煤礦多功能便攜環(huán)境參數(shù)檢測儀

劉江霞，范寶德

(1．煙臺大學(xué)工程實訓(xùn)中心，山東煙臺　264005；2．煙臺大學(xué)計算機學(xué)院，山東煙臺　264005)

0　引言

國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局于2007年1月1日發(fā)布的中華人民共和國安全生產(chǎn)行業(yè)標準《AQ 1029—2007：煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)及檢測儀器使用管理規(guī)范》中規(guī)定：“礦長、技術(shù)負責(zé)人、爆破工、采掘區(qū)隊長、通風(fēng)區(qū)隊長、工程技術(shù)人員、班長、流動電鉗工、安全監(jiān)測工下井時，必須攜帶便攜式甲烷檢測報警儀或甲烷檢測報警礦燈。瓦斯檢查工下井時必須攜帶便攜式甲烷檢測報警儀和光學(xué)甲烷檢測儀”。為了保障煤礦中正常的生產(chǎn)過程和井下人員的生命安全，不僅需要檢測煤礦中的瓦斯?jié)舛?，還要檢測其他的環(huán)境參數(shù)(比如溫度、CO、CO2等)[1]。在2011年國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局和國家煤礦安全監(jiān)察局聯(lián)合修訂的《煤炭安全規(guī)程》中明確給出了礦井有害氣體最高允許濃度及檢測方式的相關(guān)規(guī)定。因此，需要設(shè)計一款多功能的便攜式環(huán)境參數(shù)檢測儀，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)瓦斯?jié)舛葯z測的功能，還能實現(xiàn)溫度、CO、CO2的檢測，并對檢測數(shù)據(jù)進行數(shù)字顯示、存儲及傳輸。

1　系統(tǒng)整體功能設(shè)計

煤礦多功能便攜檢測儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。檢測儀以ARM芯片STM32F107VCT6為核心，以MH-440V/D紅外瓦斯傳感器、MH-410V/D紅外CO2傳感器、ME2-CO型電化學(xué)CO傳感器、DS18B20數(shù)字式溫度傳感器為檢測元件，采用4.8 V/4 500 mAh的鎳氫電池供電并具有低電壓報警功能，具有電源管理電路、聲光報警電路、實時時鐘RTC、按鍵及LCD顯示電路，不僅實現(xiàn)了溫度、瓦斯?jié)舛?、CO2濃度、CO濃度的檢測功能，還實現(xiàn)了檢測數(shù)據(jù)的自動存儲以及可以滿足各種應(yīng)用的通信接口(CAN總線、ZigBee[2]、USB、以太網(wǎng))。

圖1　檢測儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2　系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2．1MCU及LCD、RTC、按鍵電路設(shè)計

STM32F107VCT6是一款基于CortexTM-M3的32位ARM內(nèi)核的MCU，主頻可達72 MHz，具有256 KB的Flash和64 KB的SRAM，具有2×12位1 μs的A/D轉(zhuǎn)換器 (16通道)、2 × 12位的D/A轉(zhuǎn)換器、12通道的DMA控制器，多達80個快速I/O接口和10個定時器，并有多達14個通信接口(2個I2C，5個USART，3個SPI，2個CAN，1個USB 2．0，1個10/100M以太網(wǎng) MAC)。具有高度集成的內(nèi)部功能，簡化了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。STM32F107VCT6的復(fù)位、晶振電路、RTC、LCD、按鍵與MCU的連接關(guān)系如圖2所示。

圖2　按鍵、LCD、RTC、晶振及復(fù)位電路

系統(tǒng)的LCD顯示屏采用3.3 V供電的5.7英寸帶中文字庫的液晶屏ZLG320240T，其顯示精度為320×240點陣，采用8位并行數(shù)據(jù)線方式與MCU的PE0～PE8相連，用來動態(tài)顯示當(dāng)前環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，也可以顯示需要查詢的歷史數(shù)據(jù)。LCD的控制電路具有LCD自動斷電的節(jié)電方式，由MCU的PC3控制，當(dāng)需要查看LCD屏?xí)r，通過按動開屏鍵點亮LCD，如果超過一定時間(此時間可用按鍵設(shè)定)沒有操作按鍵，LCD將自動斷電，實現(xiàn)節(jié)電功能。RTC電路使用MCU內(nèi)部集成的RTC模塊，外接32.768 kHz晶振及紐扣電池，為系統(tǒng)提供精確的時間信息，將采集的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)采集的時間信息綁定一起顯示或存儲，也為歷史數(shù)據(jù)的查詢提供方便。除了復(fù)位鍵外，系統(tǒng)還設(shè)計有4個獨立的按鍵，分別是LCD顯示鍵、增量鍵、減量鍵、設(shè)定/確認鍵，通過MCU的PC6～PC9管理，可以實現(xiàn)對時鐘信息的調(diào)整、LCD自動斷電時間的調(diào)整、查詢設(shè)定等功能。

