摘要

煤炭是我国民生和经济发展的重要组成部分。在煤矿生产过程中存在着许多的安全隐患，其中危害最大的就是瓦斯，瓦斯是指在矿井开采时，伴随着矿井的开采而产生的气体，它具有无色、无味的特点，能造成爆炸、可以燃烧并具有使人窒息的危险。要预防煤矿安全事故，必须加强对井下瓦斯浓度的监控。

本设计是基于单片机矿井有害气体检测报警系统，应用于矿井中的温度、湿度、PM2.5浓度、一氧化碳浓度和瓦斯浓度检测，并在超过阈值时进行报警和换气。该系统通过硬件电路设计，对主控制器及传感器等元件的选取，完成了硬件电路原理图及实物的制作；运用keil开发软件对温度、湿度、PM2.5浓度、一氧化碳浓度、瓦斯浓度检测和显示等模块进行软件编程，最终实现了软件程序和硬件系统的结合；通过系统的全面测试，测试结果良好，系统能够实现实时地检测矿井下的瓦斯浓度、一氧化碳浓度、PM2.5浓度、温度、湿度等各项指标，并取得了较好的效果。利用该系统可以实时掌握矿井内有害气体浓度、温度、湿度等情况，及早发现危险，并采取相应的防范措施，防止矿井事故。

关键词：单片机；有害气体；检测

目 录

摘要

第1章 引言

第2章 系统方案设计及器件选型

2.1主要研究内容

2.2设计方案及器件选型

第3章硬件设计

3.1矿井有害气体检测报警系统的工作原理

3.2硬件电路设计

第4章软件设计

4.1软件介绍及流程图

4.2软件设计

结论

参考文献

第1章 引言

目前，随着煤矿开采技术的发展，矿井安全问题日益突出，仍有不少偏远矿山企业的机械化程度仍然处于较低水平，这给在矿区作业的员工带来了生命安全的隐患，特别是在有害气体检测和报警方面还存在隐患，由于瓦斯气泄露，每年都有许多意外发生。现有的气体探测设备具有结构相对简单、方便安装等特点，但其存在的问题也有很多，需要定期维护、维护方法复杂等等。系统采用单片机对采集到的气体进行实时的数据处理，当气体浓度超出标准时，会发出警报。其主要目的是改善气体探测的可靠性和安全性。该方案充分发挥了微处理器的强大性能，以解决上述问题。

第2章 系统方案设计及器件选型

2.1主要研究内容

本文的主要研究内容是基于单片机矿井有害气体检测报警系统，系统对矿井内瓦斯气体、一氧化碳、PM2.5以及温湿度进行检测，交付给单片机处理，工作人员可以根据报警系统的警示进行相应的自救行动，在矿井内减少有害气体对人体的损害，并且系统运用换气模块进行通风换气。系统需要实现主要功能如下：

1、对矿井内有害气体进行检测，防止矿内工作人员发生危险；

2、对于矿内有害气体超过阈值或温湿度超标进行报警，并有灯光提示；

3、报警时进行通风换气，减小危险发生时对人体的损害；

4、显示器实时显示当前有害气体浓度及温湿度。

2.2设计方案及器件选型

2.2.1设计方案

基于单片机控制有害气体检测报警系统主要包括单片机作为核心控制、传感器模块作为检测工具、电源模块给系统供电、降压模块处理个别器件供电、OLED显示模块作为显示工具、风扇进行通风、蜂鸣器及报警灯进行报警。系统总体框图如图2-1所示。

系统采用单片机作为核心控制芯片的有害气体报警系统设计，系统采用大功率风扇进行通风换气，可通过一氧化碳检测传感器和瓦斯气体检测传感器进行检测矿井有害气体浓度，温湿度传感器检测温湿度，OLED液晶显示屏实时显示有害气体浓度，当有毒气体的浓度太高或者温度和湿度超出了正常的范围时，蜂鸣器就会发出警报，并且风机会发生相应的动作进行换气。

2.2.2单片机方案选择

主控制器的设计直接影响整个系统的性能和功能，是整个瓦斯浓度检测系统的核心。方案1：AT89C51单片机。学习初期最常用的芯片，存储空间4K，输入电压范围为4.5V~5.5V，有两个定时器。

