河北科技师范学院学报第２４卷第２期，２０１０年６月 Ｊｏｕｍａｌ ｏｆ Ｈｅｂｅｉ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｍｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏ１．２４ Ｎｏ。２ Ｊｕｎｅ ２０１０ 带有语音系统的煤矿瓦斯报警系统的设计 方宇训，郄志鹏，刘士光 （河北科技师范学院，河北秦皇岛，ｏ６６ｏｏ４） 摘要：通过煤矿中采矿点的瓦斯传感器和单片机内设的Ａ／Ｄ转换技术，实现对采矿点瓦斯气体浓度信息的 采集以及信号的转换；再通过单片机内部进行数据处理；然后将处理好的数据与标准值比较，在通过ＬＥＤ数 码管进行显示和ＩＳＤ４００４语音系统报值，当超过标准值时进行语音报警。而且采矿点的数据实时的由 ｎＲＦｇ０５无线传输模块，传输到中继站的单片机中，最后通过ＲＳ２３２转ＲＳ４８５有线传输，传输到煤矿外的监控 室中，从而有效的防止煤矿瓦斯爆炸事故的发生。 关键词：语音芯片；瓦斯传感器；Ｏ－片机；无线传输；ＳＰＩ串口通讯 中图分类号：ＴＰ３６８．１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７２￣９８３（２０１０）０２４３０３２－０５ 当前，随着采矿技术的不断发展，井下作业的安全越来越有保障，但是仍然有许多采矿企业的安检 设备陈旧落后，对现场采矿的工作人员的生命安全造成潜在的威胁，特别是针对瓦斯气体的检测和报警 仍旧存在隐患，每年由于瓦斯泄露造成的特大事故依然很多［Ｉ］。瓦斯是在成煤过程中形成并大量储存 于煤层之中的气体，是煤矿井下危害最大的气体 ］。目前我国各大中煤矿的高瓦斯或瓦斯突出矿井陆 续在装备矿井安全监测监控系统，然而，通过监察实践和交流发现，由于监控系统产品本身和矿井维护 管理等方面的原因，致使多数矿井使用效果不好，有的根本不起作用，甚至还是安全隐患。因而系统地 分析监控系统应用中存在的问题，并采取相应的对策，使其在矿井安全生产中的发挥作用有着极其重要 的意义［３］。笔者采用高速低功耗单片机和无线射频芯片构成无线瓦斯传感器，通过ＳＰＩ通信协议组成 的煤矿瓦斯检测与报警系统，能快速、准确的对煤矿中的瓦斯浓度进行检测与显示，并对当前的环境作 出判断，发出报警信息，再通过中继站的有线传输，传输到煤矿外的监控室中，从而有效的防治瓦斯爆炸 事故发生 。 １系统硬件设计 在实际的采矿过程中，井下的采矿点很多，而且矿井的结构不同、规模不一，要对矿井中的瓦斯气体 达到一定的检测与管理水平，就需要把矿井安全参数检测与报警系统设计成拓扑结构 ，才是切实可 行的方案。因为工控机的分析处理能力较强，处理速度更快，界面显示信息丰富，特别是它的高可靠性 便于在监控室集中管理，所以拓扑结构系统中的监控机采用工控机，而中继站安放在适当的工 作面上，多个中继站以有线通信的方式与工控机连接，每个中继站又都以无线通信的方式与若干个终端 报警仪相连 Ｊ。硬件拓扑结构见图１。 在此主要介绍的是硬件拓扑结构中的终端报警仪和中继站。矿井瓦斯报警系统终端报警仪既是相 对的矿工可以手持的瓦斯报警仪，同时又是整个矿的瓦斯报警系统中的一个节点；而中继站是起承 上启下的作用，与若干个节点进行无线传输，与工控机进行有线传输，可以保证把稳定的信号通过多芯 电缆传输到监控室中 ］。同时，通过同一多芯电缆，把供电电源由工控机引人中继站，这样有利于解决 井下安全用电问题。 １．１硬件结构框图 本系统主要包括带有Ａ／Ｄ转换器的单片机ＳＴＣ１２Ｃ５４１０ＡＤ、信号采集与处理、语音报值与报警、 ＬＥＤ显示、无线传输、ＲＳ４８５串口通讯等功能电路。系统的硬件框架如图２所示。 基金项目：生产监督管理总局资助项目（项目编号：０６－０６５）。 收稿日期：２０１０－０５—１７ ２期 方宇训等带有语音系统的煤矿瓦斯报警系统的设计 ３３ １．