基于Zigbee技术的煤矿瓦斯监测系统 - 图文

江西理工大学应用科学学院毕业设计

基于Zigbee技术的煤矿瓦斯监测系统

江西理工大学应用科学学院毕业设计

摘 要

随着我国经济的快速发展，各行各业对煤炭的需求急剧增加，各种矿难事故也频繁发生，在安全问题上，未能做到防患于未然。此次设计的主要目的是解决瓦斯气体的检测与报警。文中首先阐述了本论文所使用的无线传输协议zigbee，其次着重介绍了我们此次基于甲烷传感器mjc4 3.0l和ARM单片机的煤矿瓦斯监测报警器。本设计的硬件电路包括浓度检测，A/D转换，ARM检测与数据处理，数据显示电路，串口通信及各控制电路；软件设计包括浓度采集，数据转换及处理，动态显示及浓度控制等。通过软硬件的设计可实现对瓦斯浓度的监测并且当其浓度超过预警值时可进行声光报警。可有效防止和避免瓦斯燃烧或爆炸的恶性事故发生，对避免人员伤亡财产损失有着积极的作用。该装置具有经济实用、数据直观准确、适应性强等特点，可大量应用于煤矿井下作业现场。

关键词：无线传感器网络；Zigbee 网络；瓦斯监测;stm32

江西理工大学应用科学学院毕业设计

Abstract

With China's rapid economic development, all walks of life the demand for coal increased dramatically, and the occurrence of a variety of mining accidents, making the safe production of coal is facing tough challenges. The main content of the design of coal mine monitoring and alarm, from a subject point of view, the main design is divided into two parts: First, the coal mine gas monitoring system alarm. First described CH4monitoring system with the development and condition followed focused on the design of a coal mine gas monitoring based methane sensor MQ-5 and MCU stm32 alarm. The design of the hardware circuit, including the concentration detector, A / D conversion, single-chip system, the data show circuit and control circuit; software design, including the concentration acquisition, data conversion and processing, dynamic display and concentration control. Hardware and software design allows for the monitoring of gas concentration and when its concentration exceeds the alarm value, alarm sound and light and ventilation to reduce the gas concentration. Can effectively prevent and avoid the gas fire or explosion, fatal accidents, to avoid casualties and property loss has a positive role. The device has the economical and practical, intuitive and accurate data, adaptable, and can be applied to a large number of miners working underground site gas detection.

Key Words：Wireless sensor networks；Zigbee；Gas Monitor;stm32

江西理工大学应用科学学院毕业设计

目 录

第1章 引 言 ................................................ 1 1.1课题研究背景及意义 .......................................... 1 1.2课题的主要研究内容与要求 .................................... 3 第2章 系统功能介绍及方案选择 ............................... 4 2.1 系统性能描述 .............................................. 4 2.2 ZIGBEE无线通讯协议介绍 ..................................... 4 2.3 系统方案的选择............................................. 5 2.3.1 系统设计方案............................................. 5 2.3.2 传感器的选择............................................. 6 2.3.3 CC2530介绍 .............................................. 10 2.3.4 CORTEX-M3介绍 ............................................ 11 2.4 本章小结 ................................................. 13 第3章 硬件系统设计 ........................................ 14 3.1 硬件系统功能设计 .......................................... 14 3.2 各模块仿真原理图及工作原理 ................................ 15 3.2.1 信号采集电路............................................ 15 3.2.2 单片机最小系统电路 ...................................... 16 3.2.3 液晶显示电路............................................ 16 3.2.4 串口通信以及电源电路 .................................... 16 3.3 本章小结 ................................................. 17

江西理工大学应用科学学院毕业设计

第4章 软件设计 ............................................ 18 4.1 软件设计流程图............................................ 18 4.2

各部分软件设计 .......................................... 19

4.2.1 信号采集软件设计 ........................................ 20 4.2.1 串口通讯软件设计 ........................................ 21 4.3 本章小结 .................................................. 24 总结 ...................................................... 28 致谢 ...................................................... 28 参考文献 .................................................... 28 附录 ...................................................... 28

江西理工大学应用科学学院毕业设计

第1章 引 言

1.1课题研究背景及意义

煤矿安全生产这个老问题，如何在开采煤炭、持续供应稀缺能源的同时，保证宝贵的生命不受矿难的吞噬是我们不得不面临的共同课题？煤炭产业，作为我国能源工业的支柱，其地位将是长期的、稳定的，但是煤炭工业的安全生产状况却不容乐观，中小型煤矿的情况尤为严重，已经直接威胁到整个煤炭工业的稳定生产，给国家财产和人民生命造成了很大的损失，作为“万恶之首”的甲烷爆炸事故更是居重大事故发生率之首。在去年又接连发生了多起甲烷爆炸事故，事故的结果触目惊心，因此通过强化甲烷管理，提高通风甲烷检测监控水平，已成为中小型煤矿甲烷检测监控的最迫切的任务之一。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机械化程度低，因此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。据《中国煤炭报》统计，全国共有大小煤矿60000多个，从业矿工

【2】

800多万。根据煤矿三班作业的实际情况，目前至少需要300万个瓦斯报警器，可见其市场非常广阔。但由于某些技术上的不足，导致一些关键问题至今没有能够解决。由于瓦斯气体本身的危险性和对人民生产生活造成的巨大危害，因此瓦斯气体的检测和报警是一项非常必要的工作。