方案2：STC89C52RC单片机。STC89C52RC是一款具有8K可编程Flash存储器，功耗低，高性能CMOS8位单片机。

方案3：STM32F103C6T6单片机。STM32F103C6T6是一款32位单片机，它的核心是STM32系列ARMCortex-M，它的内存容量为64KB，所需的电压为2V~3.6V，在-40~85℃之间运行。

设计选用STM32F103C6T6A为主要控制器，STM32F103C6T6单片机具有操控灵活、容易入手、调试及维护简单方便的特点，此单片机是一款32位的高性能单片机,功能完善、安全可靠，STM32F103C6T6单片机经过大量的改造，使其具备了传统AT89C51、STC89C52RC所不具备的性能。存储容量更大，在工业自动化、智能仪器、通信、武器等多个行业中得到广泛的应用，其优势是显而易见的。所以本设计选择方案3。

2.2.3电源模块

方案1：罗马仕移动电源。方便携带，可循环使用，兼容性强，接口选择性多。

方案2：220V交流低压电。国家工矿业最常用的标准电压，也是家庭用的交流电压。

本设计选择方案2，单片机及各个元件的工作电压范围是3.3V～5.5V，需要一个降压电路或手机充电器即可解决本设计的用电问题，且矿井下需要实时监测，要保证本系统的续航能力，所以选择220V交流电源更为合适。

2.2.4显示方案

方案1：LED数字管。LED数字管可进行动态扫描，价格合理，使用的数量就越多，连接起来就越麻烦，程序也就越复杂。数码管仅能显示简单的数字，同时其功耗较高。

方案2：点阵式数字管。该点阵数字管包括8排8列的二级发光二极管，在许多情况下都能见到。不过，在电子屏幕上显示的时间并不是很好，因为点阵在文字上有很大的优势，但在数字上却是有缺陷的，既不直观，又有些浪费。综合考虑，排除了这个办法。

方案3：OLED显示器。OLED显示能力强，可以显示出丰富的文字、图像，显示形式丰富、清晰。与数码管显示器相比，无论在视觉上还是在亮度上都有很大的优越性，而且目前OLED已经是主流，得到了广泛的认可。它具有操作简便、成本低廉、能耗低等优点。

由于该系统需要大量的数据来显示，所以选择OLED，该器件是一种具有自发光特性、无需背向光源、显示数据清晰的显示器。视角宽，反应速度快。OLED显示屏具有各种控制指令，可以实现亮度，开关，升压等功能。可以展示汉字、ASCII、图案等。

2.2.5风机方案

方案1：FBD矿用隔爆型压入对旋轴流式局部通风机。风力强、低噪音、防爆性强、安装简单。风机采用纯铜电机，2*55kw大功率。可将其放置于井筒底部，或吊挂于井壁，其工作环境中的气体温度为-20~40摄氏度，温度范围广，主要技术参数如表2-1所示。

表2-1风机主要技术参数

方案2：智能温控模块。该模块具有三档调节，输入电压范围宽，方便供电，模块体积小，方便安装，能搭配H08电源外壳散热。

风机选用方案1，由于该风机主要用于煤矿井下局部通风，适用于矿井采掘工作面。风机具有结构合理、高效、节能、低噪声、送风距离长等特点。当通风管道长度不超过2000米时，可以任意移动风机位置进行送风，风机功能不会受到任何影响，节省通风的时间，是矿井局部通风的理想设备。

2.2.6瓦斯浓度传感器方案

方案1：MP-4型可燃性气体传感组件。该传感组件是在AI203陶瓷基板的两个侧面上分别形成一个加热装置和一个金属氧化物半导体气敏薄膜，并将其封装在一个金属外壳中。在有探测气体的情况下，当气体浓度增大时，传感器的导电能力增强。利用简单的线路，可以把电导率的改变转化成相应于气体浓度的输出信号。