２数据采集模块 １．２．１ ＭＰ一５瓦斯传感器简介ＭＰ．５型半导体可燃气体敏感元件采用先进的生产工艺，由加热器以及 微型Ａ１：０陶瓷基片上形成的金属氧化物半导体材料构成，用合金丝引出，封装在金属管座、管帽内。 当有被检测气体存在时，空气中该气体的浓度越高，传感器的电导率就越高。使用简单的电路即可将这 种电导率的变化转换为与气体浓度对应的输出信号。 传感器主要特点：高选择性；对ＣＨ ，Ｃ Ｈ 的灵敏度高；元件外形尺寸小；５ Ｖ定电压、低功耗；快速 的响应恢复特性；优异的稳定性和长期的使用寿命。适用于家庭、工厂、商业场所的可燃气体泄露监测， 防火／安全探测系统 Ｊ。 １．２．２ ＭＰ－５瓦斯传感器的测试电路传感器的基本测试电路见图３，其中Ｖ 用于为传感器提供特定 的工作温度；Ｖ 则是用于测定与传感器串联的负载电阻（尺 ）上的电压（ ）。在满足传感器电性能要 求的前提下，Ｖ 和Ｖ 可以共用同一 个电源电路。本系统采用的就是一 个电源电路。 １．２．３数据采集电路本系统的数 据采集电路见图４，主要由瓦斯传感 器ＭＰ－５和放大器ＡＤ ６２３组成 Ｊ。 通过煤矿中每个采矿点的ＭＰ－５传感 器检测煤矿中的瓦斯浓度值，然后通 过放大电路进行信号放大，最后将放 大的信号传送到单片机Ｐ １．２口。 数据采集电路传送信号的大小 可以通过调节电路中滑动变阻器Ｒ 来进行调节。电路增益值可以在１Ｏ １００之间选择，从而使传送到单片 图１ 带有语音系统的煤矿瓦斯报警系统的硬件拓扑结构 机Ｐ １．２口的信号达到理想状态。 无线 通讯 ｊ２ｌ５矿内采矿点的单＂机硬件部分 煤矿内中继站的单 机硬件部分 图２带有语晋系统的煤矿瓦斯报警系统的硬件结构框架 １．２．４ ＬＥＤ显示模块为了兼顾低功耗和井下显示醒目，本系统通过采用４位７段ＬＥＤ数码管显示 技术，对煤矿瓦斯采取到的数值进行静态显示，从而直观的显示出煤矿中瓦斯的浓度。虽然数码管显示 比液晶显示耗电相对大些，但是仪器电源取自操作工人照明用的蓄电瓶，仪器所耗电不及照明所耗十分 之一，所以不存在仪器供电困难和工作时间仪器电能耗尽问题。 数码管静态显示就是显示驱动电路具有锁存功能，单片机将所要显示的数据送出去后，数码管始终 河北科技师范学院学报 ２４卷 显示该数据（不变），单片机不再控制ＬＥＤ，到下一次显示时，再传送一次新的显示数据。静态显示的接 口电路采用一个并行口接一个数码管，数码管的共阴极分别接地。这种接法，每个数码管都要单独占用 个并行Ｉ／０口，以便单片机传送字形码到数码管控制数码光的显示，其缺点就是当显示位多时，占用 Ｉ／０口过多。所以，系统设计的时候，我们采取的是串行接口扩展ＬＥＤ数码管的技术。通过采用４个 ７４ＬＳ１６４元件，只需要２个Ｉ／Ｏ口就能实现４位７段ＬＥＤ数码管显示，从而减少了Ｉ／０口的占用。 本系统采用的是４位７段ＬＥＤ数码管显示技术，采用的ＬＥＤ是共阴极。采用串行口扩展ＬＥＤ数 码管，可以有效的利用Ｉ／Ｏ接口，避免Ｉ／Ｏ接口不够用的状态发生。通过单片机的Ｐ ２．４控制数据的是 否输入，Ｐ ２．５作为ＬＥＤ的数据输人口。分别用４个７４ＬＳ１６４驱动４位数码管进行静态显示，可以避免 显示的数值闪烁或不清晰的状况发生，使井下作业的人员能直观的知道实时的瓦斯浓度值。开始时，Ｐ ２．４ １３置零，Ａ／Ｄ转换完成的数据，通过单片机的Ｐ ２．５口按位传送到ＬＥＤ中，当软件确定数据传输完 成后，将Ｐ ２．４口置一，此时瓦斯浓度值就显示在ＬＥＤ上了。显示电路见图５。 图３数据采集模块测试电路 图４煤矿瓦斯报警系统的数据采集电路 ＧＮＤ ＣｏＭ Ｃ０Ｍ Ｃ０Ｍ Ｃ０Ｍ ａ ｂ Ｃ ｄ ｃ ｆ ｇ Ｉ１ ａ ｂ Ｃ ｄ Ｃ ｔ ｇ Ｉ１ ａ ）Ｃ ｄ ｃ ｆ ｔ ｌ１ ａ ｂ Ｃ ｄ ｅ ｆ ｇ ｈ ｌ ｋ ９ — Ｉ９｛ ］． ９ 。 ９ 串 ９ Ｐ ２．ｉ｝ ７ 二５ Ｉｑ７亡］８ ７Ｕ“Ｕ Ｕ４ｑ ４ｌ Ｓ１｛（６ ２ｑ１ｑ０ ４。 ４ｊＬ Ｓ。