国外的监控系统技术水平理论上讲高于国内发展水平，但应用于国内煤矿尚有一定的局限性，如煤矿管理模式生产方式的不同，价格过高不适于国内煤矿现有条件，除在传感器技术方面可供借鉴外，其它仅具一定参考价值。80年代初，世界各产煤国检测装置的缺点是：1）测量范围小2）易受高浓度瓦斯和硫化物的中毒以及存在零点漂移和灵敏度漂移问题，存在检测不准确及井下校准困难等弊端（每7天校准一次）。由于检测装置向更迅速更快捷发展，方便携带等要求发展。传统的机械检测仪一般灵敏度和准确度也比较低或者检测方法难，同时单片机既有通用计算机的基本部件，又不同于计算机。体积小，能实时快速的对外部事件作出响应，迅速采集大量数据，做出逻辑判断与推理后实现被控对象的参数调整与控制，且能满足检测仪的设计要求，所以基于单片机的智能瓦斯检测系统设计的开发有很大意义。因此各国都采用智能煤矿瓦斯检测系统装置，运营单片机工作原理，它能提高煤矿瓦斯检测技术水平和检测的实时性，更能有效预防煤矿瓦斯事故的发生。电子技术的迅猛发展一方面带动了煤矿瓦斯检测系统技术的发展，一方面也对煤矿瓦斯检测产品提出了越来越高的要求。智能煤矿瓦斯检测主要是依据单片机为核心进行设计的，传感器设计的智能煤矿瓦斯检测系统速度快，体积小，重量轻，可连续检测再加上气体传感器向低功耗、多功能、集成化方向的发展，单片机具有受集成限制，片内储存量较小，可靠性好，扩展简单，控制功能强等特点，因此，基于单片机的智能煤矿瓦斯检测系统的研究和开发生产具有十分广泛的现实市场和潜在的市场需求。随着单片机的广泛应用，将大大促进各领域的技术更新，向自动化、小型化、智能化方向迈进。而且单片机内部具有8路A/D转换和大容量的ROM和RAM，不需要外部扩展电路，硬件电路结果简单，维护方便）设计出了基于单片机的瓦斯传感器。系统由 单片机，瓦斯气体检测电路，A/D转换、液晶显示电路，声光报警电路组成。以52单片机为核心构成一个具备数据采集，对象控制，结果显示等功能的完整系统。

1

江西理工大学应用科学学院毕业设计

2

江西理工大学应用科学学院毕业设计

1.2课题的主要研究内容与要求

这次毕业设计的主要内容与要求是：设计一个瓦斯气体安全监控装置，在气休浓度一定的范围内进行安全检测，并能在矿内瓦斯浓度达到报警上限限时进行声光报警，通知矿内工作人员及时撤离减少人员伤亡和财产损失。假设这个单片机气体安全监控系统要实现以下的功能：气体测试，超过设定的门限值后自动报警装置。以单片机为主机，气敏传感器通过一根口线与单片机相连接，再加上浓度控制部分和人机对话部分来共同实现瓦斯安全监测与控制。通过显示器显示矿内瓦斯浓度值并能通过上位机下位机实现与PC机之间的信息通信，及时准确地显示井下瓦斯和氧气超限的实际情况，使安全局主要负责人对矿主、安检员、某些矿的负责人进行监管，督促他们认真贯彻煤矿安全规程，实现自动监管功能。

3

江西理工大学应用科学学院毕业设计

第2章 系统功能介绍及方案选择

2.1 系统性能描述

一个易燃易爆气体监控系统能够及时的发现易燃易爆气体并报警，肯定能提高人民的生活水平和加快我们的现代化建设，减少不必要的人员跟财产损失，有利于整个社会稳定。基于这个思路，我们研究设计了瓦斯监测报警系统。能较为准确科学的检测并显示矿内瓦斯浓度，并且当气体的浓度超出某一设定范围后会产生报警，从而达到实时安全监控作用。

2.2 zigbee无线通讯协议介绍

Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。

在802.15.4标准中指定了两个物理频段和的直接扩频序列物理层频段:868/915MHz和

2.4GHz的直接序列扩频(DSSS)物理层频段。2.4GHz的物理层支持空气中250kb/s的速率，而868/915MHz的物理层支持空气中20kb/s和40kb/s的传输速率。由于数据包开销和处理延迟，实际的数据吞吐量会小于规定的比特率。作为支持低速率、低功耗、短距离无线通信的协议标准，802.15.4在无线电频率和数据率、数据传输模型、设备类型、网络工作方式、安全等方面都做出了说明。并且将协议模型划分为物理层和媒体接入控制层两个子层进行实现。

ZigBee协议是由ZigBee联盟制定的无线通信标准，该联盟成立于2001年8月。2002年下半年，英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司共同宣布加入ZigBee联盟，研发名为“ZigBee”的下一代无线通信标准，这一事件成为该技术发展过程中的里程碑。ZigBee联盟现有的理事公司包括BM Group，Ember公司，飞思卡尔半导体，Honeywell，三菱电机，摩托罗拉，飞利浦，三星电子，西门子，及德州仪器。ZigBee联盟的目的是为了在全球统一标准上实现简单可靠、价格低廉、功耗低、无线连接的监测和控制产品进行合作，并于2004年12月发布了第一个正式标准。 随着国内经济的高速发展，城市的规模在不断扩大，尤其是各种交通工具的增长更迅速，从而使城市交通需求与供给的矛盾日益突出，而单靠扩大道路交通基础设施来缓解矛盾的做法已难以为继。在这种情况下，智能公交系统(AdvancedPublicTransportationSystems，APTS)也就应运而生，并且成为国内研究的热点。在智能公交系统所涉及的各种技术中，无线通信技术尤为引人注目。而ZigBee作为一种新兴的短距离、低速率的无线通信技术，更是得到了越来越广泛的关注和应用。市场上也出现了大量与ZigBee相关的各种产品，