输出电压（V）

老化时间（天）

为了防止电压输入错误，传感器1、2引脚将加热电路，3、4引脚与测量电路相连接，增强测量信号，如果传感器电气特性要求达到，则可以使用相同的供电电路。

方案2：半导体式气体密度传感器。这种传感器在测量气体浓度变化时，可以将气体分子吸附在半导体的表面，使其导电性能发生改变。自二十世纪六十年代以来，由于其成本低廉，制造工艺简单，灵敏度高，因此，它具有很好的应用前景。电路简单和对温湿度敏感度低的特点已被广泛应用至今。系统选用MP-4传感器作为瓦斯检测传感器，由于MP-4传感器原理更为简单，更加灵敏，器件小巧，不占空间，消耗电能较少，更为精准，且成本不高，更适合本设计。

2.2.7一氧化碳传感器方案

方案1：ZP16空气质量模组。该器件可以检测多种混合气体，对于本设计来说可以算是增加了附赠属性，ZP16是由一种新型的薄层半导体气敏元件组成，此气敏元件对一氧化碳，氨气，氢气等气体非常敏感。ZP16空气质量模组具有很高的敏感性和稳定性。

方案2：MQ-7型一氧化碳感应器组件。该传感器采用了二氧化锡（SnO2）作为气体敏感材料，在洁净的大气中具有更强的导电能力。

因为ZP16空气质量模组体积更小，更能为系统节省空间，该器件灵敏度高，长期稳定性好，出厂校准，使用方便，具有传感器的自动检测能力，功耗低，寿命长。所以选用ZP16空气质量模组作为一氧化碳气体的检测传感器。

2.2.8PM2.5传感器方案

方案1：ZPH02PM2.5传感器。ZPH02为激光粉尘传感器，更适用于高精环境，且该设备为PWM捕获，通过捕获时间就可以推算出PM2.5浓度，具体的传感器参数商家也会赠送，有利于进一步生产操作。

ZPH02型粉尘传感器结合了红外探测技术，利用颗粒计数法对大气中PM2.5浓度进行了监测。对直径1μm以上的粉尘粒子进行敏感探测。

方案2：PMS9103MPM2.5激光粉尘传感器模组。此传感器资料保证了各厂家的一致性，没有使用任何第三方检验工具或资料作对照。如果使用者想要最后的测试结果与某个第三方的测试仪器相符，则可以让使用者依据真实的测试结果来进行数据的拟合。该传感器适合于一般的室内使用。如果用户的设备在矿井下面的真实环境中使用，那么应该在传感器上加上相应的保护，否则会导致数据的一致性降低。

由于PMS9103MPM2.5激光粉尘传感器模组更适合于一般的室内使用，而ZPH02PM2.5传感器可以在矿井等环境中应用，进而得出ZPH02PM2.5传感器更能适应艰苦环境，且ZPH02PM2.5传感器更为小巧精准，所以选择ZPH02PM2.5传感器更为合适。

2.2.9声音报警方案

方案1：有源型蜂鸣器。电磁长音蜂鸣器，内置振荡驱动电路，接通电源就能发出声音。

方案2：无源型蜂鸣器。内部不具有振荡驱动电路，直流信号不能让它发出声音，必须使用2K~5K的方波来驱动。才能让发蜂鸣器发出声音。

本设计选用5V有源蜂鸣器，因为有源蜂鸣器自带振荡驱动电路，且可以实现蜂鸣器翻转报警，其工作的理想信号是直流电，不需要外接其他电路，更符合本设计的要求。

2.2.10灯光报警方案

方案1：LED灯片贴片。该器件体积比较小，发光效果很明显，发光原理是电流通过化合物半导体，电子和空穴结合，将能量以光的方式释放出来。

方案2：LED灯珠。可用在信号指示、玩具车、模型指标等需要产品功能指示的灯珠上面，灯珠本体无色，可发出不同颜色的光。

选用LED灯片贴片作为报警电路的灯光显示部分，由于LED灯片贴片更契合PCB板，可直接焊接在板子上，本设计通过灯光闪烁，来实现报警，LED灯片贴片的工作电压为5V，电源电压即可供电，在本系统正常工作过程中不会出现烧坏的现象。