１。 ６４ 。‘ １－４ｑ；７４ＬＳＩ６４一 ７ｕｆｊｑ５ ４ｕ｛ｑ２ｕｌｑ０ 。 ！ ‘７ ４ＬＳ１ｊ”。‘。。 ‘６４ ０ Ｋ ＶＣＣ ＩＣＩ Ｋ Ｇ Ｄ ＶＣＣ ＣＲ Ｋ“ ＩＪ、ｕ ｄ ｛ Ｐ ＧＮＤ ２．４。ｆ ＩＩ ｌ Ｉｌ Ｉ ｝ｆ Ｉｌ Ｉｌ Ｉ ｌ ｌ ｌ 。ｌ ｌ ＶＣＣ ｌ ｌ ｌ ｌ Ｉ ｌ ＶＣＣ ｌ ｌ Ｊ 图５煤矿瓦斯报警系统的ＬＥＤ显不电路 １．３语音系统的设计 美国ＩＳＤ（Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｔｏｒｓｇｅ Ｄｅｖｉｃｅｓ）公司 明是专业研制和生产先进的半导体语音芯片的著名厂 家和领导者，开发的高密度“多级”存储方法，可以在一个存储单元存储２５６级的不同电平，即存储相同 信息仅需要用传统存储技术１／８的存储空间。ＩＳＤ ４０００系列单片声音录放器件是用ＣＭＯＳ工艺实现的 高语音质量、３ Ｖ工作电压的集成电路芯片，特别适用于移动电话和各种便携式产品。片内集成有振荡 器、抗混叠滤波器、平滑滤波器、自动静音电路、音频放大器和高密度多级Ｆｌａｓｈ存储阵列。这个系列的 芯片用于微处理器或微控制器系列，通过串行外围接口ＳＰＩ或Ｍｉｃｒｏｗｉｒｅ串行接口进行寻址和控制。录 音数据被存放方法是通过ＩＳＤ的多级存储专利技术实现的，用声音和音频信号的自然形式直接存放在 固态存储器中，从而提供高质量回放语音的保真度。 ２期 方宇训等带有语音系统的煤矿瓦斯报警系统的设计 ３５ １．４无线通信模块的设计 无线通信模块由单片射频收发器芯片ｎＲＦ ９０５，高频天线电路及单端鞭状天线组成。 ｎＲＦ ９０５是挪威Ｎｏｒｄｉｃ ＶＬＳＩ公司推出的单片射频收发器，工作电压为１．９～３．６ Ｖ，３２引脚ＱＦＮ封 装（５×５ ｍｍ），工作于４３３／８６８／９１５ ＭＨｚ等３个ＩＳＭ（工业、科学和医学）频道，是免执照频段，即使用这 个频段无需缴费，减少了使用费用，虽然数据率不高，但系统传输的数据量不多，完全够用。频道之间的 转换时间小于６５０ Ｕ８。ｎＲＦ ９０５由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成，不 需外加声表滤波器，ＳｈｏｃｋＢｕｒｓｔＭＴ３－＿作模式，自动处理字头和ＣＲＣ（循环冗余码校验），使用ＳＰＩ接口与 微控制器通信，配置非常方便。此外，其功耗非常低，以一１０ ｄＢｍ的输出功率发射时电流只有１１ ｍＡ， 工作于接收模式时的电流为１２．５ ｍＡ，内建空闲模式与关机模式，易于实现节能。ｎＲＦ ９０５适用于无线 数据通信、无线报警及安全系统、无线开锁、无线监测、家庭自动化和玩具等诸多领域 。ｎＲＦ ９０５片 内集成了电源管理、晶体振荡器、低噪声放大器、频率合成器功率放大器等模块，曼彻斯特编码／解码由 片内硬件完成，无需用户对数据进行曼彻斯特编码，因此使用非常方便。 ２系统软件设计 系统的软件应用灵活，修改方便，具有较强的移植性，可以充分扩展系统的功能。本系统的软件主 要完成对瓦斯检测浓度数据的处理，包括浓度显示，浓度判别，数据发送等功能。 ２．１系统主程序设计 本文所设计的煤矿瓦斯检测与报警系统，主要介绍以下两部分：①矿井瓦斯报警系统终端报警仪 （传感器节点），主要进行瓦斯浓度的数据采集、数据处理、经过ＬＥＤ显示和语音报值或报警，其程序流 程见图６。矿井瓦斯报警系统终端报警仪除自身显示数据与报警外，还将数据用无线传输的方式送到 中继站［１ ，其程序流程见图７。②中继站如前所述要接受矿井瓦斯报警系统送来的数据，将接受到的 数据处理、打包后通过有线传输的方式送到监控室中。 ２．２语音模块子程序流程图 语音模块主要是对瓦斯值的报音或报警。当第一次使用此系统前，需要对ＩＳＤ ４００４模块进行录 音，将需要的语音数据与地址存放到单片机的存储器中。当瓦斯超标时，不但数码显示，而且及时语音 报警，其程序流程见图８。 