4

江西理工大学应用科学学院毕业设计

根据中国物联网校企联盟的统计分析表明：zigbee虽然广受推崇，但是在数据中，推出zigbee相关产品的中小型企业在2012年的发展并不可观。

2.3 系统方案的选择

2.3.1 系统设计方案

针对此课题要求，需要以下两个模块，检测模块和主机模块。

RF天线 传感器 信号采集电路 CC2530 复位电路 通信电路 时钟芯片

图2.1 zigbee模块方案

复位电路 Zigbee模块 串口通讯 ARM 显示电路 报警电路 通信电路

图2.2 主机方案

方案总体框图如图2.1所示。本系统是以CC2530为检测模块进行现场检测，信号处

5

江西理工大学应用科学学院毕业设计

理经由zigbee无线传输到主机中，主机以stm32为核心,具有信号的监控处理和报警显示，同时可以利用USB进行上位机开发，使用低成本单片机stm32进行书记处理和显示，可扩展性好，开发灵活，具有很高的实际开发价值。 2.3.2 传感器的选择

甲烷浓度检测仪器按其工作原理不同，有下列几种:

1.光干涉式

光干涉式是利用光波对空气和甲烷折射率不同所产生的光程差,引起干涉条纹移动来实现对不同甲烷浓度的测定。其优点是准确度高，坚固耐用，校正容易，高低浓度均可测量，还可测量二氧化碳浓度;其缺点是浓度指示不直观，受气压温度影响严重，特别是空气中氧气不足或氮、氧的比例不正常时,要产生误差;光学零件加工复杂，成本较高和实现自动检测较困难。

2.热催化式

热催化式是利用甲烷在催化元件上的氧化生热引起电阻的变化来测定甲烷浓度。其优点是元件和仪器的生产成本低,输出信号大，对于1%气样，电桥输出可达15mV以上，处理和显示都比较方便，所以仪器的结构简单，受背景气体和温度变化的影响小，容易实现自动检测。其缺点是探测元件寿命较短，不能测高浓度甲烷，硫化氢及硅蒸汽会引起元件中毒而失效。目前国内外检测甲烷的仪器广泛采用这一原理。

3.热导式

热导式是利用甲烷与空气热导率之差来实现甲烷浓度的测定。其优点是热导元件和仪器设计制作比较简单，成本低,量程大，可连续检测，有利于实现自动遥测，被测气体不发生物理化学变化，读数稳定，元件寿命长。其缺点是测量低浓度甲烷时输出信号小，受气温及背景气体的影响较大。

4.红外线式

红外线式是利用甲烷分子能吸收特定波长的红外线来测定甲烷浓度。其优点是采用这一原理的仪器精度高，选择性好,不受其它气体影响，测量范围宽，可连续检测;其缺点是由于有光电转换精密结构，使制造和保养产生困难，而且体积大，成本高，耗电多，因此推广使用受到一定限制。

5.气敏半导体式

气敏半导体的种类较多，如氧化锡、氧化锌等烧结型金属氧化物。这一原理是利用气敏半导体被加热到200℃时，其表面能够吸附甲烷而改变其电阻值来检测甲烷浓度。其优点是对微量甲烷比较敏感、结构简单、成本低。但当浓度大于1 %CH4时，其反应迟钝，选择性和线性均较差，所以很少用于煤矿井下甲烷浓度的检测，而多用于可燃气体的检漏报警。

6.声速差式

在温度为220℃、气压为101325Pa条件下，声波在甲烷中的传播速度为432m/s，而在清洁空气中为332m/s。比较这两种速度就可测定高浓度甲烷。其优点是读数不受气压影响,其缺点是不适合测量低浓度甲烷，一般只用来检测矿井抽放甲烷管道中的甲烷浓度，对背景气体、粉尘及气温变化很敏感。

7.离子化式

气体在放射性元素的辐射作用下发生电离，在气体介质中的两个电极之间便有电流产生。测量空气介质和被测甲烷中的电流大小，便可测出甲烷浓度。其优点是快速，可以连续自动检测，灵敏度高，测量准确，可测二氧化碳浓度。其缺点是测量低浓度甲烷困难，

6

江西理工大学应用科学学院毕业设计

【11】【12】【13】

空气湿度对仪器读数有影响，传感器结构复杂。

要进行—个具体的测量工作，首先要考虑采用何种传感器，而这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：1)量程的大小；2)被测位置对传感器体积的要求；3)测量方式为接触式还是非接触式；4)信号的引出方法，有线或是非接触测量；5)传感器的来源，国产还是进口，还是自行研制，价格能否承受。

热催化原理又称催化燃烧原理。利用该原理的甲烷测定器是当前国内测量低浓度甲烷的检测仪器中采用最广泛的一种，而且还在不断的提高和发展。其基本原理是根据甲烷在一定的温度条件下氧化燃烧，且在一定的浓度范围内，不同浓度的甲烷在燃烧过程中要释放出热量不同的特性。

根据煤矿瓦斯监测系统的基本要求以及对瓦斯爆炸极限浓度的了解，对选用的瓦斯传感器提出以下要求：

① 检测范围：0-4%瓦斯浓度，分辨率不能低于0.01%CH4。

② 报警功能：声光报警，1m远处的声响信号压级不能小于80db；20m远处可清晰可见；可以在测量范围内任意设置报警点，报警显示值与设定值差值不超过0.05%。

③ 响应速度：不能大于20s。

④ 传输距离：传感器使用电缆的单芯截面为1.5mm2时，传感器与控制主机的传输距离不能大于2km。

根据以上要求选择深圳鑫赛创电子科技有限公司生产的MJC4/3.0J催化燃烧式气体传感器

图2.2 MJC4/3.0L传感器

MJC4/3.0L型催化原件根据催化燃烧效应的原理工作，由检测原件和补偿原件配对组成电桥的两个臂，遇到可燃气体时检测原件的电阻升高，桥路输出电压变化，该电压变量随气体浓度增大而成正比例增大，补偿原件起参必以及温度补偿作用