2．2電源管理、聲光報警及SD卡電路設(shè)計

多功能檢測儀的電源管理及電池欠壓檢測電路、聲光報警電路和SD卡電路如圖3所示。

圖3　電源管理、聲光報警及SD卡電路

系統(tǒng)設(shè)計有SD卡接口，檢測儀檢測的數(shù)據(jù)會被自動存儲到SD卡中。檢測儀在使用過程中不間斷地檢測環(huán)境數(shù)據(jù)，由于環(huán)境參數(shù)變化很緩慢以及人員移動速度有限，因此將向存儲卡中存儲的數(shù)據(jù)采用每隔1 s存儲1次，存儲的值為1 s內(nèi)各個檢測數(shù)據(jù)的平均值，即節(jié)省了存儲空間，又提高了檢測精度。

檢測儀系統(tǒng)采用4.8 V/4 500 mAh的可充電的鎳氫電池供電，通過LM1117-3V3將電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V為整個系統(tǒng)供電。電路設(shè)計有充電接口，并將電池電壓采用2個0.1%的精密電阻分壓后進入MCU的AD引腳PC0進行采集，來實現(xiàn)對電池電量的監(jiān)視，除在液晶屏上實時顯示電量外，當(dāng)電池電量過低時MCU通過引腳PB15控制LED燈閃爍報警，提示管理員及時充電。

聲光報警電路由蜂鳴器和發(fā)光二極管組成，使用MCU的PB9引腳控制。當(dāng)檢測的環(huán)境參數(shù)超標時自動進行聲光報警，為了區(qū)分不同物理量超標的情況，報警電路采用不同的頻率進行報警。

2．3傳感器接口電路

多功能檢測儀可實現(xiàn)溫度、甲烷、CO2和CO的檢測，4種傳感器接口電路圖如圖4所示。

圖4　傳感器接口電路圖

瓦斯傳感器選用MH-440V/D紅外氣體傳感器，是一款通用智能的微型傳感器，該傳感器利用非色散紅外(NDIR)原理對空氣中存在的CH4進行探測，具有很好的選擇性，無氧氣依賴性，性能穩(wěn)定、壽命長。內(nèi)置溫度傳感器，可進行溫度補償。工作電壓范圍為DC 3～5 V，測量范圍0～100%vol范圍內(nèi)可選，分辨率1%FSD，預(yù)熱時間90 s，具有模擬和數(shù)字輸出方式，系統(tǒng)使用數(shù)字輸出形式將傳感器連接到MCU的USART1(PA9和PA10引腳)上。

CO2傳感器選用MH-410V/D NDIR紅外氣體傳感器，該傳感器也是利用NDIR原理對空氣中存在的CO2進行探測，特點與MH-440V/D類似，也具有模擬和數(shù)字輸出方式，系統(tǒng)使用數(shù)字輸出形式將傳感器連接到MCU的USART2(PD5和PD6引腳)上。傳感器工作電壓為4.5～5.5 V，系統(tǒng)中采用4.8 V電池直接供電，輸出信號范圍為0.4～2 V，因此不會影響3.3V的MCU與其通信。

CO傳感器選用ME2-CO型電化學(xué)傳感器，其根據(jù)電化學(xué)的原理工作，利用待測氣體在電解池中工作電極電位上的電化學(xué)氧化過程，待測氣體電化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的電流與其濃度呈正比并遵循法拉第定律，通過測定電流的大小就可以確定待測氣體的濃度。傳感器為模擬電流型輸出，輸出靈敏度為(0.015±0.005) μA/ppm，需要采用信號調(diào)理電路將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，然后連接到MCU的AD引腳PB0上進行A/D轉(zhuǎn)換。

