项目编号：mcuclub-203
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总字数:12000
摘要
为了设计一种具有低成本、低功耗、易操作、功能强且可靠性高的煤矿井下安全分站，针对煤矿安全生产实际，文章提出了采用MCS5l系列单片机为核心的煤矿并下安全监控分站的设计方案;首先给出煤矿井下安全监控分站的整体构架设计，然后着重阐述模拟量输入信号处理系统的设计过程，最后说明单片机最小系统及其键盘、显示、报警、通信等各个组成部分的设计﹔为验证设计方案的可行性与有效性，使用Protcus软件对设计内容进行实物验证，设计的煤矿井下安全监控分站具有瓦斯、温度等模拟量参数超标报警功能﹔实物结果表明:设计的煤矿井下安全监控分站具有一定的实际应用价值.
关键词:煤矿安全生产；安全监控分站；单片机系统；传感器
Abstract
In order to design a kind of underground coal mine safety sub-station with low cost, low power consumption, easy operation, strong function and high reliability, according to the actual coal mine safety production, the paper puts forward the design scheme of coal mine safety monitoring sub-station with MCS5l series SCM as the core. Firstly, the overall framework design of underground mine safety monitoring sub-station is given, and then the design process of analog input signal processing system is emphatically described. Finally, the design of single chip microcomputer minimum system and its keyboard, display, alarm, communication and other components are illustrated. In order to verify the feasibility and effectiveness of the design scheme, Protcus software was used for physical verification of the design content. The designed underground coal mine safety monitoring sub-station has the alarm function of gas, temperature and other simulated parameters exceeding the standard. The results show that the designed underground safety monitoring sub-station has certain practical application value.
Key words: coal mine safety production; Safety monitoring sub-station; Single-chip microcomputer system; The sensor
目 录
第一章 绪论
第二章 系统方案设计
第三章 硬件电路
第四章 软件设计
第五章 仿真测试
第六章 实物测试
总结
参考文献
致谢
第一章 绪论
1.1 研究背景及实际意义
中国自古以来就已经开始使用露天煤矿，从汉代起，煤就用于金属冶炼，现代中国更是成为全世界最大的煤炭开采和储存国:随着近代生产方式的转变，我国从20世纪开始以人工开采方式转变为以机械、自动化开采方式。我国的煤炭资源主要是集中在西北方向，其中山西、陕西、新疆、内蒙古、宁夏、贵州六省就占据全国煤炭总量的82.8%，这六省多以富矿为主，煤层较厚，地理位置情况较单一，能采取现代化机械化为主的采煤方式，随着近几年的发展，煤矿安全现代化方面多以这六省为主:然而我国经济最发达、需要能源最多，耗用煤量最多的省份仅仅占据全国煤炭总量的5.5%，而且开采条件环境多变，煤层分布较广而又薄，不利于采用大规模机械作业:虽然随着国家煤炭战略的调整，以山西为主煤炭大省逐年增加全国开采比例，但是，以南方各省的煤矿也具有运输方便，煤质优良等特点:综合来说，西北方向的煤矿有利于大机械、自动化作业，而南方的煤矿还是走低层次的发展道路。由于全国煤矿资源分散，生产集中度太低，多数小煤矿是高瓦斯矿井，而且这些中、小煤矿的生产技术、设备都非常的落后，导致了中国煤矿事故频繁，以最近10年为例:造成煤矿事故达7000多例，死亡人数达47923人，事故多以顶板、瓦斯等为主，其中瓦斯事故达36%以上，直接造成经济损失200多亿以上。
上述问题的存在，严重影响了煤矿行业的人才就业和国家走“新型工业化”道路的战略发展:随着国民经济快速增长，煤炭工业严重制约了能源需求，特别是煤矿安全问题，造成了煤矿生产集中化的“瓶颈”。另一方面，在全国大学生就业前景不好的情况下，煤矿高级技术人才却严重不足，很多大学生都以煤矿安全问题而拒绝从事煤矿行业。煤矿安全系统技术落后和煤矿安全管理混乱是导致煤矿事故发生的原因。为了深入贯彻“安全第一”方针，必须建立完善的安全生产监控系统和安全生产责任制，将生产细化到每一个地方、每一个人。同时还要加大煤矿安全监管力度和安全培训工作，让每一个人做到安全生产，用好每一个安全设备，以减少事故发生，确保煤矿能源生产[2]。
煤矿资源在地面之下，煤矿的作业一般是在井下，而煤矿井下环境复杂，对生产设备要求较高，同时，在生产过程中会伴随大量的瓦斯出现，对井下人员的安全造成严重威胁，为了保证安全生产和管理，井下必须设置井下安全监控系统。安全管理是一门严谨的科学工程，安全管理不仅仅需要有先进的管理技术还需要先进的科学技术，井下安全监控系统就是随着当代的电子科技的发展，利用电子技术监控井下生产、安全预警、设备运行状态的系统。井下安全监控系统不仅仅能对井下情况起到全面监控的作用，还能为煤矿安全管理提供重要的数据，先进的管理手段和科学的产品必然能大大降低煤矿发生安全事故的概率。
目前，我国从事井下安全监控系统开发的企业主要有常州自动化研究所、北京航空部634所、镇江中煤和天津煤矿专用设备厂等企业事业单位。90年代以来，国内随着世界煤矿安全系统的发展，研制开发了一批具有世界先进水平的监控系统，如抚顺安全仪器厂开发的KJ66系统、煤科院重庆分院的KJ90系统、煤科总院的KJ95系统等(4~-6].
