一种煤矿超声波自动监测排水系统技术领域
本实用新型属于煤矿安全监测技术领域，具体涉及一种煤矿超声波自动
监测排水系统。
背景技术
煤炭消耗在我国的整个能源消耗中占有很大的比例，随着经济发展，国
家对煤炭能源的需求也越来越大,然而煤矿事故常有发生，政府和人民都为此
付出了巨大的代价，因此煤矿的安全生产越来越受重视。水，瓦斯，火，煤
尘和顶板灾害是煤矿生产的五大灾害，水害作为煤矿五大灾害之一，对井下
作业人员的生命安全和国家的财产安全带来严重威胁。在煤矿开发的过程中，
由于雨水和地表水不断渗透到井下，汇集形成大量积水。如果不能及时将积
水排送到井上，情况严重的会造成重大事故，因此，煤矿水害给国家和人民
带来的经济损失和事故伤亡十分严重，不可轻视。
目前煤矿排水系统使用的传统设备存在着自动化程度较低、可靠性不高、
人工劳动强度大、应急能力差等问题，这些问题始终制约着煤矿排水系统的
发展，为了适应煤矿井下恶劣环境，因此需要一种煤矿超声波自动监测排水
系统，利用检测技术和自动控制原理取代传统的人工检测，对水位进行实时
检测，实现非接触测量液位信息，利用继电器控制水泵排水，实现水泵房的
无人值守，降低工人的劳动时间和劳动强度，并能够实现地面监控与故障报
警，提高了系统的可靠性，具有十分重要的实际意义。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提
供一种煤矿超声波自动监测排水系统，结构简单，设计合理，实现了非接触
测量且减小液位测量误差，并能实现煤矿自动排水，对预防煤矿水灾具有重
要意义，且使用效果好，便于推广使用。
为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种煤矿超声
波自动监测排水系统，其特征在于：包括微控制器以及与微控制器相接的按
键控制电路和串口通信电路，所述微控制器的输入端接有复位电路、用于测
量矿井水位的超声波测距电路和用于采集当前环境温度以此补偿超声波传播
速度的超声波补偿电路，所述微控制器的输出端接有水泵驱动电路、声光报
警电路和用于显示液位和温度信息的LED显示电路，所述水泵驱动电路的输
出端接有水泵，所述串口通信电路接有用于监控井下液位和温度的上位机；
所述超声波测距电路包括超声波模块HC-RS04，所述超声波模块HC-RS04的
TRIG引脚和ECHO引脚均与微控制器相接，超声波模块HC-RS04的VCC引脚
与5V电源相接。
上述的一种煤矿超声波自动监测排水系统，其特征在于：所述超声波补
偿电路包括芯片DS18B20，所述芯片DS18B20的DQ引脚与微控制器相接，芯
片DS18B20的VCC引脚与5V电源相接。
上述的一种煤矿超声波自动监测排水系统，其特征在于：水泵驱动电路
包括三极管Q2和继电器K1，所述三极管Q2的基极与微控制器相接，三极管
Q2的集电极分三路，一路与继电器K1的第1引脚相接，第二路与二极管D5
的阳极相接，第三路与经电阻R2与二极管D4的阳极相接；继电器K1的第2
引脚分两路，一路与二极管D5的阴极相接，另一路与二极管D4的阴极相接，
继电器K1的常开触点与220V电源相接，继电器K1的动触点与水泵的正接线
端相接，所述水泵的负接线端接地。
上述的一种煤矿超声波自动监测排水系统，其特征在于：所述串口通信
电路包括芯片MAX323和接口RS232，所述芯片MAX323的T1IN引脚和R1OUT
引脚均与微控制器相接，芯片MAX323的T1OUT引脚与接口RS232的第8引脚
相接，芯片MAX323的R1IN引脚与接口RS232的第2引脚相接。
上述的一种煤矿超声波自动监测排水系统，其特征在于：所述声光报警
电路包括发光二级管D1、蜂鸣器LS1和语音芯片ISD1420，所述芯片ISD1420
的A2引脚、A3引脚、A4引脚、A5引脚、A6引脚和A7引脚均与微控制器
相接；芯片ISD1420的引脚与5V电源相接，芯片ISD1420的引
脚和REC引脚均与微控制器相接，芯片ISD1420的SP+引脚与蜂鸣器LS1
的一端相接，所述芯片ISD1420的SP-引脚与蜂鸣器LS1的另一端相接，
所述芯片ISD1420的引脚经电阻R6与发光二级管D1的阴极相接；
所述发光二级管D1的阳极与5V电源相接。
上述的一种煤矿超声波自动监测排水系统，其特征在于：所述LED显示
电路包括驱动芯片MAX7219和四个7段LED管。
上述的一种煤矿超声波自动监测排水系统，其特征在于：所述按键控制
电路包括按键S1、按键S2和按键S3，所述按键S1的一端、按键S2的一端
和按键S3的一端均与微控制器相接，按键S1的另一端经电阻R11与5V电源
相接，按键S2的另一端经电阻R12与5V电源相接,按键S3的另一端经电阻
R13与5V电源相接。
上述的一种煤矿超声波自动监测排水系统，其特征在于：所述微控制器
包括单片机STC89C52。
本实用新型与现有技术相比具有以下优点：
1、本实用新型的结构简单，设计合理，实现及使用操作方便。
2、本实用新型利用超声波技术检测液位数据，减少人员的巡检，并增
加超声波补偿电路，减小液位测量误差，电路简单、设计合理、接线方便且
使用操作简单。
3、本实用新型利用继电器控制水泵排水，实现水泵房的无人值守，可
靠性高，使用效果好。
4、本实用新型采用上位机实现地面监控，实现了水位动态监控，使用效