具体参数如下图

7

江西理工大学应用科学学院毕业设计

图2.3 MJC4/3.0L传感器参数

瓦斯传感器 MCJ4/3.0J根据催化燃烧效应的原理工作，由检测元件和补偿元件配对组成电桥的两个臂，遇可燃性气体时检测元件电阻升高，桥路输出电压变化，该电压变量随气体浓度增大而成正比例增大。电桥测量电路见图3-2所示：

RC M R1 E A Rd B R2

图3-3 电桥测量电路

上图中Rd为敏感元件，Rc为补偿元件。在空气中，Rd的电阻与Rc相似，调整电桥平衡，

dd

此时信号输出端电压UAB=0;当空气中有瓦斯时，在敏感元件R表面发生催化燃烧，R的电阻随着温度的上升而增加为Rd＋?Rd，而补偿元件Rc电阻不变，这样就导致电桥失去平衡。

当采用恒定电压供电时，电桥输出的不平衡电压为：

（1）

假设：

（2）

8

江西理工大学应用科学学院毕业设计

此时， （3）

从式子（3）可以看出，电桥输出电压与瓦斯浓度成正比，因此，在一定的范围内电桥输出电压与瓦斯浓度呈线性关系。

100 80 60 40 20 0 0 1 2 3 气体浓度(vol%)

输出电压（mv） 图3-4 传感器输入输出特性曲线

因为传感器输出的电压信号比较小，需要放大电路将小电压信号放大，以满足数据采集卡采集的要求。这里我选择了武汉力源信息技术服务有限公司出售的INA128信号放大器，这种信号放大器功耗低、精度高，通用型单通道仪表放大器。

其主要特点：

① 低偏置电压：最大50μV

② 低温度漂移：最大0.5μV／℃ ③ 低输入偏置电流：最大5nA ④ 高共模抵制（CMR）：最小120dB ⑤ 输入保护至±40V

⑥ 宽电源电压范围：±2.25至±18V ⑦ 低静态电流：700μA

⑧ 8引脚塑料DIP和SO-8封装

图3-5 INA128信号放大器 放大电路如图3-6所示：

9

江西理工大学应用科学学院毕业设计

图3-6放大电路图

50K， 50K是两个内部反馈电阻AI和A2的和。本系统中，G=25，RG则RG=2083?，在有噪声或高阻抗供电电源的应用中，需要在器件的引脚出接去耦电容器。

增益设置：G?1?

2.3.3 CC2530介绍

CC2530 是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。CC2530 结合了领先的RF 收发器的优良性能，业界标准的增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM 和许多其他强大的功能。CC2530 有四种不同的闪存版本：CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256KB 的闪存。CC2530 具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。

CC2530F256 结合了德州仪器的业界领先的黄金单元ZigBee 协议栈（Z-Stack?），提供了一个强大和完整的ZigBee 解决方案。

CC2530F64 结合了德州仪器的黄金单元RemoTI，更好地提供了一个强大和完整的ZigBee RF4CE 远程控制解决方案。

CC2530实施了IEEE 802.15.4 标准，因此它是一款通用性极强的芯片高级计量与Zigbee智能能源、家庭与适用于包括消费类电子与RF4CE远程控制、楼宇自动化、照明、工业控制与监控、保健与医疗等在内的许多市场。

Zigbee业界最为振奋人心的事情将发生在自动化读表领域，Zigbee联盟将其称为智能能源，其中Zigbee技术将被用于电表及煤气表、恒温记和智能家电之间的无线通信，以管理能源和节省费用。

10

江西理工大学应用科学学院毕业设计

2.3.4 Cortex-M3介绍

STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核。按性能分成两个不同的系列：STM32F103“增强型”系列和STM32F101“基本型”系列。增强型系列时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品；基本型时钟频率为36MHz，以16位产品的价格得到比16位产品大幅提升的性能，是16位产品用户的最佳选择。两个系列都内置32K到128K的闪存，不同的是SRAM的最大容量和外设接口的组合。时钟频率72MHz时，从闪存执行代码，STM32功耗36mA，是32位市场上功耗最低的产品，相当于0.5mA/MHz。

内核：ARM32位Cortex-M3 CPU，最高工作频率72MHz，1.25DMIPS/MHz。单周期乘法和硬件除法。

存储器：片上集成32-512KB的Flash存储器。6-64KB的SRAM存储器。

时钟、复位和电源管理：2.0-3.6V的电源供电和I/O接口的驱动电压。POR、PDR和可编程的电压探测器（PVD）。4-16MHz的晶振。内嵌出厂前调校的8MHz RC振荡电路。内部40 kHz的RC振荡电路。用于CPU时钟的PLL。带校准用于RTC的32kHz的晶振。

低功耗：3种低功耗模式：休眠，停止，待机模式。为RTC和备份寄存器供电的VBAT。 调试模式：串行调试（SWD）和JTAG接口。

DMA：12通道DMA控制器。支持的外设：定时器，ADC，DAC，SPI，IIC和UART。 2个12位的us级的A/D转换器（16通道）：A/D测量范围：0-3.6 V。双采样和保持能力。片上集成一个温度传感器。