我国的煤矿安全监控系统生产厂家众多，但其设计方案都是大同小异，主芯片一般都采用51单片机，数据传输以RS485通信方式实现，其井下环境参数的显示以数码管设计，对报警参数的设置以按键为主。虽然当前各种厂家生产的煤矿安全监控系统技术成熟，应用较广，但其设计水平还是国外的20世纪90年代，有通信协议不规范，设备互不兼容7，通信速率太慢，监控分站人机界面差等问题。因此研制一款带有操作系统，对设备兼容能力强、具有大屏幕LCD显示，传输速率快的井下监控分站系统具有重要意义。
1.2 国内外研究现状
国外的煤矿安全监控系统发展的比较早，从上世纪60年代就已经投入使用，比如法国的CTT63/40，其监控点只有40多个，而且传输方式是采用空分多址方式，传输效率极低，对联动控制也没有设计，随着时代的发展，特别是大规模集成电路的使用，对监测点、传输方式、智能控制方面提出了更高的要求。现在国外推出的煤矿安全监控系统多采用开放式接口、智能控制和分站系统化等特点。开放式接口能方便的把多通信方式在同一信道中传输，对扩展和兼容能力都大大提高:智能控制对煤矿安全生产起到更加重要的作用，在煤矿的突发事故中，更能疏散人群，控制事故:由于井下现代化越来越多，以微处理的裸机已经不能跟上系统的多样化和智能化，为此分站引入操作系统，多进程并行管理，对分站系统的安全性、可靠性、远程操作性都更加容易实现l8。
我国煤矿安全监控系统技术应用的比较晚，从二十世纪八十年代开始，中国才开始引进国外的煤矿安全系统应用于煤矿行业，经过三十多年发展，国内的煤矿监控系统经过引进系统、改进系统、研发系统三个过程。现在具有自主知识产权和应用较广的系统有KJ90、KJ95、KJ2000等等。虽然国内生产煤矿监控系统的生产厂商已有20多家，但大多数系统还是采用集散式监控系统，以主从体系结构、时分制通信为主，这些监控系统虽然对我国的煤矿安全生产取得了重大作用，但是和国外相比还是有较大的差距。
综上所述，我国在煤矿安全生产系统相对于外国先进系统，还存在以下几个方面的问题[10]:
1、安全监控系统技术水平低。国外普遍采用高速网络和现场总线组建工业监控系统，系统的反应速度快、可靠性高:而国内的煤矿监控系统严重落后，现有的煤矿监控系统大多以主从体系、时分通信方式为主，该类系统大多以查询方式运行，缺乏对故障自动处理和事故预防的能力，而且其稳定性和可靠性较差。
2、抗灾能力差。生产系统缺乏可靠性评价技术，缺乏防灾扩大有效手段，缺乏抢险救灾手段。
3、安全监控设备不配套。大型煤矿多以国有煤矿为主，大多煤矿的安全设备在九十年代已经建立，而现有的监控系统都是在原有基础上扩充和升级形成的，也就造成了监控系统只能兼顾旧设备，从而导致传输速率低、结构复杂、稳定性差等缺点。
4、井下监控分站技术落后。井下监控分站是煤矿安全系统最重要的部分，是最直接连接各采集数据模块和监控中心的纽带，而现有的井下监控分站多以8位或16位单片机设计为主，对未来安全系统的监测、高速通信传输和总线方式的工业监控体系都有些“力不从心”。
5、传感器检测性能差。煤矿安全监控系统的依据是传感器采集的数据，现在国内煤矿上使用的传感器多是功能单一、检测技术落后的传感器技术，虽然国内的智能传感器产品越来越多，但是价格较贵，而且其采集信号输出多样化，不方便分站系统的扩展和可靠运行。