2.2.11温湿检测方案

方案1：SHT31数字式温湿度传感器。SHT31数字式温湿度传感器采用先进的数字采集方式，具有体积较小，反应迅速，性价比高等特点，在气象站或各类温湿度测试及检测仪器中被广泛的应用，该传感器为完全标定；数字输出，I²C接口；低功耗；优异的长期稳定性；采用DFN封装。其温度测量精度可达±0.3℃，长时间偏移性可达0.03℃/年，具有可靠的稳定性。

方案2：DHT11型温湿度传感器。DHT11型温度、湿度传感器应用了奥松DHT11型数码温度、湿度传感器[4]。产品具有的极佳的稳定性。该传感器由聚合物电阻型感应元件、NTC温度测量元件组成。

系统采用SHT31型温湿度传感器，用于温度、湿度的监控。SHT31数字温湿度传感器更为小巧，更省电，将此传感器置于单片机周围更为合适。

第3章硬件设计

3.1矿井有害气体检测报警系统的工作原理

将矿用有害气体检测报警装置放置于矿井中，使传感器与矿井周围的环境保持完全接触，在启动后，由瓦斯、一氧化碳、PM2.5、温湿度传感器等器件进行监测和收集数据。通过对所检测到的数据进行分析，并与所设定的参数进行对比，以确定是否要报警，并将所检测到的各种参数信息以液晶显示屏的形式显示出来。

3.2硬件电路设计

3.2.1电源电路设计

系统采用Tapy-c接口，5V电压输入，给ZPH02PM2.5传感器、ZP16一氧化碳传感器、MP-4瓦斯传感器通电，经降压电路降压，输出3.3V电压，提供给单片机及SHT31温湿度传感器所需的电源。电源电路原理图3-1中R22选用1k电阻为限流电阻，防止短路损坏电路，LED3为系统工作指示灯，指示系统生活是否正常运作，电路图如

3.2.2降压电路设计

系统的降压电路选用AMS1117-3.3芯片作为降压电路的核心部分，AMS1117-3.3是一款输出电压为3.3V的正向低压降稳压器[5]，它的输入电压范围是4.75~15V，系统输入5V电压，经过芯片电路的降压处理，输出电压为3.3V，降压电路原理图3-2中GND为接地引脚，VOUT为输出电压引脚，VIN为输入工作电压，C1为10pF输出滤波电容，10pF过滤低频杂波，作用是抑制自激振荡，如果不接这个电容，通常线性稳压器的输出会是个振荡波形。C2和C3是输入电容，其中C2为10pF过滤低频杂波，C3为100nF过滤高频杂波，对于交流电压整流输入，作用是把单向脉动电压转换成直流电压。一般输入电容的容量应该大于输出电容，作用是防止断电后出现电压的倒置。

3.2.3单片机电路设计

STM32单片机是本设计的核心器件，其工作电压为3.3V，电压需经过降压电路再进行单片机供电，STM32在系统中的作用就是“指挥”着其他外围设备的有条不紊地工作。在此原理图中3、4、5、6引脚为外部时钟电路晶振引脚，7引脚为复位电路引脚，8、9引脚分别为接地引脚和电源引脚，11引脚为MP-4瓦斯传感器引脚，12、13引脚为ZP16一氧化碳传感器的输入输出引脚，14引脚为蜂鸣器引脚，15、16分别为SHT31温湿度传感器的串行时钟和串行SDA引脚，17引脚为灯光报警引脚，18、19引脚为系统指示灯引脚，20、44引脚为BOOT启动引脚，21引脚为ZPH02PM2.5传感器的PWM捕获数据传输引脚，30、31、34、37引脚为Link发送数据接口、接收数据接口、数据线、时钟线引脚，32、33引脚为OLED数据引脚和时钟引脚，39引脚为风扇引脚。STM32单片机通过相应引脚接收数据并处理数据，安全、高效、准确地给出响应。

3.2.4时钟电路设计

STM32单片机有两个晶体振荡器，一个是高频率的为8MHz，经常用于锁相环倍频，也是系统默认的晶振；另外一个晶体振荡器是低频率的频率是32.768KHz，通常用于系统待机状态下使用。虽然单片机本身装有一个晶体振荡器，但是通常使的振荡器来提供需要的时钟信号，以确保频率同步达到较低的功率消耗。系统采用了8MHz的外部晶体振荡器。时钟电路原理图3-5中接地电容的大小是根据晶振型号确定的，可以查到该晶振对负载电容的要求为20pF，所以C14、C15为20pF，为单片机提供了时钟信号。

