毕业设计(论文)-基于单片机的矿井环境监测系统设计.doc

题 目 基于单片机的矿井环境监测系统设计

学生姓名 学号

所在学院 物理与电信工程学院

专业班级 电子 1203 班

指导教师

完成地点 物理与电信工程学院实验室

2016 年 6 月 5 日

矿井的内部有害气体众多，对身心都有巨大的影响。当煤矿井下发生事故时，由于工作环

境，人流量都会有极大的影响，还有矿井内的各种危险因素对矿井安全生产和人员及时解救有

重要意义。矿井内部环境比较复杂，监测亦成为一大重要问题。无线传感器网络是一种效率很

高，成本不高的解决手段，但是其通信范围、网络结构和路由算法等问题需要根据矿井的具体

结构来进行规划，所以在矿井安全监测方面运用无线传感网络是有优越性的，不但为矿井安全

的管理极易人员的救援有极大的帮助，也为矿井安全监测提供有力的手段。

本课题要求利用单片机作为核心控制器件，设计一种基于单片机的矿井环境监测装置，对

矿井下温度、湿度、瓦斯浓度等数据的采集，通过无线传感器网络传输并实时显示，具备采集

数据超限报警功能。在仿真电路基础上制作硬件，完成样机的调试。撰写毕业设计论文。（应

包括方案设计、比较与论证、分析与计算、电路图与相关设计文件以及心得体会等）。

年 4 月 30 日

六、毕业论文﹙设计﹚的进度安排：

1 月 10 日——3 月 20 日：查阅资料，完成外文翻译原文和开题报告。

3 月 21 日——4 月 20 日：完成系统硬件电路的设计并提交中期检查报告。

4 月 21 日——5 月 20 日：完成整体设计并调试，准备作品验收。

5 月 21 日——6 月 15 日：撰写、修改毕业设计论文，准备并完成答辩。

指 导 教 师 签名 系(教研室)主任签名

专业负责人签名 批 准 日 期

基于单片机的矿井环境监测系统设计

of coal mine. A system based on MCU of AT89C51 is designed to monitor Environmental Parameters of Mine.

Key words: mine monitoring；MCU；alarm；wireless transmission

目 录

1.绪论 ......................................................................................................................................................1

1.1 研究背景与发展现状 ...............................................................................................................1

1.2 研究主要内容 ...........................................................................................................................1

2. 方案选择 ............................................................................................................................................2

2.1 总体方案论述 ...........................................................................................................................2

2.2 方案一的论述 ...........................................................................................................................2

2.2.1 方案一的设计结构图 ............................................................................................................2

2.2.2 方案一的设计方法 ................................................................................................................2

3.系统软件设计 ......................................................................................................................................5

3.1 系统流程分析 ...........................................................................................................................5

3.2 温湿度采集及处理函数 ...........................................................................................................7

3.3 MQ-4 甲烷浓度传感器以及 A/D 转换程序 ...........................................................................9

3.4 NRF905 无线发送/中继/接收程序 ........................................................................................11

3.5 OLED 显示程序 .....................................................................................................................14

3.6 报警程序与键盘控制程序 .....................................................................................................14

4.硬件电路设计与调试 ........................................................................................................................17

4.1 采集模块 .................................................................................................................................17

4.2 A/D 转换模块 .........................................................................................................................18

5. 总结 ..................................................................................................................................................24

5.1 问题与处理 .............................................................................................................................24

5.2 展望 .........................................................................................................................................24

致谢 .......................................................................................................................................................25

参考文献 ...............................................................................................................................................26

附录 1 电路原理图 ...............................................................................................................................27

附录 2 电路实物图 ...............................................................................................................................28

附录 3 元器件清单 ...............................................................................................................................29

附录 4 源程序代码 ...............................................................................................................................30

附录 5 外文翻译中英文对照 ...............................................................................................................54

量七成以上。我国煤炭资源丰富，而石油，天然气等资源匮乏的资源特点导致了煤炭将在未来的长

时间内是我国最主要的能源来源

[1]

。近几年以来煤矿事故屡见不鲜，事故率仍不容乐观，保障煤矿

安全生产对我过煤矿生产事业具有迫切需求。

影响煤矿安全生产的因素复杂繁多，包含瓦斯爆炸、透水事故、顶板事故等

[2]

。而瓦斯浓度过

高导致的爆炸事故危害最为严重。降低矿难的发生率就是提高了煤炭的生产效率

[3]

。瓦斯是多种易

燃易爆气体的总称，其主要成分是甲烷，它是在成煤过程中形成并大量贮存于煤层中的气体，浓度

过高时会导致人缺氧、呼吸困难、窒息等。当它与空气混合的百分比达到 3.5%到 16%时，遇到明火

的 AQR-1 型瓦斯测量仪。随着电子计算机技术的应用，一套监测系统除了能检测出甲烷的浓度外，

还可测一氧化碳、氢气的浓度，同时又可以对井下设备的工作状态进行监控。当前我国矿井正在运

行的瓦斯监控系统主要有三类：一是 20 世纪 80 年代初，从英、法、美、波兰等国家引进的一批安

全监控系统，并通过消化和吸收研制出适用于我国煤矿实际情况的监控系统，由于当时技术水平低

和维护跟不上等原因系统已面临更新改造的机遇；二是 20 世纪 90 年代后期，国内各主要科研单位

和生产厂家又相继推出了 MSNM、WEBGIS、KJF2000 等监控系统，但是整个系统的信息传输速率

最高只能达到 5000bps；三是 21 世纪以来，各个瓦斯监控系统生产厂家都在原有基础上推出了升级

系统

[5]

品的可靠性和实用性则是本项目的关键所在，而且基于单片机的矿井瓦斯监测系统的研究和开发生

利用单片机 AT89C51 作为核心控制器件，设计一种基于单片机的矿井环境监测系统，实现矿井

环境的实时监测与报警，及时有效的反映矿井下环境指标，保障安全生产。要求通过对矿井下温度、

湿度和瓦斯浓度进行信息采集，当各项指标低于或高出设定的安全值时，单片机将发出报警信号并

指示报警的指标。安全值可以人为调整。在此基础上，该设计系统还需要满足在矿井下复杂环境中

仍能保持有效及时监测的能力。