本文設計出這一款基于STM32單片機煤礦瓦斯監測控制管理系統，包括甲烷氣體傳感器電路、溫濕度傳感器電路、Wi-Fi模塊電路、報警電路、繼電器控制電路及顯示電路。

STM32單片機作為核心，具有監測煤礦礦井溫濕度、瓦斯濃度參數的功能，并具有瓦斯濃度超限報警功能；具有自動強制通風功能；采集數據可通過液晶屏顯示。監控數據和告警信息可以通過Wi-Fi模塊傳輸到遠程機智云端。

系統方案設計

本次設計的主要核心是機智云平臺對煤礦瓦斯安全環境的監控，使用移植機智云GAgent的Wi-Fi/GPRS模組建立橋梁，使煤礦瓦斯監測系統采集的數據與機智云互聯互通。煤礦瓦斯監測系統與機智云數據交互圖如圖1所示。

總體方案設計

煤礦瓦斯安全監測系統涉及的主要硬件設備有：單片機最小系統控制電路、瓦斯氣體采集模塊、溫濕度傳感器采集模塊、蜂鳴器報警模塊、有機發光二極管(organiclight-emittingdiode,OLED)顯示模塊、繼電器自動化控制模塊和Wi-Fi無線通信模塊。這幾大模塊共同組成了煤礦瓦斯安全監測系統。主要功能實現如下。

01

運用有毒氣體傳感器，檢測煤礦有害氣體濃度(比如瓦斯、一氧化碳等)是否超標，當檢測到有毒氣體超標，開啟排風口排有毒氣體，同時開啟蜂鳴器警報報警，開啟工作人員安全撤離，保障工作人員的安全。

02

運用溫濕度傳感器，采集當前煤礦環境的溫濕度值。當溫濕度值超過設定的閾值時，開啟風扇散熱排濕。實現煤礦工作環境的穩定。

03

運用光敏傳感器，采集煤礦工作的光強環境。

04

OLED液晶屏幕顯示煤礦環境溫濕度值、瓦斯濃度值。

05

手機App機智云頁面的監控。采用Wi-Fi模塊，實現數據無線傳輸在手機App端顯示監控以及控制。手機App端可以顯示采集的數據，還可以控制瓦斯濃度報警閥值。

硬件電路設計

單片機最小系統介紹

單片機最小系統一般由下載電路、電源電路、復位電路、晶振電路和單片機芯片組成，也是系統能夠實現運轉的最小電路原理圖。可以說，每個項目設計的每一個系統都離不開這幾個電路的支撐，其外設各種功能都是在此基礎上開發。

01

晶振電路

本設計采用的是外接晶振電路：本晶振電路有兩個電容和一個晶振源組成，兩個無極電容的主要作用是消除晶振源產生干擾電感的阻抗。晶振，更正確地說是“晶體振蕩器”,在系統電路中主要起著產生振蕩頻率的作用，可以說所有的系統電路都離不開時序的頻率驅動，這是一種有序的時序邏輯電路，比喻為單片機的心臟也不為過，起著至關重要的作用，而晶振的頻率主要采用12M,可以根據單片機需求進行鎖相環(phase-lockedloop,PLL)分頻，至高能達到72MHz。

02

復位電路

剛開始系統上電時給電容充電，此時的電阻和電容之間會形成高電壓，所以單片機的RST復位引腳是高電平，當按鍵S2被按下后，此時的電阻和電容之間會形成低電壓，單片機復位引腳RST是低電平狀態，處于這個狀態超過兩個機器周期，單片機就會進行程序初始化(復位)。

03

甲烷氣體傳感器電路

甲烷、一氧化碳等有毒氣體檢測電路是整個系統電路的核心組成部分之一，核心部件MQ-5有毒氣體傳感器，具有靈敏度高、壽命長、穩定性好、電路結構簡單的優點，所以常用于家庭、工廠和公共場所的氣體安全檢測，而且MQ-5不僅能甲烷，還能檢測氫氣、苯、天然氣等氣體的探測。所以相對準確地說：MQ-5是個多種氣體檢測傳感器。

04

溫濕度傳感器電路

本次設計采用DHT11溫濕度傳感器模塊采集煤礦的溫濕度。收起傳感器簡介：DHT11溫濕度傳感器是一種能夠自行測量溫度和濕度的復合型元器件，也是一種能夠自行校準數字信號并且串行輸出的傳感器。其中濕度能夠檢測的范圍20%～90%RH,溫度為0～50℃,濕度的精確度在±5%RH,誤差較大點，溫度精確度在±2℃左右，精確度較高。