果好，便于推广使用。
综上所述，本实用新型结构简单，设计合理，实现了非接触测量且减小
液位测量误差，并能实现煤矿自动排水，对预防煤矿水灾具有重要意义，且
使用效果好，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描
述。
附图说明
图1为本实用新型的电路框图。
图2为本实用新型微控制器与超声波测距电路、超声波补偿电路和按键
控制电路的电路连接关系示意图。
图3为本实用新型水泵驱动电路和水泵的电路连接关系示意图。
图4为本实用新型串口通信电路的电路原理图。
图5为本实用新型声光报警电路的电路原理图。
附图标记说明:
1—超声波测距电路；2—超声波补偿电路；3—按键控制电路；
4—复位电路；5—微控制器；6—水泵驱动电路；
7—LED显示电路；8—声光报警电路；9—串口通信电路；
10—水泵；11—上位机。
具体实施方式
如图1所示的一种煤矿超声波自动监测排水系统，包括微控制器5以及
与微控制器相接的按键控制电路3和串口通信电路9，所述微控制器5的输
入端接有复位电路4、用于测量矿井水位的超声波测距电路1和用于采集当
前环境温度以此补偿超声波传播速度的超声波补偿电路2，所述微控制器5
的输出端接有水泵驱动电路6、声光报警电路8和用于显示液位和温度信息
的LED显示电路7，所述水泵驱动电路6的输出端接有水泵10，所述串口通
信电路9接有用于监控井下液位和温度的上位机11。
本实施例中，所述微控制器5包括单片机STC89C52。
如图2所示，本实施例中，所述超声波测距电路1包括超声波模块
HC-RS04，所述超声波模块HC-RS04的TRIG引脚与单片机STC89C52的P2.2
引脚相接，超声波模块HC-RS04的ECHO引脚与单片机STC89C52的P2.1引脚
相接，超声波模块HC-RS04的VCC引脚与5V电源相接。
如图2所示，本实施例中，所述超声波补偿电路2包括芯片DS18B20，
所述芯片DS18B20的DQ引脚与单片机STC89C52的P2.0引脚相接，芯片
DS18B20的VCC引脚与5V电源相接。
如图3所示，本实施例中，水泵驱动电路6包括三极管Q2和继电器K1，
所述三极管Q2的基极与单片机STC89C52的P2.4引脚相接，三极管Q2的集
电极分三路，一路与继电器K1的第1引脚相接，第二路与二极管D5的阳极
相接，第三路与经电阻R2与二极管D4的阳极相接；继电器K1的第2引脚分
两路，一路与二极管D5的阴极相接，另一路与二极管D4的阴极相接，继电
器K1的常开触点与220V电源相接，继电器K1的动触点与水泵10的正接线
端相接，所述水泵10的负接线端接地。
如图4所示，本实施例中，所述串口通信电路9包括芯片MAX323和接
口RS232，所述芯片MAX323的T1IN引脚与单片机STC89C52的P2.3引脚相
接，芯片MAX323的R1OUT引脚与单片机STC89C52的P2.7引脚相接，芯片
MAX323的T1OUT引脚与接口RS232的第8引脚相接，芯片MAX323的T2OUT
引脚与接口RS232的第2引脚相接。
如图5所示，本实施例中，所述声光报警电路8包括发光二级管D1、
蜂鸣器LS1和语音芯片ISD1420，所述芯片ISD1420的A2引脚—A7引脚分
别与单片机STC89C52的P0.0引脚—P0.5引脚相接；芯片ISD1420的
引脚与5V电源相接，芯片ISD1420的引脚与单片机STC89C52的P2.5
引脚相接，芯片ISD1420的REC引脚与单片机STC89C52的P2.6引脚相接，
芯片ISD1420的SP+引脚与蜂鸣器LS1的一端相接，所述芯片ISD1420的
SP-引脚与蜂鸣器LS1的另一端相接，所述芯片ISD1420的引脚经
电阻R6与发光二级管D1的阴极相接；所述发光二级管D1的阳极与5V电
源相接。
本实施例中，所述LED显示电路7包括驱动芯片MAX7219和四个7段LED
管。
如图2所示，本实施例中，所述按键控制电路3包括按键S1、按键S2
和按键S3，所述按键S1的一端、按键S2的一端和按键S3的一端分别与单
片机STC89C52的P1.4引脚、P1.5引脚和P1.6引脚相接，按键S1的另一端
经电阻R11与5V电源相接，按键S2的另一端经电阻R12与5V电源相接，按
键S3的另一端经电阻R13与5V电源相接。
具体实施时，由于超声波在空气中的传播速度受环境温度的影响较
大，为了减小液位测量的误差，利用超声波补偿电路2中的芯片DS18B20
采集当前环境的温度，用以补偿超声波测距电路1中的超声波在空气中的
传播速度。超声波测距电路1采集到的液位值发送给微控制器5，且将当前
的液位信息和温度信息显示在LED显示电路7，当测量到的液位值大于液
位阈值时，声光报警电路8开始报警，并且微控制器5发出信号给水泵驱
动电路6，水泵驱动电路6中继电器K1的常开触点闭合，带动水泵10进行
排水，当液位值低于液位阈值时，水泵10断开连接，停止排水。按键控制
电路3用于设置液位阈值。
以上所述，仅是本实用新型的实施例，并非对本实用新型作任何限制，
凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以
及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。