3.2.5复位电路设计

复位电路是单片机工作的重要组成部分，常见的系统复位方式有五种，NRST引脚上的低电平复位(外部复位)；窗口看门狗计数终止复位(WWDG复位)；独立看门狗计数终止复位(IWDG复位)；软件复位(SW复位)；低功耗管理复位。系统选用外部复位，是NRST引脚的低电平复位，通过按键复位电路给这个引脚一个低电平，让系统完成复位。

3.2.6BOOT启动电路设计

根据表3-1BOOT启动模式表我们可知平时我们都是使用的默认主闪存存储器，将BOOT接不同的电平可以选择BOOT的启动模式，首先了解启动STM32。所谓的启动，通常是在编写好的下载程序之后重启芯片，系统时钟的第四个上升沿会锁存BOOT管脚的值，也就是将两个BOOT的电平值（0或1）存储起来。可以通过设置BOOT1和BOOT0引脚的状态，来选择在复位后的启动模式。R35、R36为下拉电阻，其阻值为10K，将引脚电压下拉到GND。

3.2.7下载接口电路设计

系统是由link接口作为软硬件结合的连接器，需要向硬件设备传输软件编程，将程序写入单片机，单片机执行编程逻辑，link接口就充当了软件与硬件的连通器件，用来连接PC与硬件设备，传输编程语言，Link接口一共有八个引脚，其中1引脚是电源输入引脚，2引脚为发送数据串口，3引脚为接收数据串口，4引脚是SWDIO时钟线，5引脚是SWCLK数据线，6、7、8引脚为接地引脚。

3.2.8声音报警电路设计

系统的蜂鸣器采用有源蜂鸣器，内置振荡驱动电路，供电即可做出反应反应。蜂鸣器由NPN型三极管驱动，正向高电平，三极管导通，电流通过，蜂鸣器报警，其中R17为1k基极电阻，R18为10k电阻下拉电阻，由于单片机自身的驱动能力不高，因此在驱动蜂鸣器时必须添加三极管，使得其声音更大，从而达到更好的报警效果。

3.2.9灯光报警电路设计

系统采用LED灯片贴片作为灯光报警装置，利用LED灯片贴片的闪烁动作，达到报警的目的，应用NPN型三极管驱动LED小灯报警，正向输入高电平，三极管导通，小灯发亮，输入低电平，三极管截止，小灯熄灭。R19为1k基极电阻；R21为10k限流电阻；R20为10k下拉电阻，用于防止输入信号上电误动作，其值不应太小，以免由于分流对驱动电流造成较大的影响。

3.2.10风扇电路设计

系统的风扇选用普通的演示实验风扇，其电源为5V电源电压，采用NPN型三极管驱动，由于该电路为演示电路，所以选用HDR-F-2.54-1*2芯片代替风扇实物，该电路图中R3为1k基极电阻，R4为10k下拉电阻，该风扇制作实物时需注意风扇为两线A1插头，存在正负极，切勿将正负极插反，损坏器件，连接电源端使用。

3.2.11显示电路设计

OLED显示屏有四个引脚，分别是接地引脚、5V电源引脚、SCK时钟引脚、SDA数据引脚，将其插入插槽内即可使用，显示屏不带字库芯片，用汉字取模软件生成显示数据，在设计中需要显示的参数名称用化学简称或英文缩写代替。

3.2.12温湿度检测电路设计

该电路选用STH31芯片作为原理图器件，首先完善降压电路、滤波电路。SHT31的电源范围是2.1~3.6V．建议的电压是3.0v。必须在电源引脚和接地引脚之间联结去耦电容，且电容的位置应尽可能靠近传感器，本设计中选用了两个去耦电容，分别是C16为0.1u和C17为4.7u，NRESET接高电平，ALERT浮空。ADDR接地即可。串行时钟SCL和串行SDA为开漏输出，驱动能力不足，需要接上拉电阻。系统中R25为10k是串行时钟SCL的上拉电阻、R26为10k是串行SDA的上拉电阻。

