一種礦用一氧化碳檢測儀的設(shè)計

程 輝，楊克立

(1．河南工程學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，河南 鄭州 451191；2.中原工學(xué)院 工業(yè)訓(xùn)練中心，河南 鄭州 450007)

一種礦用一氧化碳檢測儀的設(shè)計

程 輝1，楊克立2

(1．河南工程學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，河南 鄭州 451191；2.中原工學(xué)院 工業(yè)訓(xùn)練中心，河南 鄭州 450007)

為了快速準(zhǔn)確地檢測煤礦井下一氧化碳的含量，提出了一種新型的基于飛思卡爾56F8346的礦用一氧化碳檢測儀的設(shè)計方法.在對一氧化碳傳感器中氣敏元件工作原理分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用高性能的DSP控制器，研究并設(shè)計其軟硬件系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對煤礦井下作業(yè)環(huán)境中一氧化碳?xì)怏w濃度的實時檢測并顯示以及超標(biāo)聲光報警和上位機(jī)通信等功能.通過實驗可知，所設(shè)計的傳感器性能穩(wěn)定、可靠，精度和靈敏度完全能滿足生產(chǎn)需求.

56F8346；一氧化碳；檢測儀；煤礦井

一氧化碳伴隨著煤炭開采而產(chǎn)生，由于其無色無味卻有毒，作業(yè)人員很難察覺，一旦吸入過量極易發(fā)生昏迷甚至更嚴(yán)重的情況.另外,一氧化碳易燃易爆，一旦井下含量超標(biāo)，危險性極高，是作業(yè)人員和煤礦井的重要危害源之一[1-3].針對礦井下作業(yè)特殊復(fù)雜的環(huán)境，設(shè)計了一種一氧化碳檢測儀器，在滿足國家相關(guān)的防范技術(shù)規(guī)范和安全標(biāo)準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)上，不僅能夠?qū)乱谎趸嫉暮窟M(jìn)行實時檢測與顯示，而且要與上位機(jī)進(jìn)行實時通訊及數(shù)據(jù)傳送，一旦超標(biāo)就立即聲光報警，該設(shè)計具有很好的應(yīng)用前景.

隨著DSP(Digital Signal Processor)性價比的不斷提高，其高速度、高精度性能作為控制處理器也廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集及實時處理系統(tǒng)中[4].飛思卡爾56F8346具有5 V 的兼容I/O 接口，增強(qiáng)型的片內(nèi)仿真 (EOnCE) 也為其提供了低成本的實時調(diào)試功能，使其性能更加優(yōu)越.本研究以飛思卡爾56F8346作為核心處理器,設(shè)計了能夠滿足上述功能的一氧化碳檢測儀，通過實驗證明了其性能穩(wěn)定、可靠，精度和誤差能夠滿足生產(chǎn)需求.

1 一氧化碳?xì)饷粼ぷ髟?/h2>

一氧化碳檢測儀中氣敏元件的工作基于恒電位電解法原理，其結(jié)構(gòu)包含3個電極：工作電極W、對電極R和參比電極C.當(dāng)一氧化碳?xì)怏w擴(kuò)散到工作電極表面上時，在工作電極的催化作用下，氣體發(fā)生氧化，其化學(xué)反應(yīng)式為

(1)

在工作電極上發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生的H+離子和電子，通過電解液轉(zhuǎn)移到與工作電極保持一定間隔的對電極上，并與水中的氧發(fā)生還原反應(yīng).其化學(xué)反應(yīng)式為

(2)

這個氧化-還原反應(yīng)在工作電極與對電極之間始終發(fā)生著，并在兩個電極間產(chǎn)生正比于CO濃度的電子，將其由電極引出后進(jìn)行運(yùn)算放大處理即可對礦井下一氧化碳?xì)怏w及濃度進(jìn)行檢測和監(jiān)控.但由于極間電位難以維持恒定，為此引入不參與氧化或還原反應(yīng)的參比電極，給工作電極提供穩(wěn)定的不隨電化學(xué)反應(yīng)而變化的恒定電位，以保證最佳的工作電極電位與最大反應(yīng)電流的線性關(guān)系.

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

圖1 系統(tǒng)設(shè)計框圖Fig.1 Digram of the system design

該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，包括模擬信號處理系統(tǒng)和外圍數(shù)字處理設(shè)備系統(tǒng)，兩者都由核心控制器56F8346來完成信號的運(yùn)算傳輸，系統(tǒng)設(shè)計如圖1所示.一氧化碳?xì)饷粼敵鲂盘栍珊汶娢浑娐房刂?，其檢測到的微弱信號經(jīng)放大電路轉(zhuǎn)化成可供DSP識別的數(shù)據(jù)，后經(jīng)運(yùn)算處理程序進(jìn)行濃度分析，并驅(qū)動外圍數(shù)字處理設(shè)備系統(tǒng)實時顯示，當(dāng)濃度高于設(shè)定值時進(jìn)行聲光報警、頻率輸出等.

