煤矿安全监控系统井下监控分站的设计毕业论文
论文题目：煤矿安全监控系统井下监控分站设计（软件）
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摘要
煤炭是我们国家发展最主要的能源，同时我们国家也是当今世界上最大的煤炭生产国之一，所以煤炭的安全生产就显得尤为重要，而在这过程中，煤矿的安全监控系统就是煤矿安全生产的最重要的保障。
本论文主要研究设计的煤矿井下安全监控分站是煤矿安全监控系统的主要设备之一。该分站主要包括数据输入通道、控制输出通道、键盘操作和液晶显示模块。本设计采用STC89C52单片机作为控制器。单片机对输入通道采集的开关量和模拟量信息进行分析处理后，经输出通道控制执行器动作。当输入信号超过预设定的报警值或断电动作值时，进行声光报警或断电处理。键盘操作和液晶显示则可以实现人机交互。这样就可以构成一个典型集中管理分散控制系统。
最后，通过实验验证所设计的分站可以实现数据采集、风电瓦斯闭锁、键盘操作和液晶显示等功能，从而实现实时监测与控制，满足煤矿井下井下安全生产的要求。
关键词：监测监控系统，监控分站，闭锁，安全
Subject : Underground Monitoring Sub-station of Coal Mine Safety Monitoring System Design (software)
Specialty : Electrical engineering and automation
Name : (Signature)
Instructor : (Signature)
ABSTRACT
Coal is the major energy of our country, and our country is one of the world's largest producers of coal, therefore, the safety of coal production is particularly important, in this process, the coal mine safety monitoring system is the most important safeguards.
This thesis mainly talk about the underground monitoring sub-station which is one of the main equipment of coal mine safety monitoring system . It includes data input channel, output channel , keyboard and LCD display .This design uses STC89C52 SCM as the controller. SCM analyzes and processes digital and analog information acquired by input channel, and then control actuator movement through the output channel .When the input information exceeds a preset alarm value or power action value, sound alarming or power handling. Keyboard and LCD are an important part of human-computer interaction. This can constitute a typical centralized management and decentralized control system.
Finally, the experimental verification of the designed sub-station can realize data acquisition, control output wind power gas locking, keyboard and LCD display and so on, Achieving real-time monitoring and control and meeting safety requirements of underground coal mine production.
KEY WORDS ：monitoring system , monitoring sub-station , gas locking, safety
