便攜甲烷一氧化碳測(cè)定器的研究與設(shè)計(jì)

王鴻建 樊曉明 陳向飛

為了提高煤礦井下工作人員的安全，提出了以STM32F103VET6微控制器為核心的新型便攜式甲烷一氧化碳測(cè)定器，采用催化原理和電化學(xué)原理對(duì)多種甲烷、一氧化碳進(jìn)行同時(shí)檢測(cè)，運(yùn)用RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)外通信，將采集信息通過(guò)無(wú)線方式發(fā)出。詳細(xì)闡述了測(cè)定器的功能與原理，給出了系統(tǒng)原理框圖、部分電路連接圖和部分軟件流程圖。又進(jìn)行硬件和軟件設(shè)計(jì)，并做了試驗(yàn)，驗(yàn)證了新型多氣體檢測(cè)儀具有很好的檢測(cè)性能和應(yīng)用價(jià)值。

1.引言

目前，氣體檢測(cè)已經(jīng)由單氣體檢測(cè)方式發(fā)展到多氣體檢測(cè)方式[1]，但傳統(tǒng)的氣體檢測(cè)儀有功能簡(jiǎn)單、測(cè)量精度低、傳感器壽命短等缺陷。本文設(shè)計(jì)了一種基于ATxmega64D4的新型便攜式二合一測(cè)定器，采用了高精度的氣體傳感器，不僅具有多種氣體同時(shí)檢測(cè)、存儲(chǔ)、顯示、報(bào)警等基本功能，還設(shè)有無(wú)線通信的功能，能和礦井井下的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信（如人員定位系統(tǒng)的位置監(jiān)測(cè)分站[2]），又能應(yīng)用到煤礦井下安全避險(xiǎn)“六大系統(tǒng)”[3]的緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)[4]中，提高了檢測(cè)儀的實(shí)用性。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本便攜式多參數(shù)檢測(cè)儀以ATxmega64D4處理器為核心，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)環(huán)境空氣中甲烷、一氧化碳兩種環(huán)境氣體的濃度;同時(shí)具有時(shí)間、溫度、電池電量的采集功能，并在CPU控制下通過(guò)液晶模塊進(jìn)行顯示，同時(shí)可以通過(guò)無(wú)線接口對(duì)外通信。如圖1為系統(tǒng)原理框圖，該系統(tǒng)主要由CPU處理及采集模塊、顯示模塊、通信模塊等部分組成。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2.1 信號(hào)處理及采集模塊設(shè)計(jì)

為了滿足系統(tǒng)對(duì)甲烷、一氧化碳及電池電量各種信號(hào)的采集功能，本文選用選用ATxme-ga64D4作為控制器，EFM32TG232具備8路12位A/D、RTC功能、同時(shí)具有低功耗功能。信號(hào)處理及采集模塊主要包括甲烷測(cè)量模塊、一氧化碳測(cè)量模塊、電池電量測(cè)量模塊。

2.1.1 甲烷檢測(cè)模塊

甲烷探頭電路原理圖如圖2所示，是由兩個(gè)傳感器敏感元件和兩支固定的電阻組成的惠斯通電橋。敏感元件在表面上浸涂了鉑族金屬催化劑，成為黑元件（a），另一元件無(wú)催化劑，為參比元件b（白元件）。黑白元件的鉑絲是橋路電阻，又是加熱器，使催化劑在高溫下產(chǎn)生催化作用，兩固定電阻R1、R2，與黑白元件電阻相匹配。無(wú)甲烷氣體時(shí)，橋路平衡，輸出信號(hào)為零;有甲烷氣體時(shí)，在黑元件表面進(jìn)行催化氧化，放出熱量，使溫度升高，電阻升高，而白元件電阻值不變，此時(shí)橋路不平衡，輸出一定電壓信號(hào)，且輸出的信號(hào)與CH4氣體含量成正比，通過(guò)采集電橋電壓可以計(jì)算出當(dāng)前環(huán)境中甲烷的實(shí)際濃度。