初始化 初始化 将变送器（Ｐ１．２）信号进 将接收到的数据处理、打 行Ａ／Ｄ转换 包存在数据缓冲区中 进行中值滤波 半口初始化 与标准值进行比较 发送第一个地址 进行语音报值与ＬＥＤ显示 竺 通过无线发射器将数据发 Ｙ 送到，ｆｌＩ继站 将数据缓冲区·Ｊ，的数据分Ｊ 别发送给检测室 Ｉ 图６报警仪的主程序流程 图７ 中断站的主程序流程 图８报警仪的放音程序流程 河北科技师范学院学报 ２４卷 ３结论与讨论 系统采用ＳＴＣ１２Ｃ５４１０ＡＤ单片机控制传感器对矿井中的瓦斯浓度进行数据采集、处理，语音报值或 报警、ＬＥＤ数码管显示，当超过标准值时，进行语音提示和报警。通过无线传输实时的将数据传送到中 继站，中继站与监控室进行有线传输。单片机采用汇编语言编程，建立模块化结构，各模块相互，有 较高的可靠性和扩展性。本系统设计简单，易于维护，具有较好的移动性、准确性。 由于时间和经验的不足，本系统还存在一些软件和硬件上的缺点，如：终端报警仪瓦斯浓度数据的 处理、语音模块的稳压等还有继续完善的空间。 参考文献： ［１］严辉，夏巍，丁刚．基于ＣＡＮ总线的煤矿瓦斯报警系统的设计［Ｊ］．工业仪表与自动化装置，２００７（４）：３３－３５． ［２］ 秦宪礼，刘新蕾，沈斌．基于无线射频通信的多功能瓦斯报警矿灯的研制［Ｊ］．工矿自动化，２ｏｏ８（６）：５６－５８． ［３］魏乐平．煤矿安全监控系统应用中存在的问题与对策［Ｊ］．煤矿安全，２ｏｏ６（１）：７１＿７４． ［４］ 吴强，沈斌，刘新蕾．基于微功率无线通信的瓦斯报警矿灯研究［Ｊ］．煤矿机械，２００８（１２）：１３９—１４０． ［５］蒲毅，黄学满．基于ＬＭ１８９３的电话线通讯系统在瓦斯泵房监控中的应用［Ｊ］．矿业安全与环保，２００５（２）：４８－５０． ［６］吴海龙，孙运强，姚爱琴．煤矿瓦斯联动报警系统节点设计［Ｊ］．煤炭工程，２０１０（１）：１２—１４． ［７］朱辉．工控机行业的现状及技术发展趋势［Ｊ］．电子技术应用，２Ｏ０９（５）：１８－２２． ［８］孙建民，杨清梅．传感器技术［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００５． ［９］牟连佳，牟连泳．无线传感网络及其在工业领域应用研究［Ｊ］．工业控制计算机，２００５，１８（１）：３－５． ［１０］王坤，张文科．基于单片机与语音芯片的语音系统设计［Ｊ］．科技信息，２００９（６）：１７７－１７８． ［１１］孙英达，徐文琴，丁立新．ｎＲＦ９０５无线收发芯片的应用［Ｊ］．机械制造与自动化，２００９（６）：１１５—１１７． ［１２］张毅刚．ＭＣＳ－５１单片机应用技术［Ｍ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，１９９７． 作者简介：方宇训（１９８７－），男，河北科技师范学院欧美学院电气工程及其自动化专业本科２０１０届毕业 生。主要研究方向：电气工程及其自动化。 （责任编辑：朱宝昌） Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ａ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ Ｇａｓ Ａｌａｒｍ Ｓｙｓｔｅｍ Ｗｉｔｈ Ａｕｄｉｏ Ｓｙｓｔｅｍ ＦＡＮＧ Ｙｕ—ｘｕｎ，Ｑｍ Ｚｈｉ—ｐｅｎｇ，ＬＩＵ Ｓｈｉ—ｇｕａｎｇ （Ｈｅｂｅｉ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｑｉｎｈｕａｎｇｄａｏ Ｈｅｂｅｉ，０６６００４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ｇａｓ ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒｓ ｅｑｕｉｐｐｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ Ａ／Ｄ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ｇａｓ ｄｅｎｓｉｔｙ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ ａｎｄ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｓｉｇｎａｌｓ ｃｏｎｖｅｒｔｅｄ；ｔｈｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｗｏｕｌｄ ｔｈｅｎ ｂｅ ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｉｎｔｅｒｎａｌ ＭＣＵ ｄａｔａ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｓｔａｎｄａｒｄ ＶａｌＵｅＳ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｄｏｐｔｉｏｎ ｏｆ ＬＥＤ ｄｉｇｉｔａｌ ｔｕｂｅ ｄｉｓｐｌａｙ ａｎｄ ＩＳＤ ４００４．Ｖｏｉｃｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗｏｕｌｄ ｔｈｅｎ ｇｉｖｅ ｖｏｉｃｅ ａｌｅｒｔ ｗｈｅｎ ｖａｌｕｅ ｅｘｃｅｅｄｓ ｔｈｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ｖａｌｕｅ．Ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｄａｔａ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｄｅ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｌａｙ ｓｔａｔｉｏｎ ｍｉｃｒｃｏｏｍｐｕｔｅｒ ｔｈｒｏｕｇｈ ｎＲＦ ９０５ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｒｔｎａｓｍｉｓｓｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ，ａｎｄ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｉｆｎａｌｌｙ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｒｏｍＢ ｏｕｔｓｉｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｍｉｎｅｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ＲＳ２３２ ＲＳ４８５ ｃａｂｌｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ ｗｏｕｌｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ｇａｓ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ａｃｃｉ－ ｄｅｎｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｖｏｉｃｅ ｃｈｉｐ；ｇａｓ ｓｅｎｓｏｒ；ＳＣＭ；ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ；ＳＰＩ ｓｅｒｉａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ
