到目前为止，我国已经完成了该系统的引进、消化和自主开发。八十年代初，我国不仅派多人出国考察和学习，还从国外买来相关资料，这促使了国内在这方面技术的迅速发展[10]。80年代末，很多大公司通过对国外先进技术的消化吸收，并结合国内矿井的特点，开发了一批矿井安全监控系统。例如：KJ4系统，该系统由北京航空部研发，并通过了1986年的鉴定[11]；KJ2和A-1系统分别由常州自动化所研发和镇江煤矿专用设备厂研发，并通过了鉴定。自上世纪90年代开始，我国广大研究者研制开发出来的一批监控系统都具备了世界领先水平，如KJ6系统[12]、KJ95系统[13]、KJ90系统[14]等。这些系统的智能化、通讯接口、软件操作平台都得到了进一步提高。通过推广和使用这些系统，我国在煤矿安全技术设备方面有了明显的改善，但仍旧暴露了一些问题。
1.2.3 目前矿井安全监控系统存在的主要问题
1）现在系统普遍用有线通信方式，布线复杂，施工速度慢，容易造成盲点。
2）现在系统都是只对井下某一监控对象进行监测，综合性不高。
3）现在系统扩展性差且不灵活，带来资源浪费和成本提高。
1.3 本课题的研究方法和主要工作
总的来说，本课题研究的主要工作是设计一套矿井安全监控系统。在功能上，本系统既能对矿井下环境参数的自动采集，并通过Zigbee模块将采集的信息传输到井上，又能在监测值超过阀值时，通过井上的LCD液晶显示器显示和驱动蜂鸣器报警，并启动安全措施。在结构上，本系统分为井下传感器节点和井上协调器两个部分，它们通过Zigbee模块无线数据传输，并且都有各自的独立电源模块。在性能上，它的特点是体积小、功耗低、成本低、操作简单、性能稳定、工作可靠。
论文共分为五个章节，各章节的主要内容如下：
第一章 先后阐述了课题的背景与意义及在国内外的发展状况，并且明确了研究方法和主要工作。
第二章 介绍矿井安全监控系统的总体设计。本章介绍了系统各个部分的组成，包括协调器和传感器节点，并介绍了系统的工作原理，为后面的硬件设计打下基础。
第三章 介绍硬件设计。本章主要是依据设计的系统功能，设计无线通信模块，按键模块，串口通讯模块，电源模块，检测模块，报警、液晶显示模块，以及应急措施模块的原理图。
第四章 系统的调试及结果。本章主要是检查硬件的焊接和对自己设计硬件的各个模块进行调试，记录调试结果，分析问题解决问题。
最后 总结与展望。概述本系统所完成的主要工作及存在的不足，并且对本课题的研究前景做展望。
2 矿井安全监控系统的总体设计方案
系统在选型时要考虑到它的安全设计，并且对人体没有电磁污染的伤害。还必须采取相关措施，确保井上监控中心的数据库不被未授权用户非法篡改或删除。
(4)系统的实时性
通信不需要复杂的读写等繁琐程序,通信操作简单、快捷。通过网络将井下采集的信息传输到井上,接收到信息后,井上协调器会及时对信息进行处理。
(5)系统的灵活性
根据井下具体地理环境的需要及投资情况灵活设置传感器节点，传感器节点设置的越多,井下监测的盲区越小，危险降低。系统中传感器节点增加和移动简单。
1 绪论 1
1.1 课题的背景及意义1
1.2 课题在国内外发展状况1
1.3 课题的研究方法和主要工作2
2 矿井安全监控系统的总体设计方案3
2.1 系统的功能及要求 3
2.2 系统的体系结构 4
2.3 系统的工作原理 4
2.4 系统的设计原则5
2.5 矿井安全监控系统的总体设计思路5
2.6 矿井安全监控系统的结构框图6
3 矿井安全监控系统的硬件设计 7
3.1 单片机的选择7
3.2 时钟电路和复位电路的设计 11
3.3 天线的选择12
3.4 协调器硬件设计12
3.5 传感器节点硬件设计18
4 系统调试21
4.1 调试过程21
4.2 调试遇到的问题及解决方案23
结论与展望 23
致谢 24
参考文献27
附录A 核心模块原理图28
附录B 协调器原理图29
附录C 传感器节点原理图30
附录D 实物图31
1 绪论
1.1 课题的背景及意义
我国具有丰富的矿产资源，其中煤炭的储量位居世界前三。我国煤炭不仅在产量上占据世界第一，消费上也是。目前，国内的首要能源煤炭的生产和消费大约占所有矿产能源生产和消费中的67％[1]，所以煤炭的重要地位还要延续很长一段时间，这直接关系着我国国民经济建设和社会发展。据相关研究报告预测，到21世纪五六十年代，在我国能源消费结构中占据一半比 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
例的仍是煤炭。
由于矿井中复杂多变的地质环境条件，井下进行的煤炭生产过程一直存在着许多安全隐患，随时都会引发矿难。在煤炭的生产过程中，普遍存在着较高的生产工作危险系数[2]。