3.2.13PM2.5检测电路设计

ZPH02传感器电路在本设计用到了1、5、6引脚为接地引脚，3引脚为电源输入引脚，4号引脚一个引脚，用来PWM捕获传输数据，该模块可以从网上直接获得传感器模块，电路的设计就相对简单，购买器件槽和传感器模块即可应用到本设计中，先将器件槽焊接到电路板中，插上传感器即可使用，其工作原理是空气通过ZPH02传感器中功率电阻加热，上升的热风将外部的气体带入光路，并迅速排除。

3.2.14一氧化碳检测电路设计

系统中选用ZP16传感器检测一氧化碳浓度，电路用到A（TX）0-5V数据输出接口和B（RX）0-5V数据输入接口，这两个接口用来传输数据。该芯片用5V电压供电，不需要降压，接电即可直接使用。模组初次上电使用需预热5分钟以上。要严格按照模组的供电电压给模组进行供电，电压超过5.5V会导致模组不可逆转地损坏。

3.2.15瓦斯检测电路设计

系统中MP-4传感器是插到器件槽中使用，在电路设计中用到了1引脚作为电源输入引脚，2引脚作为接地引脚，3引脚置空，4引脚作为AO模拟量引脚，用该引脚传输数据即可使用。

如图3-17是MP-4型传感器的内部主要测试线路。传感器需要有两种电压：加热电压VH和供电电压VC。VH用于为感应器提供特定的工作温度。，它可以是DC（直流电）或者AC（交流电）。VRL为负载电阻器（RL）上的电压。VC是用于测试负载电阻器RL的电压，需要使用DC。

第4章软件设计

4.1软件介绍及流程图

KeiluVision5软件是由美国KeilSoftware公司研制的一个与C语言相适应的软件开发平台。Keil公司开发了一个具有C编译器，宏汇编，链接器，库管理和强大的模拟软件。如果用C语言编写程序，Keil就是最好的选择，因为它简单易用，再加上一个强有力的模拟调试工具，可以让编程事半功倍。

KeiluVision5是为了让软件开发者更快更高效地进行编程。KeiluVision5介绍了一个可在视图中放在任意位置的弹性窗口，包括多个窗口的并行写入。KeiluVision5在KeiluVision3IDE的基础之上，增加多种显示和灵活性的视窗管理，通过系统浏览器的视窗可以显示装置外部的数据，可以建立并储存多种调试窗口的配置，精简多种工作区域的大量的工程，KeilμVision4在国内有三个ARM代理公司，为客户提供销售和技术支持服务。

CubeMX软件的简介：STM32Cube的开发平台包含了设计工具、中间件、以及一个硬件的抽象层，使用户可以专注于革新。ARMCortex-M核心芯片制造商意法半导体公司，为STM32单片机开发了一系列高性能的STM32CubeMX。该系统能够使用户在开发过程中的工程简单，缩短了项目的研究时间，从而使STM32成为了一种新型的产品。

STM32CubeMX的开发平台主要有STM32CubeMX的GUI组态，以及C语言的初始化生成程序以及各类嵌入式软体。通过使用初始化的方式，可以使使用者逐渐地进行单片机的组态，同时，通过内置的软体，可以避免由于多个厂商的软体而进行的大量工作。嵌入的软件包含了一个新的HAL(HardwareAbstractionLayer)，它可以使STM32中的代码迁移变得简单。在STM32单片机上，将所有用于开发的通用软件集成到一个软件包中，它消除了评价各软件的相关性的工作，因为评价这些不同的软件的相关性是非常复杂的。STM32Cube为使用者在使用过程中，可以快速、有效地获得最新的应用程序。

本设计对于软件的任务要求是先对系统进行初始化，启动传感器，对传感器的信号进行读取判断，传感器对有害气体进行检测，单片机对检测数据进行处理判断，超过阈值报警，实现声光报警以及风扇转动实现通风。