2通道12位D/A转换器：STM32F103xC,STM32F103xD,STM32F103xE独有。

最多高达112个的快速I/O端口：根据型号的不同，有26，37，51，80，和112的I/O端口，所有的端口都可以映射到16个外部中断向量。除了模拟输入，所有的都可以接受5V以内的输入。

最多多达11个定时器：4个16位定时器，每个定时器有4个IC/OC/PWM或者脉冲计数器。2个16位的6通道高级控制定时器：最多6个通道可用于PWM输出。2个看门狗定时器（独立看门狗和窗口看门狗）。Systick定时器：24位倒计数器。2个16位基本定时器用于驱动DAC。

最多多达13个通信接口：2个IIC接口（SMBus/PMBus）。5个USART接口（ISO7816接口，LIN，IrDA兼容，调试控制）。3个SPI接口（18 Mbit/s），两个和IIS复用。CAN接口（2.0B）。USB 2.0全速接口。SDIO接口。

11

江西理工大学应用科学学院毕业设计

ECOPACK封装：STM32F103xx系列微控制器采用ECOPACK封装形式。

1、集成嵌入式Flash和SRAM存储器的ARM Cortex-M3内核。和8/16位设备相比，ARM Cortex-M3 32位RISC处理器提供了更高的代码效率。STM32F103xx微控制器带有一个嵌入式的ARM核，所以可以兼容所有的ARM工具和软件。

2、嵌入式Flash存储器和RAM存储器：内置多达512KB的嵌入式Flash，可用于存储程序和数据。多达64KB的嵌入式SRAM可以以CPU的时钟速度进行读写（不待等待状态）。

3、可变静态存储器（FSMC）：FSMC嵌入在STM32F103xC,STM32F103xD,STM32F103xE中，带有4个片选，支持四种模式：Flash,RAM,PSRAM,NOR和NAND。3个FSMC中断线经过OR后连接到NVIC。没有读/写FIFO，除PCCARD之外，代码都是从外部存储器执行，不支持Boot，目标频率等于SYSCLK/2，所以当系统时钟是72MHz时，外部访问按照36MHz进行。

4、嵌套矢量中断控制器（NVIC）：可以处理43个可屏蔽中断通道（不包括Cortex-M3的16根中断线），提供16个中断优先级。紧密耦合的NVIC实现了更低的中断处理延迟，直接向内核传递中断入口向量表地址，紧密耦合的NVIC内核接口，允许中断提前处理，对后到的更高优先级的中断进行处理，支持尾链，自动保存处理器状态，中断入口在中断退出时自动恢复，不需要指令干预。

5、外部中断/事件控制器（EXTI）：外部中断/事件控制器由用于19条产生中断/事件请求的边沿探测器线组成。每条线可以被单独配置用于选择触发事件（上升沿，下降沿，或者两者都可以），也可以被单独屏蔽。有一个挂起寄存器来维护中断请求的状态。当外部线上出现长度超过内部APB2时钟周期的脉冲时，EXTI能够探测到。多达112个GPIO连接到16个外部中断线。

6、时钟和启动：在启动的时候还是要进行系统时钟选择，但复位的时候内部8MHz的晶振被选用作CPU时钟。可以选择一个外部的4-16MHz的时钟，并且会被监视来判定是否成功。在这期间，控制器被禁止并且软件中断管理也随后被禁止。同时，如果有需要（例如碰到一个间接使用的晶振失败），PLL时钟的中断管理完全可用。多个预比较器可以用于配置AHB频率，包括高速APB(PB2)和低速APB（APB1），高速APB最高的频率为72MHz，低速APB最高的频率为36MHz。

7、Boot模式：在启动的时候，Boot引脚被用来在3种Boot选项种选择一种：从用户Flash导入，从系统存储器导入，从SRAM导入。Boot导入程序位于系统存储器，用于通过USART1重新对Flash存储器编程。

8、电源供电方案：VDD ，电压范围为2.0V-3.6V，外部电源通过VDD引脚提供，用于I/O和内部调压器。VSSA和VDDA，电压范围为2.0-3.6V，外部模拟电压输入，用于ADC，复位模块，RC和PLL，在VDD范围之内（ADC被限制在2.4V），VSSA和VDDA必须相应连接到VSS和VDD。VBAT，电压范围为1.8-3.6V，当VDD无效时为RTC，外部32KHz晶振和备份寄存器供电（通过电源切换实现）。

9、电源管理：设备有一个完整的上电复位（POR）和掉电复位（PDR）电路。这条电路一直有效，用于确保从2V启动或者掉到2V的时候进行一些必要的操作。当VDD低于一个特定的下限VPOR/PDR时，不需要外部复位电路，设备也可以保持在复位模式。设备特

12

江西理工大学应用科学学院毕业设计

有一个嵌入的可编程电压探测器（PVD），PVD用于检测VDD，并且和VPVD限值比较，当VDD低于VPVD或者VDD大于VPVD时会产生一个中断。中断服务程序可以产生一个警告信息或者将MCU置为一个安全状态。PVD由软件使能。

10、电压调节：调压器有3种运行模式：主（MR），低功耗（LPR）和掉电。MR用在传统意义上的调节模式（运行模式），LPR用在停止模式，掉电用在待机模式：调压器输出为高阻，核心电路掉电，包括零消耗（寄存器和SRAM的内容不会丢失）。