2.1恒電位和信號放大電路設(shè)計

采用零點(diǎn)偏置的恒電位電路如圖2所示.微功耗放大器U1采用低漂移Teledyne公司的7650.U1的反相端檢測參考電極(RE)的電壓，經(jīng)過積分運(yùn)算向輔助電極(CE)提供電流，RE端沒有電流流進(jìn)或流出，所以流出CE端的電流流進(jìn)WE端，使得RE端與WE端之間的電壓保持恒定,電流很小但是與目標(biāo)氣體濃度成正比.Q1為P溝道JFET，電路啟動時，柵極電壓為5 V，晶體管斷開； 電路關(guān)斷時，柵極電壓降至0 V，JFET開啟，使RE端和WE端保持相同的電位，這樣可以使得每次啟動電路時傳感器的開啟建立時間大大縮短.

圖2 恒電位電路圖Fig.2 Constant voltage circuit

圖3 信號放大電路圖Fig.3 Signal amplification circuit

信號放大電路如圖3所示.恒電位控制氣敏元件檢測目標(biāo)氣體濃度，產(chǎn)生對應(yīng)的電流信號由WE端經(jīng)R5后流入微功耗放大器U2的反相端進(jìn)行比例積分放大，經(jīng)過R6降壓，C4濾波后即可經(jīng)ANA0口送入處理器.

2.2無線遙控電路設(shè)計

電化學(xué)傳感器的靈敏度會隨時間而飄移，為了更好地在應(yīng)用中調(diào)校，本研究所設(shè)計的一氧化碳傳感器采用紅外遙控方式來進(jìn)行.調(diào)校的設(shè)計只用4個按鍵，并在按鍵上面用中文字符分別表示為“模式”“增加”“減少”和“確認(rèn)”.設(shè)計中按鍵有背景燈，以便更好地識別確認(rèn)與調(diào)校.紅外遙控發(fā)射接收電路的設(shè)計中采用PT2262和PT2272芯片進(jìn)行編解碼，所搭建的電路簡單實用，最終解碼后的數(shù)據(jù)通過控制器的PB0-3腳進(jìn)行控制.

圖4 MAX7219接線圖Fig.4 MAX7219 and DSP connection diagram

2.3數(shù)字顯示電路設(shè)計

56F8346有一個非常適合數(shù)字處理微型化的串行外設(shè)接口SPI，最低只需要3根線便可與外設(shè)完成連接.MAX7219是MAXIM 公司生產(chǎn)的典型三線串行接口，非常適合與SPI連接構(gòu)成顯示接口電路，能夠?qū)崿F(xiàn)多達(dá)8位LED 數(shù)碼管的顯示控制和驅(qū)動且數(shù)碼管的亮度可調(diào)、控制簡單方便，電路如圖4所示.其中，R9為一峰值限流電阻，是芯片唯一的外接器件.

DIG0-3驅(qū)動4位數(shù)碼管，SEGA-G為共陰極接點(diǎn).本設(shè)計中數(shù)碼管選擇了發(fā)光柔和、顏色為紅色的4位共陰極LED數(shù)碼管作為顯示器件，非常適用于礦井下的環(huán)境，它不但防潮、溫度特性好，而且還有很好的遠(yuǎn)距離視覺效果.數(shù)碼管中的低三位是用來實時顯示所檢測到的一氧化碳濃度，最高位為遙控控制位.

圖5 聲光報警電路Fig.5 Sound and light alarm circuit

2.4頻率輸出和聲光報警電路設(shè)計

頻率輸出電路的作用是輸出與一氧化碳濃度相對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號，并將所測值及時地傳輸給井上較遠(yuǎn)的監(jiān)控系統(tǒng).為此，電路中采用集電極開漏輸出，以利于減少導(dǎo)線的阻抗線間電容所造成的頻率信號的衰減.可在PC3引腳輸出與一氧化碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)0～0.1%相對應(yīng)的頻率為200～1 000 Hz，在此范圍可保證為線性關(guān)系.

聲光報警電路與56F8346的PC1引腳連接，當(dāng)濃度超限時，啟動相應(yīng)的中斷程序控制；當(dāng)引腳輸出高電平時，實現(xiàn)蜂鳴器鳴聲與發(fā)光二極管閃爍報警，低電平時不報警，電路圖如圖5所示.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本設(shè)計運(yùn)用飛思卡爾公司專為56800E系列DSP開發(fā)的一套完整、便利的Code Warrior IDE作為軟件開發(fā)平臺，運(yùn)用C語言，采用模塊化、結(jié)構(gòu)化的設(shè)計思想，完成系統(tǒng)初始化模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和控制功能模塊程序的編寫和調(diào)試.