05

蜂鳴器電路

蜂鳴器電路連接在三極管基極和單片機PB12的電阻主要起到限流的保護作用，工作原理是只要單片機PB12端口輸出低電平至三極管基極，集電極與發射極超過0.7V的導通電壓，三極管被導通，有較大的電流經過三極管，蜂鳴器機會進行報警，此處用于煤礦有毒氣體超標時和溫濕度值過大時就會進行警報。

軟件程序設計

采用的是Keil5軟件，目前最主流編程軟件。功能強大：提供了C語言編譯器、連接器、宏匯編、庫函數管理功能，還能在線調試和仿真。

主控制程序設計

系統上電后，進入主程序之前循環之前，需要先對各個模塊的程序進行初始化，模塊初始化主要包括MQ-5甲烷氣體傳感器、DHT11溫濕度傳感器、OLED顯示屏等，重新初始化可以復位系統電路，并獲取傳感器初始化狀態。

初始化完成后，主程序會對MQ-5有毒氣體傳感器實時采集有毒氣體、DHT11溫濕度傳感器采集溫濕度、OLED屏幕實時更新顯示等，將獲取的數據經過單片機的對比后，作出相應的緊急判斷，最后通過Wi-Fi上傳數據，實現手機App端機智云的監控，從而實現煤礦瓦斯安全監測等自動化操作。

電子電路設計

本設計的硬件制作原理圖主要使用AltiumDesigner這款軟件進行制作，此款軟件可以漢化支持中文顯示，使用比較的方便，功能強大齊全，設計上比較的簡單，對電子電路開發有著一整套的電路開發系統，適宜電子愛好者的設計與開發，在網上學習資料也比較的齊全。

以下是設計操作的幾個主要步驟：

(1)打開軟件運行后創建文件。新工程需要選創建工程文件，然后保存命名為“單片機的煤礦瓦斯監測控制管理系統的設計與研究”。
(2)在工程項目中創建原理圖，對一些需要用到的元器件進行庫增加，在庫元件中找到自己設計所需要的元器件拖出來，然后對元器件進行正常的連接與布局。
(3)完成以上的步驟后，最終可以得到完整的煤礦瓦斯監測控制管理系統。

數據自動采集與監測

機智云是一個致力于物聯網和云服務的開發平臺。智能云平臺主要專注于物聯網硬件上的智能云服務和解決方案，是行業的長期努力，是對傳統物聯網行業的深刻改造，為個人和企業開發者提供一站式智能硬件開發和云服務平臺。

該平臺提供從定義的產品、設備端開發和調試、應用程序開發、生產測試、云開發、運營管理和數據服務訪問到運營管理的智能硬件訪問，以實現服務的全生命周期。機智云平臺為開發人員提供自助的智能硬件開發工具和開放的云服務。通過簡單的自助工具，完善的SDK和API服務功能，最大限度地降低物聯網硬件開發的技術門檻，降低開發人員的成本，提高開發人員的產品生產速度，智能升級開發人員。更好地連接和服務最終消費者。

機智云平臺是一個致力于物聯網和智能硬件云服務的開放平臺，本設計中通過Wi-Fi模塊實現數據傳輸，實現對瓦斯氣體采集并上傳至機智云的功能。

開發順序步驟：

A. 注冊成為智能云開發人員

在使用智能云平臺服務之前，您需要注冊一個開發者賬戶。單擊以注冊WitCloudDeveloper賬戶，將其分為“個人賬戶”或者企業賬戶。

B. 創建產品

在開發者中心點擊“創建新產品”后輸入產品名稱以及選擇對應設備接入方案即可完成“新產品”的創建。

第一步，點擊“創建新產品”;

第二步，輸入產品名稱與選擇設備接入方案；

第三步，創建數據點，點擊“新建數據點”,添加開關機數據點；

第四步，下載云端自動生成的協議。

C. 設備與應用開發

設備端訪問：設計中把單片機設備采集的信息通過編寫智能云連接協議GAgent的網絡模塊，即可通過智能云平臺Wi-Fi模塊無線通信實現設備組網和智能。通過Wi-Fi模塊連接到智能云平臺，實現App通過云控制智能設備。

D. 調試產品

產品開發完成后，單片機系統數據在調試過程中，開發和調試設備將連接到WisdomCloudSandbox服務器(測試服務器),將采集的電壓值進行顯示在對應的界面，并且可以進行控制充電開啟以及關閉。

本文設計的基于單片機的煤礦瓦斯監測控制管理系統，以單片機為核心，通過傳感器將井下瓦斯濃度傳給單片機，單片機經過處理，判斷瓦斯濃度是否超標。當有害氣體濃度超標時，會發出聲光報警，開啟繼電器控制風扇進行空氣濃度調節，直至濃度降到設定值以下。

通過Wi-Fi模塊傳輸到機智云端，還能在OLED顯示屏顯示，便于工作人員查看和控制。能夠防止和避免事故發生，保證井下工作人員的安全。