11、低功耗模式：STM32F103xx支持3种低功耗模式，从而在低功耗，短启动时间和可用唤醒源之间达到一个最好的平衡点。休眠模式：只有CPU停止工作，所有外设继续运行，在中断/事件发生时唤醒CPU；停止模式：允许以最小的功耗来保持SRAM和寄存器的内容。1.8V区域的时钟都停止，PLL，HSI和HSE RC振荡器被禁能，调压器也被置为正常或者低功耗模式。设备可以通过外部中断线从停止模式唤醒。外部中断源可以使16个外部中断线之一，PVD输出或者TRC警告。待机模式：追求最少的功耗，内部调压器被关闭，这样1.8V区域断电。PLL,HSI和HSE RC振荡器也被关闭。在进入待机模式之后，除了备份寄存器和待机电路，SRAM和寄存器的内容也会丢失。当外部复位（NRST引脚），IWDG复位，WKUP引脚出现上升沿或者TRC警告发生时，设备退出待机模式。进入停止模式或者待机模式时，TRC,IWDG和相关的时钟源不会停止

2.4 本章小结

因为传感器输出电压较小，需要进行放大采集，措意我们采用INA128信号放大器进行电压信号放大后采集。

选择一个比较简易实用经济的方案，对整个项目的进行有着极其重要的意义。同时重要元器件的选择也是前期准备工作要必须做好的。电压范围为o-5v所以再设计电压信，并且无需外加AD转换器，可以直接利用CC2530进行AD检测与传输，方便使用。 在CC2530片内存储器中，80H-FFH共128个字节为特殊功能寄存器（SFE）。并非所有的地址都被定义,从80H-FFH共128个字节只有一部分被定义,还有相当一部分没有定义,对没有定义的单元读写将是无效的,读出的数值将不确定，而写入的数据也将丢失。

13

江西理工大学应用科学学院毕业设计

第3章 硬件系统设计

3.1 硬件系统功能设计

仪器由甲烷气体敏感元件、A/D转换电路、显示电路及报警开关控制电路等组成。 仪器将电源设备送来的稳定5v电压源，供整机电路使用。甲烷气体敏感元件是采用热催化原理探头，加热器电压（VH）和测试电压（VC）。其中VH用于为传感器提供特定的工作温度。VC是用于测定与传感器串联的负载电阻（RL）上的电压（VRL）。这种传感器具有轻微的极性，VC 需用直流电源。在满足传感器电性能要求的前提下，VC 和VH 可共用同一个电源电路，测量电桥输出与甲烷浓度成比例的信号电压。

系统以ARM为控制中心，集成了数据采集、分析、报警的功能。系统主要由以下两个部分构成：

1)、甲烷气体检测传感器及数据收发模块。 2)、ARM控制终端。 3）、CDMA入网模块。

声光报警电路由蜂鸣器，发光二极管和驱动电路构成。当甲烷浓度超过设定的报警点时，仪器会发出声光报警信号。

ARM主控制器 LCD显示 数据输入 串口通讯 键盘控制 无线接收

图3.1硬件系统连接图

14

江西理工大学应用科学学院毕业设计

3.2 各模块仿真原理图及工作原理

3.2.1 信号采集电路

图3.2 信号采集电路图

信号的采集是整个实验至关重要的一步，信号采集处理的准确与否直接关系到整个实

验的成功与否，耗儿导致信号不准确，所以在实际排版的时候尽量减少分压采集电路与CC2530的距离，传感器经采集电压信号号，经放大器放大，AD转换，无线传输。

15

江西理工大学应用科学学院毕业设计

3.2.2 单片机最小系统电路

图3.4单片机最小系统电路

Stm32控制芯片进行所有zigbee子模块信号的接收，汇总，数据处理，图形界面显示，报警灯，所以采用32位处理器更为合适。 3.2.3 液晶显示电路

3.2.4 串口通信以及电源电路

16

江西理工大学应用科学学院毕业设计

3.3 本章小结

仪器由甲烷气体敏感元件、A/D转换电路、显示电路及报警开关控制电路等组成。 在满足传感器电性能要求的前提下，VC 和VH 可以共用同一个电源电路，测量电桥输

出与甲烷浓度成比例的信号电压。

电压信号经过A/D转换后，变成数字信号，经CC2530处理后，通过zibnee无线通讯协议发送到主机的zigbee接受，并经USB通信串口实现与上位机的信息通信。

由单片机两个I/0口控制声报警方式和光报警方式，实际应用时，可以通过软件设置选择其中一种报警方式，也可以两种都选择

。

17

江西理工大学应用科学学院毕业设计

第4章 软件设计

4.1 软件设计流程图

如下图，系统启动前，从机先进行各模块的初始化，启动信息采集、处理与无线传输，等待主机接收。

系统启动后主机进行各部分初始化，等待数据到来，接收到数据后，进行处理显示到图形界面，并控制继电器电路。

18

江西理工大学应用科学学院毕业设计

4.2 各部分软件设计

软件设计思路如下：

现以建立在协调器节点上及路由节点上的协议栈为例来介绍平台上实现 ZigBee协议的一些主要的源程序文件。

IEEE802.15.4MAC层程序（zMAC.c）是处理ZigBee网络的MAC层协议。 { ??

void MACEnable(void) {

PHYEnable();

while( !PHYInit() ); MACUpdateAddressInfo();

PHYSetChannel(PHYGetChannel()); macState.bits.bIsEnabled = TRUE; } ?? }

2 CC2420的特定的PHY程序

CC2420的源程序文件（zPHYCC2420.c）是针对CC2420收发器的PHY数据

19

江西理工大学应用科学学院毕业设计

收发的处理。 { ??

void PHYSetTRXState(PHY_TRX_STATE state) {

PHYBegin();

if ( state == PHY_TRX_RX_ON ) {

PHYPut(STROBE_SRXON); }

else if ( state == PHY_TRX_OFF || state == PHY_TRX_FORCE_OFF ) {

PHYPut(STROBE_SRFOFF); }

else if ( state == PHY_TRX_TX_ON ) {

PHYPut(STROBE_STXON); }

PHYEnd(); } ?? }

4.2.1 信号采集软件设计 系统初始化代码 Void Init（void） {

Stm32_Clock_Init(15); delay_init(120); uart_init(120,9600); KEY_Init(); LED_Init(); LCD_Init(0); While(1)

{

MAIN_task(); ?? }

}

void MAIN_task(void *pdata) {

u8 res,t; RETURN:

ICO_Cheak();

LCD_Clear(WHITE);

20

江西理工大学应用科学学院毕业设计

LCD_DisplayOff();

Windows(0,0,320,480,\ for(res=0;res<16;res++) {

ShowMainUi(res,WHITE,(u8*)names[res]); }

LCD_ShowString(100,0,80,16,16,1,\ LCD_ShowString(254,0,254,16,16,1,\ LCD_DisplayOn(); while(1) {

RTC_TimeShow(); LED1=!LED1; t=0;

t=TOUCH_Scan(); if(t!=0) {

GUI_HuaKuangKuang(t,BLUE); delay_ms(300); RecdiveData(); switch(t) {

case 1: GetClum();MAIN_task(pdata);goto RETURN;

case 2: dipslay_remain();MAIN_task(pdata);goto RETURN;

case 3:

AI_LoadPicFile(\ case 4: UI_ShowHelp(20,20);

MAIN_task(pdata);

goto RETURN;

case 5: Temp_Show();break;

case 6: break; } }

delay_ms(50); } }

4.2.1 串口通讯软件设计 u8 usmart_sys_cmd_exe(u8 *str) {

21

江西理工大学应用科学学院毕业设计

u8 i;

u8 sfname[MAX_FNAME_LEN]; u8 pnum; u8 rval; u32 res;

res=usmart_get_cmdname(str,sfname,&i,MAX_FNAME_LEN); if(res)return USMART_FUNCERR;

str+=i; for(i=0;i<8;i++) {

if(usmart_strcmp(sfname,sys_cmd_tab[i])==0)break; }

switch(i)

{ case 0: case 1:

printf(\#if USMART_USE_HELP #else

#endif

break; case 2:

printf(\

for(i=0;i

for(i=0;i

usmart_get_fname((u8*)usmart_dev.funs[i].name,sfname,&pnum,&rval); printf(\//

}

printf(\ break;

case 4://hex??á? printf(\

usmart_get_aparm(str,sfname,&i); if(i==0)//2?êy?y3￡ {

22

江西理工大学应用科学学院毕业设计

i=usmart_str2num(sfname,&res); if(i==0) {

printf(\ }else if(i!=4)return USMART_PARMERR; else {

printf(\\\r\\n\ usmart_dev.sptype=SP_TYPE_HEX; }

}else return USMART_PARMERR; printf(\ break; case 5:

printf(\

usmart_get_aparm(str,sfname,&i); if(i==0) {

i=usmart_str2num(sfname,&res); if(i==0) {

printf(\ }else if(i!=4)return USMART_PARMERR; else {

printf(\\\r\\n\ usmart_dev.sptype=SP_TYPE_DEC; }

}else return USMART_PARMERR; printf(\ break; case 6:

printf(\

usmart_get_aparm(str,sfname,&i); if(i==0) {

i=usmart_str2num(sfname,&res); if(i==0) {

if(usmart_dev.sptype==SP_TYPE_HEX)printf(\);

23

江西理工大学应用科学学院毕业设计

}

else printf(\ }else return USMART_PARMERR; }else return USMART_PARMERR; printf(\ break; default:

return USMART_FUNCERR; }

return 0;

采用流行的嵌入式实时操作系统uC/OS-II。uC/OS-II是一种基于优先级的可抢先的硬实时内核。自从92年发布以来，在世界各地都获得了广泛的应用，它是一种专门为嵌入式设备设计的内核，目前已经被移植到40多种不同结构的CPU上，运行在从8位到64位的各种系统之上。尤其值得一提的是，该系统自从2.51版本之后，就通过了美国FAA认证，可以运行在诸如航天器等对安全要求极为苛刻的系统之上。鉴于uC/OS-II可以免费获得代码，对于嵌入式RTOS而言，选择uC/OS无疑是最经济的选择。 软件设计中采用操作系统会使工作进行的非常安全稳定。uC/OS-II有具有很大的优势，占用内存也很小，所以选择它作为操作系统。uC/OS-II 采用的是可剥夺型实时多任务内核。可剥夺型的实时内核在任何时候都运行就绪了的最高优先级的任务。uC/os-II的任务调度是完全基于任务优先级的抢占式调度，也就是最高优先级的任务一旦处于就绪状态，则立即抢占正在运行的低优先级任务的处理器资源。为了简化系统设计，uC/OS-II规定所有任务的优先级不同，因为任务的优先级也同时唯一标志了该任务本身。对于作品中所有的功能可以分成几个模块，形成单个任务。每个任务规定不同的优先级，当受到请求信号之后执行相应的任务，不仅实时性好，而且工作非常的稳定。

为了方便用户操作及合理利用资源减少消耗，根据微处理器提供的各种模式，可以在特定的时间和场合将微处理器设定为不同的状态。

根据作平的功能需求及其他方面的安全性考虑，操作系统任务调度中可以划分为以下几个任务：

1.开关机及复位 2.数据采集分析处理

3.甲烷气体浓度超标报警控制 4.键盘检测及LCD显示

各任务具有不同的优先级，这里需要说明任务3的优先级是最高的，任务2其次。其他任务的优先级低。

4.3 本章小结

本章详细地介绍了ZigBee网络系统软件开发平台Cortex-M3，简单介绍了Cortex-M3内核结构及其内核机制和通信机制的研究，详述了相关的程序设计。

24

江西理工大学应用科学学院毕业设计

25

江西理工大学应用科学学院毕业设计

总结

我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，也是世界上少数几个以煤为核心能源的国家之一。据不完全统计，2003年中国煤炭产量占世界产量的35%，可事故伤亡人数却占到80%。 2004年中国有6009名煤矿工人死于各种矿难。在这些事故中，瓦斯爆炸又占据绝大多数，瓦斯灾害己成为煤矿安全生产头号敌人。