在我国煤炭生产过程中，引发煤炭安全事故的主要因素有瓦斯、温度、积水、粉尘等。矿难不光是威胁到了矿工们的生命，也危害到我国国民经济和社会发展。除了对生产过程加强管理外，对煤炭井下生产环境的实时监控也可以起到非常重要的防护作用[3、4、5],，它是对事故的发生进行预防和对矿井进行现代化管理的重要措施[6]。
矿井安全监控系统中，对井下瓦斯浓度、风速、温度、水仓水位的监控是监控工作中的重要部分。预防这些因素所带来的危害，保障煤炭的安全生产成了很多科技开发者和工作人员的首要任务；在煤炭生产过程中，及时对井下环境参数进行检测不仅保证了煤炭生产过程的安全，也是管理现代化矿井的主要手段，其重要的意义是提高了我国煤炭生产的安全性[7]。
本课题所要设计的系统是对井下可能发生的灾害进行预测。经过井下节点对环境参数的实时采集，并将井下信息及时提供给井上协调器，井上通过对数据的分析比较，若超过了设定旳值，便及时发出报警、对井下设备断电和闭锁，同时采取相应的应急措施，防止事故扩大。
1.2 课题在国内外发展状况
1.2.1 课题在国外发展状况
矿井安全监控技术起步于上世纪60年代，因通信技术的不断进步，至今已有四代产品[8]。依据监测监控技术的改进过程中采用不一样的信息传输方法来进行划分[9]:第1代的传输方式为空分制，例如法国在二十世纪六十年代产的CTT63/40系统；第2代的传输方式为频分制，很大程度上减少了传输电缆的芯线，例如西德Siemens公司产的TST系统；第3代的传输方式为时分制，抗干扰能力强和通讯规格严格是它的特征，例如英国产的MINOS系统；第4代系统是一款兼开放性、集成性和网络化等特点于一体的监控系统，例如加拿大渗透里昂600型等系统。
1.2.2 课题在国内发展状况
矿井安全监控系统在国内起步的比较迟。上世纪八十年代，我国才初步开发和应用矿井安全监控技术。到目前为止，我国已经完成了该系统的引进、消化和自主开发。八十年代初，我国不仅派多人出国考察和学习，还从国外买来相关资料，这促使了国内在这方面技术的迅速发展[10]。80年代末，很多大公司通过对国外先进技术的消化吸收，并结合国内矿井的特点，开发了一批矿井安全监控系统。例如：KJ4系统，该系统由北京航空部研发，并通过了1986年的鉴定[11]；KJ2和A-1系统分别由常州自动化所研发和镇江煤矿专用设备厂研发，并通过了鉴定。自上世纪90年代开始，我国广大研究者研制开发出来的一批监控系统都具备了世界领先水平，如KJ6系统[12]、KJ95系统[13]、KJ90系统[14]等。这些系统的智能化、通讯接口、软件操作平台都得到了进一步提高。通过推广和使用这些系统，我国在煤矿安全技术设备方面有了明显的改善，但仍旧暴露了一些问题。
1.2.3 目前矿井安全监控系统存在的主要问题
1）现在系统普遍用有线通信方式，布线复杂，施工速度慢，容易造成盲点。
2）现在系统都是只对井下某一监控对象进行监测，综合性不高。
3）现在系统扩展性差且不灵活，带来资源浪费和成本提高。
1.3 本课题的研究方法和主要工作
总的来说，本课题研究的主要工作是设计一套矿井安全监控系统。在功能上，本系统既能对矿井下环境参数的自动采集，并通过Zigbee模块将采集的信息传输到井上，又能在监测值超过阀值时，通过井上的LCD液晶显示器显示和驱动蜂鸣器报警，并启动安全措施。在结构上，本系统分为井下传感器节点和井上协调器两个部分，它们通过Zigbee模块无线数据传输，并且都有各自的独立电源模块。在性能上，它的特点是体积小、功耗低、成本低、操作简单、性能稳定、工作可靠。
论文共分为五个章节，各章节的主要内容如下：
第一章 先后阐述了课题的背景与意义及在国内外的发展状况，并且明确了研究方法和主要工作。
第二章 介绍矿井安全监控系统的总体设计。本章介绍了系统各个部分的组成，包括协调器和传感器节点，并介绍了系统的工作原理，为后面的硬件设计打下基础。
第三章 介绍硬件设计。本章主要是依据设计的系统功能，设计无线通信模块，按键模块，串口通讯模块，电源模块，检测模块，报警、液晶显示模块，以及应急措施模块的原理图。
第四章 系统的调试及结果。本章主要是检查硬件的焊接和对自己设计硬件的各个模块进行调试，记录调试结果，分析问题解决问题。
最后 总结与展望。概述本系统所完成的主要工作及存在的不足，并且对本课题的研究前景做展望。
2 矿井安全监控系统的总体设计方案
系统在选型时要考虑到它的安全设计，并且对人体没有电磁污染的伤害。还必须采取相关措施，确保井上监控中心的数据库不被未授权用户非法篡改或删除。
(4)系统的实时性
通信不需要复杂的读写等繁琐程序,通信操作简单、快捷。通过网络将井下采集的信息传输到井上,接收到信息后,井上协调器会及时对信息进行处理。
(5)系统的灵活性
根据井下具体地理环境的需要及投资情况灵活设置传感器节点，传感器节点设置的越多,井下监测的盲区越小，危险降低。系统中传感器节点增加和移动简单。
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