4.2软件设计

首先定义STM32F103C6T6单片机引脚，本设计用到CubeMX软件，配置好单片机的输入输出等引脚，然后通过CubeMX软件一键生成代码，跳转到Keil5软件，先新建工程，选择芯片，确定各个指标之后。用Keil5软件新建文档编写程序，Keil5软件自动生成前4个文件夹，需要人为操作添加三个文件夹，分别是APP、APP/elog、Hardware。

Hardware文件夹中放入最底层的OLED、ZPH02、SHT30、ZP16、MP-4驱动。APP/elog文件夹则是一个日志库，可以通过连接搜索，是一个开源的项目，可以将其打印出来，在串口上打印一些文字，方便调试输出。APP文件夹是本设计的逻辑层，所有的逻辑是在逻辑层实现的。

4.2.1能模块程序设计

1）、瓦斯浓度检测程序

MP-4传感器检测到空气中瓦斯气体的浓度数据后，数据经过A/D转换电路，读取电压之后对信号进行变换（sersonData.gas=HAL_ADC_GetValue(&hadc1)/41），变换之后将信号转换成浓度关系，最后被单片机读取MP-4引脚上的电压信号即瓦斯浓度，由于测试过程中瓦斯传感器需要预热，最初瓦斯浓度并不稳定，所以经过公式变换获得数据，将最初瓦斯浓度置零处理，预热完成后即可正常工作。

2）、一氧化碳浓度检测程序

一氧化碳需要串口解析，运用串口中断服务，用串口空闲中断来实现，原理是使能非空中断。其原理是在接收数据的时候进入中断，进入后停留在使能空闲中断，然后不断接收数据，在接收不到数据之后，触发空闲中断，设置对应标志位，说明完成了一次接收。优点是动作比较快，方便接收多帧数据。

一氧化碳浓度信号采集是运用回调函数，将接收到的数据传输给回调函数，回调函数根据对应的数据结构也就是通讯指令做出反应，通讯指令是指当ZP16空气质量模组在自动模式下，一次性上传八位数据，回调函数会判断数据位数，如果位数等于9，且第一位是0XFF，且经过校验函数，校验和正确，将数据取出来，转换成相应的浓度，转换方式是将空气中的一氧化碳浓度除以阈值乘百分之百则是空气中一氧化碳的含量。

通信指令：通信有自动上载和提问两种方式，出厂时自动上载，模块之间间隔1s传送一次。

3）、PM2.5检测程序

PM2.5浓度检测用PWM波捕获方式实现读取，捕获波形如图4-5所示。用CUBEMX设置输入捕获，经过公式计算最终得出PM2.5的浓度。PM2.5浓度读取的第一次，因为传感器没有预热，在开机前3秒的捕获会有捕获不准的情况，第一次直接将它的数据置为0。

PM2.5捕获输出波形：

LT：一个周期内低电平的脉宽UT：一个周期的脉宽低脉冲率RT：RT=LT/UT×100%

图4-7PM2.5输出波形

4）、显示程序设计

首先进行初始化OLED程序，然后开始接收数据，用软件程序写出各个控制量的名称、位置、ASCII码等信息，然后开始接收数据，将接收到的数据显示出来，持续刷新屏幕。

5）、报警程序设计

根据任务书要求进行警报控制，设置阈值，当温度大于50℃、湿度大于90%、PM2.5浓度大于20%、一氧化碳浓度大于1%、瓦斯浓度大于1%，超过阈值，开始报警，恢复正常，结束报警。

6）、系统指示灯程序

系统指示灯翻转，实现1s闪烁一次

if(time%100==0)

SysToggle();

系统指示灯计时程序

time++;

if(time>0xfff0)

time=0;

HAL_Delay(1);

至此，软件程序简述结束，系统总体程序详情请见附录C。

软件编程对于一个设计来说就是大脑思维的条理，一个系统是否成功很大的责任是在于软件编程是否合理，合理的语句可以使系统清晰地运转，能够大大提高系统的效率，也能够保障系统的稳定性以及快速性。