圖2 甲烷測(cè)量原理圖

2.1.2 一氧化碳采集模塊

一氧化碳采用電化學(xué)原理，由工作電極WE、輔助電極CE和參考電極RE，當(dāng)含有的被測(cè)氣體擴(kuò)散CO進(jìn)入傳感器時(shí)，被測(cè)氣體中的 在工作電CO電極上發(fā)生電化學(xué)氧化反應(yīng)，根據(jù)斐克擴(kuò)散定律，在WE-CE之間形成電流I，通過(guò)對(duì)電流進(jìn)行取樣、放大后輸出到單片機(jī)ADC中進(jìn)行采集。CO傳感元件信號(hào)處理及采集電路如圖3所示。

圖3 一氧化碳探頭處理電路

2.2 顯示模塊設(shè)計(jì)

為了更好的實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面，采用OLED液晶進(jìn)行顯示。該液晶顯示器， 采用OLED背光顯示， 適用于各種儀器儀表、工業(yè)控制、辦公自動(dòng)化等領(lǐng)域。采用并行模式向OLED模塊寫(xiě)入顯示數(shù)據(jù)，在并行模式下OLED驅(qū)動(dòng)時(shí)序圖如圖5所示。

圖5 OLED模塊并行寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)序圖

2.3 無(wú)線通信模塊

圖6 nRF2401通信應(yīng)用電路

為了增強(qiáng)該二合一測(cè)定器的使用范圍，本測(cè)定器增加了無(wú)線通信功能，這樣該該測(cè)定器，還可以與煤礦PDA設(shè)備、井下單兵救援系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信，接入其它系統(tǒng)中。如圖6為nRF2401無(wú)線通信應(yīng)用電路，該模塊的核心器件是NRF2401，其外圍電路簡(jiǎn)單，除去耦電容及工作晶振外，ANT1和ANT2引腳輸出平衡的RF信號(hào)到天線，其中ANT2輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)LC串聯(lián)及并聯(lián)電路選頻濾波后，再經(jīng)天線傳出;且該信號(hào)又經(jīng)過(guò)電感返回至ANT1，構(gòu)成內(nèi)部PA電路的反饋。另外，POWER-nREF、CE-nREF、CS-nREF、DR1-nREF、CLK1-nREF和DATA-nREF是6個(gè)功能接口，分別與CPU的6個(gè)I/O口相連。

3.軟件設(shè)計(jì)

軟件主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、人機(jī)界面處理、參數(shù)設(shè)置、通信處理等功能。在信號(hào)采集處理方面采用連續(xù)采集方式，依次完成對(duì)甲烷、一氧化碳、電量等信號(hào)的采集;為了減少外部干擾帶來(lái)了誤差，采用中值濾波法進(jìn)行濾波后得到最終環(huán)境參量，然后在CPU的控制下通過(guò)液晶模塊實(shí)現(xiàn)各個(gè)環(huán)境參量的顯示，同時(shí)實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信。如圖7為系統(tǒng)軟件流程圖。

圖7 系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)

4.結(jié)語(yǔ)

該二合一測(cè)定器既可以同時(shí)測(cè)量甲烷、一氧化碳、電池電量等;既可以作為單一產(chǎn)品使用，又可以通過(guò)無(wú)線接口與接入PDA、單兵系統(tǒng)中。具有功能齊全、操作簡(jiǎn)單、攜帶方便、測(cè)量精度高、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]周偉，孫弋.煤礦井下應(yīng)急救援無(wú)線通訊系統(tǒng)研究[M].西安：西安科技大學(xué)，2007.

[2]湯其建.煤礦安全[M].長(zhǎng)沙：國(guó)防工業(yè)出版社，2012.

[3]左伯莉，劉國(guó)宏.化學(xué)傳感器原理及應(yīng)用[M].北京：電清華大學(xué)出版社，2007.

[4]國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局關(guān)于建設(shè)完善煤礦井下安全避險(xiǎn)“六大系統(tǒng)”的通知（安監(jiān)總煤裝[2010]146號(hào)）[Z].國(guó)家安全監(jiān)管總局.2010，8，24

項(xiàng)目名稱(chēng)：甲烷一氧化碳二合一變送器（項(xiàng)目編號(hào)：14SY003-03）。

作者簡(jiǎn)介：王鴻建（1983―），男，河南駐馬店人，碩士研究生，主要從事煤礦監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、礦用傳感器的研究與開(kāi)發(fā)。