溫度傳感器選用DS18B20數(shù)字式溫度傳感器，其具有單總線接口數(shù)字輸出方式，分辨率為9～12位可選，只需占用MCU的1個I/O引腳，系統(tǒng)中使用了MCU的PB1引腳與傳感器信號引腳相連。供電范圍為3.0～5.5 V，測溫范圍為-5～125 ℃。

2．4通信接口電路

多功能檢測儀設(shè)計有多種通信接口，可以通過USB、CAN、以太網(wǎng)等有線方式或ZigBee無線方式與外界通信，通信接口電路圖如圖5所示?？梢詫崿F(xiàn)多機聯(lián)網(wǎng)，也可以使用礦井中的CAN總線網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)以太網(wǎng)由井下直接將數(shù)據(jù)傳送到地面監(jiān)控室，還可以通過USB方式與PC機實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究和發(fā)展，為了適應(yīng)礦井物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的要求[3]，檢測儀設(shè)計了基于ZigBee的無線通信接口，以便將來在井下能夠無縫融入到基于ZigBee的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)[4]中去。

圖5　通信接口電路圖

STM32F107VCT6內(nèi)部集成了一個USB2．0控制器、2個CAN控制器、1個10/100M以太網(wǎng)MAC，在電路設(shè)計時只需外接USB接頭、CAN收發(fā)器和以太網(wǎng)接口芯片就可以實現(xiàn)接口功能。CAN收發(fā)器采用了適合3.3 V系統(tǒng)的帶隔離的收發(fā)芯片CTM8251AT，簡化了電路設(shè)計并提高了儀器的抗干擾能力。以太網(wǎng)接口芯片選用了10/100M以太網(wǎng)物理層收發(fā)器DP83848。ZigBee通信采用了第二代片上系統(tǒng)CC2530F256芯片[5]，具有內(nèi)置8051微處理器核、256 KB的FLASH、8 KB的RAM、5通道的DMA、8通道12位的ADC、21個通用I/O接口、支持精確的數(shù)字RSSI/LQI[6]、2個USART等功能，除了收發(fā)模式外具有3種節(jié)電模式。ARM通過SPI接口與CC2530F256通信，由CC2530F256實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)功能，兩者組成雙MCU系統(tǒng)。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括ARM芯片STM32F107VCT6和ZigBee片上系統(tǒng)CC2530F256的程序設(shè)計。ARM芯片軟件設(shè)計使用RealView MDK軟件作為開發(fā)工具[7]，由于系統(tǒng)要實現(xiàn)信號采集、顯示、存儲、通信(CAN、USB、以太網(wǎng)、ZigBee)、按鍵管理、時鐘管理、報警等復(fù)雜功能，因此采用了基于優(yōu)先級搶占、多任務(wù)、可裁剪的嵌入式實時操作系統(tǒng)uC/OS-II[8]，并移植了LwIP (Light Weight)P) 嵌入式TCP/IP協(xié)議棧，程序框架如圖6所示。uC/OS-II可管理多達64個任務(wù)，可以設(shè)置各個任務(wù)的優(yōu)先級，可以為每個任務(wù)分配獨立的堆棧空間，實現(xiàn)快速的任務(wù)切換，保證各個任務(wù)獨立工作、不起沖突。

圖6　ARM芯片的程序框架

CC2530F256的軟件設(shè)計使用的開發(fā)環(huán)境為IAR-EW8051，采用了免費的ZigBee協(xié)議棧Z-Stack 2．3．1，主要實現(xiàn)了系統(tǒng)初始化、ZigBee網(wǎng)絡(luò)搜索及網(wǎng)絡(luò)加入、數(shù)據(jù)的無線收發(fā)、與ARM通信等功能，ZigBee系統(tǒng)主流程圖如圖7所示。

圖7　ZigBee系統(tǒng)主流程圖

4　結(jié)束語

設(shè)計了一款煤礦用、多功能、多網(wǎng)絡(luò)接口、便攜式的環(huán)境參數(shù)檢測儀，重點介紹了系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計。檢測儀可以對煤礦井下的瓦斯、溫度、CO和CO2移動采集、存儲和實時顯示報警，并具有隔離的CAN接口、以太網(wǎng)接口、USB接口，可以直接連接到煤礦井下已有的各種網(wǎng)絡(luò)上，而且為滿足礦井物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展要求，設(shè)計了基于CC2530的ZigBee網(wǎng)絡(luò)接口，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無線傳輸及組網(wǎng)功能。

參考文獻：

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