目录
1 绪论 (1)
1.1矿山安全监控系统的发展历程 (1)
1.1.1国内煤矿安全监控系统的发展 (1)
1.1.2国外煤矿安全监控系统的发展 (1)
1.2课题研究意义 (2)
1.3论文的主要工作及结构安排 (2)
1.3.1论文的主要内容 (2)
1.3.2论文的结构安排 (3)
1．4 本章小结 (3)
2 煤矿井下监控分站设计的总体方案 (4)
2．1 矿井监控系统的组成 (4)
2.1.1监控主机 (4)
2.1.2传感器 (4)
2.1.3 井下分站 (5)
2.2井下监控分站系统设计目标 (6)
2.3井下监控分站的总体设计 (6)
2.3.1系统总体功能架构综述 (6)
2.3.2系统结构框图设计 (7)
2.4小结 (7)
3 煤矿井下监控分站的硬件设计 (9)
3.1井下监控分站设计的主要技术参数 (9)
3.2井下监控分站硬件模块设计 (10)
3.2.1主控制电路 (10)
3.2.2电源模块 (12)
3.2.2传感器开关量输入通道模块 (14)
3.2.3模拟量压频转换模块 (15)
3.2.4控制输出模块 (15)
3.2.5拨码地址模块 (16)
3.2.6声音报警模块 (17)
3.2.7 按键控制模块 (17)
3.2.8液晶显示电路 (18)
3.3本章小结 (18)
4 煤矿井下监控分站的软件设计 (19)
4.1软件设计平台 (19)
4.2井下监控分站主程序的设计 (19)
4.2.1 控制器相关简介 (19)
4.2.2主程序流程 (21)
4.3井下监控分站模块子程序设计 (22)
4.3.1传感器数据采集 (22)
4.3.2显示主程序 (24)
4.3.3输出控制程序 (25)
4.3.4拨码开关程序设计 (28)
4.4本章小结 (28)
5 井下监控分站的调试及运行结果 (29)
5.1 井下监控分站硬件电路测试 (29)
5.2 井下监控分站系统调试 (30)
5.3 本章小结 (31)
6 结论与展望 (32)
6.1结论 (32)
6.2 展望 (32)
致谢......................................... 错误！未定义书签。参考文献 .. (1)
附录 (1)
附录一：系统电气原理图 (1)
附录二：井下监控分站软件设计的程序代码 (2)
1 绪论
1.1矿山安全监控系统的发展历程
中国是世界产煤大国，也是煤炭消费的大国。但是我国煤矿安全生产状况不容乐观，总的来说，我国煤田遍布全国，但煤层的赋存条件和地质情况差异很大，很多矿井自然环境恶劣，受到水、火、瓦斯、粉尘、顶板事故等自然灾害的威胁，发生事故比较频繁。为减少事故的发生，预防工作是安全生产的重点。
安全监测监控系统应用于煤炭生产行业，它起源于对矿井瓦斯检测的安全需求。煤矿安全监测监控技术是伴随着煤炭生产行业的发展而逐步发展起来的。随着煤炭行业的发展，采煤工作面产值不断提高，对环境和生产参数的检测要求也越来越高。随着微电子技术、控制技术、通信技术、计算机技术等的突飞猛进计算机更加广泛地进入工业控制的各个领域，并且发挥着越来越大的作用。同时，计算机技术在煤炭行业的应用也越来越广泛，利用计算机作为工控机对生产和环境参数的实时检测是煤炭生产的一个重要环节。
1.1.1国内煤矿安全监控系统的发展
我国煤矿安全监控技术起步较晚，80年代初，从国外等引进了一批安全监控系统，装备了部分煤矿。通过引进、消化、吸收，并结合我国煤矿生产的实际情况，研制出KJ2、KJ4、KJ10、KJ13、KJ19、KJ38、KJ66、KJ75、KJ80、KJ92等监测监控系统，并实际应用于我国煤炭生产行业。事实证明，安全监控系统在煤矿的安全生产中是极其重要的应用。
随着电子技术、计算机软硬件技术的快速发展，我们国家相继推出KJ90、KJ95、KJ101、KJF2000、KJG2000等监测监控系统。
同时在“以风定产、先抽后采、监测监控”的方针及煤矿生产安全规程等有关规程的指导下，明确规定了我国所有瓦斯矿井必须安装煤矿监控系统。
1.1.2国外煤矿安全监控系统的发展
外国矿井监测技术在20世纪60年代开始发展，从技术特点来说，监控系统的开发阶段的划分主要依据是从信息传输方法的进步。外国最开始的煤矿监控系统的采用空分制来进行信息传输，法国CTT-63/40是这类矿山环境监测系统的代表，它最多可以测量40个测量。以信道的频分制技术的为特点煤矿监控技术的第二代产品，其结果传输信道的电缆芯数大大减少，它很快取代第一代监控系统。第三代煤矿监控系统的出现是由
于集成电路的出现促进了时分制系统的发展。英国煤炭科学研究总院在1976年推出了基于时分的MINOS煤矿监控系统从而引起了轰动。到20世纪80年代初，MINOS系统相当成熟，在英国得到了大量的推广。
