本项目由吉林建筑大学何冬雪、岳俊华开发设计完成，该基于单片机的瓦斯监测控制系统，其硬件主要由 STM32 单片机、甲烷气体传感器、温湿度传感器、Wi-Fi 模块、蜂鸣器报警电路模块、控制电路及显示电路模块等组成。 系统以单片机为核心，能够实时检测到煤矿中的有毒气体，当有害气体的浓度超标时，蜂鸣器会发生声音进行报警提醒工作人员撤离，并开启继电器控制风扇排气，增加空气流通；还结合温湿度传感器采集煤矿的环境，实现煤矿数据的采集与设定阈值对比后，并通过蜂鸣器报警。同时结合 Wi-Fi 模块实现机智云电脑端页面显示和控制，最后还能够通过有机发光二极管显示屏显示。
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引 言
随着科技的日益进步，人们对能源的需求不断增加。在中国的基本能源中，煤炭的重要性是无可比拟。然而煤炭开采过程中煤矿瓦斯爆炸事故频繁发生，对人们的生命安全和经济财产造成了巨大损失。近年来，随着电子技术、计算机软硬件技术的快速发展，中国的一些研究机构和厂家推出了各种各样的监控系统，纷纷加大了对煤矿安全生产监控系统研究、开发投入，煤矿安全监测监控系统的先进性、稳定性、可靠性也在逐步提升，在煤矿安全生产过程中发挥不可忽视的重要作用。
针对上述情况，本文设计出这一款基于 STM32 单片机煤矿瓦斯监测控制管理系统，包括甲烷气体传感器电路、温湿度传感器电路、Wi-Fi 模块电路、报警电路、继电器控制电路及显示电路。 STM32 单片机作为核心，具有监测煤矿矿井温湿度、瓦斯浓度参数的功能，并具有瓦斯浓度超限报警功能；具有自动强制通风功能：采集数据可通过液晶屏显示。监控数据和告警信息可以通过 Wi-Fi 模块传输到远程机智云云端。
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系统方案设计
2.1 设计思路
本次设计的主要核心是机智云平台对煤矿瓦斯安全环境的监控，使用移植机智云 GAgent 的 Wi-Fi / GPRS 模组建立桥梁，使煤矿瓦斯监测系统采集的数据与机智云互联互通。煤矿瓦斯监测系统与机智云数据交互图如图1所示。
图1 数据交互图2.2总体方案设计
煤矿瓦斯安全监测系统涉及的主要硬件设备有单片机最小系统控制电路、瓦斯气体采集模块、温湿度传感器采集模块、蜂鸣器报警模块、有机发光二极管 显示模块、继电器自动化控制模块和 Wi-Fi 无线通信模块。 这几大模块共同组成了煤矿瓦斯安全监测系统，主要功能实现如下：
运用有毒气体传感器，检测煤矿有害气体浓度（比如瓦斯、一氧化碳等）是否超标,当检测到有毒气体超标，开启排风口排有毒气体，同时开启蜂鸣器警报报警，开启工作人员安全撤离，保障工作人员的安全。
运用温湿度传感器，采集当前煤矿环境的温湿度值。当温湿度值超过设定的阈值时，开启风扇散热排湿，实现煤矿工作环境的稳定。
运用光敏传感器，采集煤矿工作的光强环境。
OLED 液晶屏幕显示煤矿环境温湿度值、瓦斯浓度值。
- 手机 App 机智云页面的监控。采用 Wi-Fi 模块，实现数据无线传输在手机 App 端显示监控以及控制。手机 App 端可以显示采集的数据,还可以控制瓦斯浓度报警阀值，系统方框图如图 2 所示。
图2 系统方框图
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系统软硬件设计
3.1硬件电路设计1）单片机最小系统介绍
单片机最小系统一般由下载电路、电源电路、复位电路、晶振电路和单片机芯片组成,也是系统能够实现运转的最小电路原理图。可以说,每个项目设计的每一个系统都离不开这几个电路的支撑，其外设各种功能都是在此基础上开发。
晶振电路
本设计采用的是外接晶振电路：本晶振电路有两个电容和一个晶振源组成，两个无极电容的主要作用是消除晶振源产生干扰电感的阻抗。晶体振荡器在系统电路中主要起着产生振荡频率的作用，可以说所有的系统电路都离不开时序的频率驱动，这是一种有序的时序逻辑电路，比喻为单片机的心脏也不为过，起着至关重要的作用，而晶振的频率主要采用 12 M，可以根据单片机需求进行锁相环分频，至高能达到 72 MHz。
复位电路
刚开始系统上电时给电容充电，此时的电阻和电容之间会形成高电压，所以单片机的RST 复位引脚是高电平，当按键 S2 被按下后,此时的电阻和电容之间会形成低电压,单片机复位引脚 RST 是低电平状态，处于这个状态超过两个机器周期，单片机就会进行程序初始化(复位)。
2）甲烷气体传感器电路
甲烷、一氧化碳等有毒气体检测电路是整个系统电路的核心组成部分之一，核心部件 MQ-5 有毒气体传感器，具有灵敏度高、寿命长、稳定性好、电路结构简单的优点，所以常用于家庭、工厂和公共场所的气体安全检测。而且 MQ-5 不仅能检测甲烷，还能检测氢气、苯、天然气等气体的探测。所以相对准确地说，MQ-5 是个多种气体检测传感器。
3）温湿度传感器电路
本次设计采用 DHT11 温湿度传感器模块采集煤矿的温湿度。DHT11 温湿度传感器是一种能够自行测量温度和湿度的复合型元器件，也是一种能够自行校准数字信号并且串行输出的传感器。其中湿度能够检测的范围 20% ~ 90% RH，温度为 0 ~ 50 ℃ ，湿度的精确度在 ±5% RH，误差较大点，温度精确度在±2 ℃ 左右，精确度较高。
4）蜂鸣器电路
蜂鸣器电路连接在三极管基极和单片机 PB12 的电阻主要起到限流的保护作用，工作原理是只要单片机 PB12 端口输出低电平至三极管基极，集电极与发射极超过0. 7 V 的导通电压，三极管被导通,有较大的电流经过三极管，蜂鸣器机会进行报警，此处用于煤矿有毒气体超标时和温湿度值过大时就会进行警报。
5）显示模块电路
屏幕的电路设计采用的是一种 IIC 接口，该类型接口连接单片机的接口只需要 4 根脚连接，SCL 是时钟接口, VCC 接电源，SDA 是数据接口，GND 接地。简而言之，两根数据线就可显示内容。IIC 是一种通信接口协议，通信协议中有起始信号、终止信号、应答和非应答四个信号。
6）继电器控制电路
因为单片机的 I / O 口驱动能力有限，所以需要加装一个继电器模块以小电流控制大电流进行驱动。由于本次设计需要用到风扇散热、有毒气体排气、排湿自动控制系统的应用，所以需要1 个继电器模块接口。
继电器模块工作原理简介：
PC1 当输入高电平时，三极管Q2 处于饱和导通，继电器线圈通电，触点吸合。
PC1 当输入低电平时，三极管Q2 处于截止，继电器线圈断电，触点断开。
7）Wi-Fi 模块电路无线通信控制采用 Wi-Fi 来控制，通过无线控制的信号传输方式来设定瓦斯报警浓度的阈值，Wi-Fi 控制的特点是成本较低，传输速度快，稳定性强，集成度高，操作也简单，用串口进行无线网络模式的数据传输即可。所以此次设计中采用 ESP8266 Wi-Fi 连接系统，确保能够与机智云平台进行通信，可以进行远程的一个相关控制。即对瓦斯有毒气体进行一个远程的监控（机智云监控）。3.2 软件程序设计
本设计采用的是 Keil5 软件，目前最主流编程软件。功能强大：提供了 C 语言编译器、连接器、宏汇编、库函数管理功能，还能在线调试和仿真。
1）主控制程序设计
系统上电后，进入主程序之前循环之前，需要先对各个模块的程序进行初始化，模块初始化主要包括 MQ-5 甲烷气体传感器、DHT11 温湿度传感器、OLED 显示屏等，重新初始化可以复位系统电路，并获取传感器初始化状态。初始化完成后，主程序会对 MQ-5 有毒气体传感器实时采集有毒气体、DHT11 温湿度传感器采集温湿度、 OLED 屏幕实时更新显示等，将获取的数据经过单片机的对比后，作出相应的紧急判断，最后通过 Wi-Fi 上传数据，实现手机 App 端机智云的监控，从而实现煤矿瓦斯安全监测等自动化操作。系统主程序流程图如图3 所示。
图3 系统主程序流程图
2）电子电路设计
本设计的硬件制作原理图主要使用 Altium Designer这款软件进行制作。此款软件可以汉化支持中文显示，使用比较的方便,功能强大齐全，设计上比较的简单，对电子电路开发有着一整套的电路开发系统，适宜电子爱好者的设计与开发，在网上学习资料也比较的齐全。
以下是设计操作的几个主要步骤：
步骤一：打开软件运行后创建文件。新工程需要选创建工程文件，然后保存命名为“ 单片机的煤矿瓦斯监测控制管理系统的设计与研究”。
步骤二：在工程项目中创建原理图，对一些需要用到的元器件进行库增加，在库元件中找到自己设计所需要的元器件推拽出来，然后对元器件进行正常的连接与布局。
步骤三：完成以上的步骤后，最终可以得到完整的煤矿瓦斯监测控制管理系统。电路原理图如图 4 所示。
图4 电路原理图
3.3 数据自动采集与监测机智云是一个致力于物联网和云服务的开发平台。机智云云平台主要专注于物联网硬件上的智能云服务和解决方案，是行业的长期努力，是对传统物联网行业的深刻改造，为个人和企业开发者提供一站式智能硬件开发和云服务平台。该平台提供从定义的产品、设备端开发和调试、应用程序开发、生产测试、云开发、运营管理和数据服务访问到运营管理的智能硬件访问，以实现服务的全生命周期。机智云平台为开发人员提供自助的智能硬件开发工具和开放的云服务。通过简单的自助工具，完善的 SDK 和API 服务功能，最大限度地降低物联网硬件开发的技术门槛，降低开发人员的成本，提高开发人员的产品生产速度，智能升级开发人员，更好地连接和服务最终消费者。
本设计中借助机智云平台，通过 Wi-Fi 模块实现数据传输，实现对瓦斯气体采集并上传至机智云的功能，本设计机智云设备访问的基本过程如图 5 所示。
图5 机智云设备访问图
开发顺序步骤如下：
步骤一：注册并登录机智云开发者账号。在使用机智云物联网云平台服务之前，需要先注册一个开发者账号。
步骤二：创建产品。在开发者中心点击“创建新产品” 后输入产品名称以及选择对应设备接入方案即可完成“新产品”的创建。 
* 点击“创建新产品”；
* 输入产品名称与选择设备接入方案；
* 创建数据点，点击“ 新建数据点”，添加开关机数据点；
* 下载云端自动生成的协议。
步骤三：设备与应用开发。在设备端访问设计中，把单片机设备采集的信息通过编写智能云连接协议 GAgent 的网络模块，即可通过智能云平台 Wi-Fi 模块无线通信实现设备组网和智能。通过 Wi-Fi 模块连接到智能云平台，实现 App 通过云控制智能设备。
步骤四：调试产品。产品开发完成后，单片机系统数据在调试过程中，开发和调试设备将连接到 Wisdom Cloud Sandbox 服务器( 测试服务器)，将采集的电压值进行显示在对应的界面，并且可以进行控制充电开启以及关闭。
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总 结
本文设计的基于单片机的煤矿瓦斯监测控制管理系统，以单片机为核心，通过传感器将井下瓦斯浓度传给单片机，单片机经过处理，判断瓦斯浓度是否超标。当有害气体浓度超标时，会发出声光报警，开启继电器控制风扇进行空气浓度调节，直至浓度降到设定值以下。 通过 Wi-Fi 模块传输到机智云端，还能在 OLED 显示屏显示，便于工作人员查看和控制，能够防止和避免事故发生，保证井下工作人员的安全。