圖6 主程序流程Fig.6 The main program flow chart

軟件主要完成三大功能，一是完成A/D轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)的運(yùn)算與處理，二是實時顯示數(shù)據(jù)及超標(biāo)報警，三是紅外遙控調(diào)校和數(shù)據(jù)傳輸.本系統(tǒng)以電化學(xué)一氧化碳傳感器生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的性能來設(shè)計，系統(tǒng)上電復(fù)位，運(yùn)行初始化程序，包括設(shè)置中斷禁止及優(yōu)先級，設(shè)置各個定時器及工作方式等，之后A/D初始化，開始檢測各種數(shù)據(jù).系統(tǒng)軟件的主程序流程如圖6所示.

4 實驗結(jié)果

依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)AQ 6505—2006《煤礦用電化學(xué)式一氧化碳傳感器》和實際生產(chǎn)的要求，在溫度25 ℃、相對濕度55%、大氣壓力90 kPa的條件下進(jìn)行斷電保護(hù)措施、顯示值穩(wěn)定性和基本誤差測試.按規(guī)定流量，用清潔空氣和量程50%的標(biāo)準(zhǔn)氣樣對儀表進(jìn)行3次校準(zhǔn)，使輸出頻率值與測量值完全對應(yīng)后，隨機(jī)抽取標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度樣品做測試，實驗結(jié)果如表1所示.

表1 實驗結(jié)果Tab.1 The experiment result

由表1可以看出，一氧化碳傳感器在對不同標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度檢測時，其測量誤差都在要求的相對誤差范圍(±4%)內(nèi)，輸出頻率與標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度之間基本保持線性關(guān)系，符合相關(guān)的安全標(biāo)準(zhǔn)與實際需求.但是，同時也存在測量較小濃度標(biāo)準(zhǔn)氣體時相對誤差大于測量較高濃度標(biāo)準(zhǔn)氣體時相對誤差的情況，這主要是因為實際設(shè)計電路并不能保證儀器發(fā)生復(fù)雜電化學(xué)反應(yīng)時產(chǎn)生的電流與標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度形成完全線性對應(yīng)關(guān)系，另外也可能是調(diào)校操作時儀器出現(xiàn)的測量誤差造成的.實驗中的平均響應(yīng)時間為21 s(國家標(biāo)準(zhǔn)為35 s)，動態(tài)特性很好.

5 結(jié)束語

本研究所設(shè)計的電化學(xué)式一氧化碳傳感器采用飛思卡爾56F8346作為系統(tǒng)的核心，數(shù)據(jù)采樣與運(yùn)算速度快、可靠性高，模塊化的軟硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，便于功能的拓展，實現(xiàn)了對一氧化碳?xì)怏w濃度的實時檢測與顯示、超標(biāo)聲光報警和頻率輸出等功能.針對該儀器特殊的使用環(huán)境，進(jìn)行了穩(wěn)定性與可靠性的實驗，測試結(jié)果表明該儀器的各項性能指標(biāo)滿足相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)，可應(yīng)用于礦井下復(fù)雜的環(huán)境之中.

[1] 陳長倫,何建波.電化學(xué)式氣體傳感器的研究進(jìn)展[J].傳感器世界，2004(4):11-15.

[2] 孫宇峰,黃行九.電化學(xué)式CO氣體傳感器及其敏感特性[J].傳感器技術(shù)，2004,23(7):14-17.

[3] 毛會瓊，任子暉.基于MSP430的便攜式一氧化碳檢測儀的設(shè)計[J].工礦自動化，2007,2(4):72-74.

[4] 冬雷.DSP原理及電機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007.

Designofcarbon-monoxidegassensorforcoalandmineexploitation

CHENG Hui1, YANG Ke-li2

(1.CollegeofElectricalInformationEngineering,HenanInstituteofEngineering,Zhengzhou451191,China; 2.IndustrialTrainingCentre,ZhongyuanUniversityofTechnology,Zhengzhou450007,China)

This paper presented a new design for the carbon monoxide gas sensor based on 56F8346, which is used in coal and mine exploitation to detect the concentration of carbon monoxide gas. The hardware and software of carbon monoxide gas sensor was researched and realized using high performance DSP controller after analyzed the working principle of gas sensitive element in Carbon monoxide sensor. It can not only detect the concentration of carbon monoxide and display, sound and light alarm at the same time, but also communicate with computer. By experiments, the performance of the sensor designed is stable and reliable. The conclusion shows that its precision and sensitivity could meet sufficiently the demand.

56F8346; carbon monoxide; sensor; coal and mine exploitation

2013-10-20

程輝(1979-)，女，河南南陽人，講師，主要從事檢測技術(shù)與自動化研究.

TD711.4；TP368.2

A

1674-330X(2014)01-0058-04