到了80年代计算机，大规模集成电路，数字通信等现代技术得到了快速发展。在这段时间，美国凭借自身的高科技优势，率先把计算机技术，大规模集成电路技术，数据通信技术等现代科技应用于监控系统，从而使煤矿监控技术得到了高速发展。它创建一个分布式的基于微处理器的第四代煤矿监控系统。最具代表的是美国MSA DAN6400系统。
1.2课题研究意义
安全监控技术的不断提高以及大量的推广使用，产生了明显的效果，大大降低了煤矿百万吨死亡率。安全监控系统也由早期的地面单微机监控发展成为网络化监测监控以及不同监控系统的联网监测。其主要由监控主机、通信接口装置、井下监控分站、各类传感器组成。
煤矿监测监控系统主要功能是能够及时、准确地反映各类监测信息。从而满足诸如瓦斯、一氧化碳、风速、温度、负压等环境参数及设备开停、风门开闭、风筒风量以及环境安全、轨道运输、皮带运输、供电系统等不同监测对象的要求。以实现在生产过程中对矿井各类参数进行全面综合地监测。
本课题研究的意义在于，通过安全监控系统的数据采集和显示，可以把煤矿井下个传感器的数据和现场情况上传到监控中心，使井下现场工作的情况一目了然。用技术来弥补人的疏漏，从而对煤矿井下进行一体化监测监控，实现人值守或少人值守，保证煤矿的安全生产。
1.3论文的主要工作及结构安排
1.3.1论文的主要内容
本课题要是设计煤矿安全监控系统井下监控分站的设计，需要做的主要工作如下：
(1)井下监控分站的总体设计
查阅安全监控系统的国内外研究发展状况，在总结归纳的基础上进行设计，对监控分站进行总体设计，确定监控分站要实现的功能。
(2)井下监控分站的硬件设计
根据监控分站所要实现的功能，拟将监控分站的硬件设计分为八个模块：电源电路、传感器开关量输入通道、圧频转换电路、控制输出模块、拨码开关电路、声光报警电路、键盘操作和液晶显示电路。
(3)井下监控分站的软件设计
单片机控制系统的设计：选择合适型号的单片机，完成要实现系统功能所需的软件设计，实现监控分站的数据采集、控制输出、键盘操作和液晶显示等功能。
(4)系统的整合、调试和进一步完善。
1.3.2论文的结构安排
本文共分为6章：
第1章：概述本课题相关研究领域国内外发展状况，本课题的研究意义、研究现状及发展趋势。
第2章：介绍煤矿安全监控系统的构成和工作原理以及介绍井下安全监测监控分站的设计目标、总体设计
第3章：介绍煤矿安全监控系统井下监控分站的设计的主要技术参数和其硬件设计各个模块及其功能。
第4章：介绍煤矿安全监控系统井下监控分站软件设计和实现。
第5章：简要介绍硬件测试、系统的测试同时进行功能分析。
第6章：总结论文并做工作展望。
1．4 本章小结
本章开始讲述了本文的选题背景、国内外发展历史及本课题及本课题的研究现状及发展趋势，然后讲述了研究的现实意义和理论意义。提出了本文需要研究的主要内容，并对文中的具体章节进行了安排。
2 煤矿井下监控分站设计的总体方案
2．1 矿井监控系统的组成
矿井监控系统由监控主机（监控软件）、井下分站、各种相关矿用传感器等组成。由图可以看出，这三者组成的是典型的集散控制系统。井下监控分站将采集到的各类传感器数据上传给地面监控主机，监控主机对所采集的实时数据进行分析，然后控制煤矿各级设备的工作状态。矿井监控系统的结构框图如图2-1所示。
图2-1 矿井监控系统结构框图
2.1.1监控主机
地面监控主机能够实现各种监测数据的处理、查询、显示、储存、打印等功能，同时，操作员发出的设备控制命令也是通过地面监控主机完成的。
地面监控主机也有显示测量参数、数据报表、图形生成、曲线显示、数据存储、故障统计和报表、报告打印功能。其中，部分系统可实现局域网连接功能，采用通用的TCP/IP网络协议实现局域网络终端与监控主机之间实时通信和实时数据查询等功能。
2.1.2传感器
传感器的稳定性和可靠性是煤矿监控系统能正确反映被测环境及设备参数的关键技术和产品,传感器提供是整个监测监控系统中的第一手资料。当前煤矿监控系统的传感器主要有瓦斯、风速、一氧化碳、温度、负压、水仓水位、煤仓煤位、电流、电压和
有功功率等模拟量传感器，以及机电设 备开停、机电设备 馈电状态、风门 开关状态等 开关量传感器。
传感器工作原理框图2-2所示。矿用传感器工作条件特殊，所以在设计中要考虑各种抗干扰，各种预防性技术。对于井下传感器输出的开关量信号，我们可以通过隔离技术直接接入井下分站；而对于模拟量信号，因其传输距离的衰减，各种电气设备的干扰的，所以无法将其模拟量信号直接上传到井下分站，所以在这里我们要对传感器输出的信号进行处理，处理分为两种方式，一种是通过圧频转换，将模拟量信号转换成频率信号上传到井下分站，另一种是将模拟量信号转换成数制信号，通过RS-485或其他方式上传到井下分站。
