1 系统设计背景

煤矿井下作业属于高危作业场景，井下充斥瓦斯、一氧化碳有毒有害气体，同时存在粉尘浓度过高、氧气不足、风压风速异常等隐患。如果不能实时监测环境指标，极易发生瓦斯爆炸、人员中毒窒息、粉尘爆炸等重大安全事故。

传统矿井监测设备成本高，部分设备功能单一。采用 STM32 单片机搭建监测系统，可以多参数同步采集，具备本地显示、上位机数据输出、报警、自动执行机构联动功能，成本低，适合教学仿真与项目实践。

2 系统总体方案

本系统主控采用STM32F103C8T6单片机，分为：传感器采集模块、OLED 显示模块、DHT11 温湿度模块、声光报警模块、风机通风执行模块、电磁阀喷淋模块、串口通信模块。

• 采集参数：瓦斯浓度、一氧化碳 CO、氧气 O₂、粉尘浓度、风压、风速、温度、湿度
• 数据输出：OLED 屏幕实时刷新所有环境参数；虚拟串口终端同步打印全部数据，方便上位机查看记录
• 报警执行逻辑：当检测到瓦斯、一氧化碳、粉尘等参数超过安全阈值，开启蜂鸣器 + LED 声光报警；同时启动风机进行通风换气，启动电磁阀喷淋实现降尘处理，改善井下环境。

Proteus 仿真电路整体框图

主控 STM32F103C8T6 作为核心，多路模拟传感器信号通过电位器模拟传感器输出，接入 ADC 采集引脚；DHT11 数字引脚读取温湿度；I2C 驱动 OLED 屏幕；IO 口驱动三极管，控制蜂鸣器、报警 LED、风机继电器、喷淋电磁阀继电器；串口引脚连接虚拟终端实现数据上报。

3 硬件电路说明

3.1 主控单元 STM32F103C8T6

STM32F103C8T6 是整个系统控制核心，内部 ADC 外设完成多路模拟量采集，I2C 外设驱动 OLED，GPIO 口输出电平控制报警与继电器执行机构，USART 串口输出环境数据至虚拟终端。

3.2 环境传感器模拟电路

仿真环境中，瓦斯、一氧化碳、氧气、粉尘、风压、风速传感器使用电位器分压模拟传感器输出模拟电压，接入 STM32 的 ADC 通道，单片机读取电压换算为对应环境参数数值。

3.3 DHT11 温湿度模块

DHT11 数字温湿度传感器，单总线通信，采集井下温度、湿度数据，供 OLED 与串口输出。

3.4 OLED 显示模块

采用 I2C 接口 OLED，实时显示：瓦斯 WS、一氧化碳 CO、氧气 O2、粉尘 FC、风压 FY、风速 FS、温度 TE、湿度 HU 八大参数，界面直观，方便现场查看。

3.5 声光报警电路

三极管驱动蜂鸣器 BUZ1，搭配红色报警 LED。当环境参数超出设定安全阈值，IO 输出高电平，蜂鸣器鸣叫，LED 点亮，完成声光告警。

3.6 风机与电磁阀喷淋执行电路

使用 NPN 三极管驱动继电器：

1. 风机模块：危险状态启动风机，实现井下通风，稀释瓦斯、一氧化碳有害气体。
2. 电磁阀喷淋模块：危险状态开启喷淋，降低井下粉尘浓度，抑制粉尘爆炸风险。

3.7 串口通信模块

STM32 串口连接 Proteus 虚拟终端，循环打印全部 8 项环境参数，实现数据上传，方便后期对接上位机软件做数据记录。

4 系统工作逻辑

1. 系统上电初始化：ADC、I2C‑OLED、DHT11、串口、GPIO 外设初始化；
2. 循环采集：多路 ADC 读取瓦斯、CO、O₂、粉尘、风压、风速；读取 DHT11 温湿度；
3. 数据输出：所有参数刷新到 OLED 屏幕，同时串口打印输出；
4. 参数阈值判断：
   • 如果瓦斯、一氧化碳、粉尘超过安全阈值：开启声光报警；闭合风机继电器开启通风；闭合电磁阀继电器开启喷淋降尘；
   • 环境参数恢复安全区间：关闭报警，关闭风机、喷淋电磁阀；
5. 循环往复，持续监测矿井环境。

仿真运行效果：OLED 屏幕实时刷新全部环境数据，虚拟终端持续滚动输出一长串环境参数，和截图效果一致。

5 仿真效果展示

Proteus 仿真运行后，OLED 屏幕显示： WS:1 CO:23 O2:20 FC:3 FY:102 FS:3 TE:26 HU:79

虚拟终端串口持续打印： 瓦斯:1 CO:23 O2:20 粉尘:3 风压:102 风速:3 温度:26 湿度:79

修改电位器，模拟传感器数值变化，OLED、串口数据同步更新；参数超标后自动触发蜂鸣器报警，风机、喷淋电磁阀动作。

6 系统不足与拓展方向

1. 当前 Proteus 仿真使用电位器模拟传感器，实际项目替换为 MQ‑2 瓦斯传感器、MQ‑7 一氧化碳传感器、粉尘传感器、风压风速变送器等真实器件。
2. 可以增加 ESP8266/Wi‑Fi 模块，把矿井环境数据上传云平台，实现远程网页、手机 APP 查看。
3. 增加报警阈值可配置功能，通过按键修改各类气体安全阈值。
4. 增加 SD 卡模块，保存历史环境数据，实现环境数据本地存储。
5. 可以加入北斗定位模块，实现井下设备位置信息同步上传。

7 总结

本项目基于 STM32F103C8T6 完成矿井多参数环境监测系统，在 Proteus 仿真平台完成全部硬件电路搭建与功能验证，实现多环境参数采集、OLED 本地显示、串口数据上报、声光报警、风机通风、电磁阀喷淋联动控制。可以作为单片机课程设计、毕设项目参考，对煤矿安全监测类嵌入式系统开发有很好的学习参考价值。

关键词：STM32；矿井监测；ADC 采集；Proteus 仿真；DHT11；OLED

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