结论

本文主要对基于单片机矿井有害气体检测报警系统进行了详细的综述。系统主要实现了对矿井下瓦斯浓度、一氧化碳浓度、PM2.5浓度以及温湿度的实时监测，检测的数据通过OLED显示器进行显示，同时与预设阀值进行比较，超限报警，进行通风，到目前为止，整个系统工作状态良好，技术指标均已实现，系统的检测情况良好，有效的结合了单片机、传感器与软件程序，相较于之前的矿井检测系统，本次设计更现代化、更节能、更灵敏。通过如下工作完成了本项研究。

在网络上查阅参考文献，收集有关材料，并最终制定了项目的整体设计方案。依据系统的设计和性能要求，选用适当的控制器和部件。主要控制芯片的选择是其设计的核心，主控设备已经选定，接下来气体传感器的选择则是其功能实现的关键。之后就是对温度、湿度传感器、显示器、蜂鸣器、灯片贴片、PM2.5传感器、风扇等器件的选型。为使系统的各项功能得以充分发挥，各个元件的选择必须满足需求，且成本低，功耗低。

绘制系统硬件电路原理图，首先是STM32F103C6T6主控制器的设计，然后是电源电路部分、时钟电路部分、BOOT启动电路、Link下载调试电路及复位电路部分；其次是瓦斯浓度、一氧化碳浓度、PM2.5浓度、温度、湿度信号的采集及调理电路的设计；最后是OLED显示电路的设计。利用keil5软件的开发环境，采用模块化方法设计各功能模块，用C语言编写程序；通过Proteus软件对系统的软硬件进行综合调试，最终完成整个系统设计。本项研究的设计理念、器件选型、电路布置都比合理，采用了比较专业并且先进的PCB电路板作为系统的底板，选用嘉立创公司的SMT贴片项目服务，将较难焊接的贴片器件较完美的焊接在PCB板上，节省了空间，也大大减少了电路错接、空接的情况，极大的保证了系统的安全性、稳定性。

参考文献

[1]张荷芳.矿用瓦斯浓度检测系统的研究与设计 [D].西安工业大学,2013.

[2]林梦华. 基于PLC和工业以太网通讯的分布式监控系统的信息融合技术实验研究[D].中国矿业大学,2014.

[3]王海领. 基于GSM网络的城乡供电线路分段真空开关的监控系统[D].河南理工大学,2014.

[4]DHT11型温度、湿度传感器使用手册[Z]，使用手册，2022.

[5]AMS1117-3.3降压芯片使用手册[Z],使用手册，2022.

[6]榆林学院示例.基于单片机的矿井瓦斯监测系统的设计[D]，榆林学院，2016.

[7]孙晓波. 对旋风机机电性能匹配及两级驱动电机变极调速运行研究[D].哈尔滨理工大学,2018.

[8]李月. 基于Linux的移动机器人无线网络控制系统的设计与研究[D].兰州理工大学,2017.

[9]赵君兰. 智能化矿井提升机制动系统检测装置的开发[D].西安科技大学,2011.

[10]徐军,刘畅.基于单片机的矿井瓦斯检测报警系统设计研究[J].科技资讯,2011(07):66.

[11]封蕾. 煤矿瓦斯浓度检测及报警系统[D].西安电子科技大学,2010.

[12]胡子发.美国格雷斯铁矿井下空气的监测系统[J].冶金安全,1980(02):80.

[13]Farooq Sajid,Rativa Diego,Said Zafar,Araujo Renato E. de. Ultra-sensitive narrow-band plasmonic perfect absorber for sensing applications[J]. Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications,2022,50.

[14]Eto Shuzo,Ichikawa Yuji,Ogita Masakazu,Sugimoto Sachiyo,Asahi Ippei. Standoff Detection System Using Raman Spectroscopy in the Deep-Ultraviolet Wavelength Region for the Detection of Hazardous Gas.[J]. Applied spectroscopy,2022.

[15]Wei Meiqi,Dou Xilong,Zhao Liang,Du Jiguang,Jiang Gang. Monolayer penta-BCN: A promising

candidate for harmful gases detection[J]. Sensors and Actuators: A. Physical,2022,334.

[16]Boya Ma, Jinqing Liu, Jinchao Xiao, Jihai Liu. Summary of Research on Localization of Hazardous Gas Leakage Source[J]. International Core Journal of Engineering,2022,8(1).