图2-2 传感器原理图
2.1.3 井下分站
图2-3 井下监控分站原理框图
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图2-3为井下监控分站工作的原理框图。通用监控分站是煤矿综合监控系统的重要组成部分，具有数据采集、控制输出、液晶显示、数据传输等功能。如图2-3，控制器采用单串口的单片机控制，串口用来与地面计算机通信，开关量信号通过光耦隔离进入单片机，模拟量信号经过圧频转换以频率信号输入单片机。单片机对输入信号经过判断处理后，通过光耦隔离输出4路开关量，输出信号可以控制井下设备的开停等。8位拨码开关用于设置该分站的地址。分站名称、地址、输入/输出信号状态通过液晶显示。单片机自带看门狗，增强稳定性。
2.2井下监控分站系统设计目标
系统设计的目标是设计并实现一种应用于煤矿安全监测监控系统中，在井下实时接收传感器的信息，能够进行分析处理并显示的井下监控分站装置。当某种参数超过一定界限时可以进行声光报警提醒，当该参数进一步升高时进行断电处理，例如瓦斯闭锁等动作。
实现如下功能：
（1）该监控分站体积小巧、灵活；
（2）该监控分站具有数据采集功能，并且能够兼容模拟量（频率信号200~1000Hz）和开关量信号（开停两态信号）输入，并且应该具有光电隔离功能；
（3）该监控分站要有控制输出的功能，能够对后端设备起到远程开停控制的作用；
（4）该监控分站可进行人机对话，要求具备键盘输入、液晶显示等功能；
（5）该监控分站应考虑到井下复杂的电磁环境，在设计时要考虑到电磁屏蔽以及各输入输出通道的抗干扰措施；
（6）设计实现过程中遵循可靠性、快速性、准确性等原则，确保系统设计目标的顺利完成并为以后的需求设计提供尽可能大的拓展空间。
2.3井下监控分站的总体设计
2.3.1系统总体功能架构综述
功能综述：要说明什么是监控分站，就要先说说煤矿安全监控系统。此系统是一种集散控制系统，为了实现煤矿对于集中管理、分散控制的要求，分为井下分站与地面中心两级管理系统，如图2.1所示。分站采用多个51系列单片机设计，具有数据采集、控制输出、键盘输入、液晶显示、声光报警、数据传输等功能。
分站在煤矿安全监控系统中起到的作用如图所示：当分站接收到地面主机的询问信号后，就立即将该分站所接收的各测点的数据信号传给地面主机；各分站循环分时对接收到的各传感器信号（开关量、模拟量和累积量）进行各种检测、变换和其他处理，并随时等待主机的询问。当需要对井下设备进行控制时，主机会将控制命令与分站巡检信号同时传给指定的井下分站，由分站通过继电开关等方式控制井下设备。
2.3.2系统结构框图设计
监控分站设计的系统框图如图2-4所示：
图2-4 监控分站设计的原理框图
图2-4为所设计井下监控分站的原理框图。如图3-1所示，分站设计两路开关量输入通道，两路模拟量输入通道，拨码开关确定分站地址，输出部分包括液晶显示、声光报警和控制输出，电源模块分别各单片机、输入和输出部分供电。
2.4小结
本章简单介绍了煤矿安全监测监控系统的主要构成，并对其构成的功能、工作原理进行了说明。本章主要介绍了井下监控分站设计的目标和设计的总体方案。
3 煤矿井下监控分站的硬件设计
井下监控分站作为煤矿安全监控系统的连接纽带，在整个安全监控系统是必不可少的。所以监控分站可以实现以下功能：对传感器数据进行采集，包括开关量信号和模拟量信号；对采集到的传感器数据进行处理分析，通过输出通道进行报警处理和控制其设备的动作情况；可以通过键盘操作实现对参数的改变，对采集到的数据的值进行液晶显示等；
3.1井下监控分站设计的主要技术参数
因为监控分站工作于煤矿井下，煤矿井下环境复杂特殊，所以分站的设计要满足以下工作参数：
1、环境条件
分站在下列条件下应能正常工作：
(1) 环境温度：0℃～40℃
(2) 平均相对湿度：不大于95％（+25℃）
(3) 大气压力：80～106kPa
(4) 煤矿井下有瓦斯、煤尘等爆炸危险的环境
2、电源电压、电流
直流：15V±20%。工作电流：≤300mA。
3、输入输出容量
(1) 2路开关量/模拟量(可以扩展至4路)；
(2) 2路开关量信号输出（可以扩展至4路）；
4、输入输出信号
(1) 开关量输入信号
高电平时，信号幅度应不小于3V，电流应不小于1mA；低电平时，信号幅度应不大于0.5V，电流应不大于0.1mA ；
(2) 模拟量输入信号
200～1000Hz频率信号（适当修改分站软件，也适于输入不高于1200Hz的频率信号），脉宽大于0.3ms，幅度不小于3V，电流应不小于1mA；
(3) 开关量输出信号
高电平空载时不低于10V，负载拉出电流2mA时不低于5V；低电平不大于0.7V。
5、自动断电