本次设计是以stm32单片CPU为核心，采用高精度敏感元件，CC2530自带AD转换器，并采用RS232串口通信协议实现与上位机的通信交流，是一种电路设计新颖，参数测量准确，操作方便的甲烷浓度报警监控仪。

该设计还具有显示报警参数和动态显示节能功能，并能方便地观测瓦斯含量。它是一种新型的煤矿安全监控报警设备。以下对它的组成结构和工作原理进行介绍、并对其电路进行分析。可以使报警更准确、更及时，从而促使煤炭企业加大安全投入，有效遏止矿难事故发生，有效地保护煤炭资源，又降低了整个行业的风险程度，加大了煤炭企业安全生产的压力，也可以保证良好的经济效益，保护了从业人员的安全与利益，也大大减轻了以往煤矿事故发生后各级政府进行的大量事后工作，使政府从烦乱的事故处理中解脱出来，提高工作效率。从更大的方面说，可以在保证安全生产的前提下，提高安全投入水平的同时，使安全投入所带来的效益超过安全投入所发生的成本，树立一种科学的安全发展观。

本文所做的工作有：

(1) 完成了瓦斯浓度检测报警设备的整体构思和设计。

(2) 各部分元器件的选择。使用单片机AT89C52作为控制芯片，利用甲烷气体传感器、信号调理电路、A/D转换器、无线收发模块、显示电路、报警电路构成系统，在各部分的元器件的选择中本着高性能、低成本的原则，按照设计要求做出选择。

(3) 各个子系统的电路设计。该设计的子系统包括：数据处理单元、报警单元、显示单元等。各子系统采用AT89C52单片机来作为控制部件，协调各部分完成规定的任务，按照各部分的要求设计好电路图，最后将各部分连在一起形成一个整体。

(4) 对整个系统进行论证。一个系统的设计，论证过程的必不可少的部分。首先对各系统的电路图连接方式和元器件的选择进行论证，看能否实现其相对应的功能，有不妥当的地方加以修改，以完善该设计。其次是软件部分的程序流程图的论证，看是否正确，是否可行，不正确要予以更正。

通过这次毕业设计，学会了如何运用已学的知识来完完整整地设计一个系统，使我对单片机的原理及应用有了更深的理解。到此我的毕业设计也快要接近尾声了，虽然本次设计相当于只是完成了煤矿瓦斯监测监控系统硬件部分的设计，但是对我个人来说也是一次相当大的挑战，设计完之后感觉自己的思维方式更加完善，考虑问题的方法也在不知不觉中有了很大的提高。

26

江西理工大学应用科学学院毕业设计

致谢

在作此次毕业设计的过程中，在老师指导下明确了自己的研究方向研究方法，使得最终的设计能够顺利的完成。在几个月的学习中，不但强化了专业知识，而且懂得了如何运用到实际生活中。感谢王老师对我们的细心老师，成功的完成了此次毕业设计。

论文工作接近尾声，在学校学习生涯行将结束。回忆起四年多生活的点滴，令我深深体会到生活的美好；在实验室的学习和研究，充实了我的每一天；在这里，我要向那些曾经帮助过我的老师和同学们表示最衷心的感谢!

27

江西理工大学应用科学学院毕业设计

参考文献

[1] 马丕梁,蔡成功. 我国煤矿瓦斯综合治理现状与发展战略【J】.煤炭科学技术, 2007年12期 [2] 李润求,施式亮,念其锋,蒋敏. 近10年我国煤矿瓦斯灾害事故规律研究【J】. 《中国安全科学学报》 2011年09期

[3] 刘莉娜 刘任庆. 瓦斯检测设备现状与对比研究 【J】现代电子技术2011年第15期 [4] 杨丽娜,张丽蓉. 矿井瓦斯的数据采集与传输系统设计【J】. 煤矿机械,2009 [5] 刘西青.论国内煤矿瓦斯监控系统现状与发展【M】. 山西.煤炭出版社 2006年 [6] 杨居义. 单片机原理与工程应用【M】. 清华大学出版社,2010年1月1日 [7] 刘文涛 . 单片机应用开发实例【M】. 清华大学出版社,2005年9月

[8] 肖硕,荆刚,李莉娜,陈岱 . 单片机数据通信典型应用大全【M】. 中国铁道出版社 ,2011年7月 [9] 程国钢. 51单片机应用开发案例手册【M】. 电子工业出版社,2011年11月 [10]雷伏容,张小林,崔浩. 单片机常用模块查询手册【M】.清华大学出版社,2010年 [11] 沈聿农. 传感器及应用技术【M】. 化学工业出版社,2005年8月1日 [12] 王煜东. 传感器应用电路400例【M】. 中国电力出版社,2008年8月1日

[13]刘海波，沈晶. 催化燃烧式瓦斯传感器技术研究进展 【J】. 智能计算机与与应用 2011年第5期

[14]郭文川. 井下车载瓦斯检测报警设计【J】. 煤炭技术 ,2010年第7期

28

江西理工大学应用科学学院毕业设计

附录

附录一 PCB原理图

附录一 PCB原理图

29

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/16u3.html