基于FPGA的矿井安全监测系统

论文总字数：17165字

目 录

一 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外现状 1

1.3论文主要研究工作 2

二 设计框图 3

三 硬件部分 4

3.1传感器 4

3.2 AD转换器 5

3.3退耦电路 7

3.4IDO稳压器电路 8

3.5FPGA主芯片 9

3.6主控芯片配置芯片 10

四 FPGA程序设计 11

4.1设计流程 11

4.2AD转换模块程序 11

4.3比较程序 13

4.4串口数据传输 15

五 调试 18

5.1程序调试 18

5.2实物调试 20

六 总结与展望 24

七 参考文献 25

基于FPGA的矿井安全监测

左博书

China

Abstract: In recent years, frequent mine accidents have occurred in China and mine detection has received extensive attention. This design developed a mine safety monitoring system based on FPGA and used a methane sensor to monitor the methane concentration in the mine in real time. Once the methane concentration exceeds the threshold, an early warning is issued. Considering the special environment under the mine, To ensure that the circuit has no circuit breakage, on this system, the monitoring of the circuit was added. The voltage and current of the system suddenly changed, indicating that the components of the system had failed and the system immediately issued an alarm.

Keywords: accident,frequent,FPGA,mine safety

一 绪论

1.1研究背景及意义

众所周知，矿物及其副产品是人类赖以生存的重要物质基础，据相关资料显示，矿产制品构成了全球工业成品的基础原料的70%，矿产资源也是能源发展的重要基础。我国是个煤矿大国，这片土地上蕴藏着巨大的矿产资源。据不完全统计，我国煤炭探明总储量大约在九千亿吨左右，未探明部分更多，已经发现的矿产储量居世界第三。煤矿产业所带给我国的经济占比很重，在我国工业产品原料中约占80%，在能源部分约占95%，有数千万人从事矿业生产及相关副产品生产行业，每年开采利用的矿石近百亿吨。煤矿产业及其带动的副产业在国家经济中有着非常重要的地位。

近年来，发现了大量新的矿井资源，煤矿产量得到了一个飞跃。时至今日，我国的原煤产量已近三十亿吨，是世界上产量最多的国家，但由于人口众多，人均量却很少。在我国的能源消费结构中，煤矿所占比例依然重大，这种能源消费方式在未来三十年不会做出很大的改变，所以煤矿是我国重要的支柱产业。

在这样的经济爆发式的增长下，新技术增强了发现矿产的能力，提高了采矿技术。但在这种大环境下，矿井的基础安全建设不免会产生一些隐患。煤矿行业本就是个高度危险的行业，而缺乏基础安全建设使问题变得更加突出。在这些事故中，矿井瓦斯事故（即甲烷爆炸）以其破坏力、突发性成为扼杀矿工生命的罪魁祸首。在我国最近几年发生的比较严重的煤矿事故中，事故原因是由于瓦斯引起的占了很大部分，矿井安全问题值得引起社会各界的关注。安全是企业生存发展的前提和动力，同时，保护工人的安全也保障生产的效率，也是矿工们能安心工作的必要条件。安全问题也与每个人的家庭、企业以及社会的安定都有着密不可分的联系。

过去四年中，煤矿死亡事故共发生531起（国家安监局公布数据），不幸遇难人数多达三千四百多人。我国近些年煤矿事故有两个重要的特点：1、重大事故发生的概率有所提高；2、瓦斯爆炸事故以及顶板事故已经成为了主要事故。这些事故对于矿工的积极性是一个重大的打击，其中瓦斯事故对矿工的人身安全造成的损失更加重大。2014年底到2015年连续发生了三起死亡人数超过百人的特大瓦斯爆炸事故，引起了社会各界的广泛关注。总体来说，我们需要给予矿井安全更大的关注。本论文的研究将重点放在了如何检测甲烷的含量上，争取在事故发生前做出预警，保护矿工的安全。

1.2国内外现状

目前，市场上多数的煤矿甲烷监测系统都是以干式、湿式气敏原件、热电阻传感器半导体气敏元件等作为甲烷核心监测敏感元件，不可避免的存在着响应时间长、测量方位有限、调零困难以及存在零点漂移等问题。多数都是由传感器、监测部分以及信号处理部分组成整个甲烷检测系统，但由于整个系统的布局走线复杂，给安装检修以及维护造成了很大的困难。采用固定方式通信，可能适用于矿井的某一段巷道环境，但整个矿井的通信效果差，有着可靠性差、造价高、方式单一等不可避免的缺点。而采用无线通信方式的话，由于矿井下隧道的无线传播效果差，电磁波在巷道中传输存在路径损耗、阴影衰落和多径等现象。这些对于电磁波的影响很严重，并且巷道的截面形状、粗糙度、倾斜度也影响无线电波的传输，所以无线电波很难形成一个统一的传播模型^[1]。

如今，国内外都针对甲烷监控系统进行了深入的研究。一般来说都是采用固定的井下监控系统。针对传统的通信方式，利用无线局域网、无线蓝牙、无线多跳MESH网等无线网络传输方式成为研究的热点。有的采用无线网络传感技术将指纹识别模块和瓦斯监测模块的信息传输到地面，有的采用无线多跳MESH网络和低功耗远距离Super-Zigbee数据传输技术来简化原有Zigbee技术的复杂性，还有的采用了红外遥感技术对数据采集模块获得的信息进行传输。但现有的无线通信模块的通信效果都比较差。

1.3论文主要研究工作

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