具備藍(lán)牙傳輸?shù)牡V用多參數(shù)便攜儀的設(shè)計(jì)

郝葉軍

摘要：針對(duì)現(xiàn)有便攜儀使用效果不佳的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種多參數(shù)便攜儀，介紹了便攜儀的設(shè)計(jì)原理，并對(duì)其軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了描述，在文章最后給出了實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，經(jīng)過(guò)15天的穩(wěn)定性試驗(yàn)后，測(cè)試精度高于行標(biāo)要求，表明測(cè)試效果較好。

關(guān)鍵詞：便攜儀；多參數(shù)；藍(lán)牙

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）36-0228-02

國(guó)家對(duì)煤礦的環(huán)境監(jiān)測(cè)相當(dāng)重視[1]，在煤礦井下布置了甲烷傳感器、一氧化碳傳感器、氧氣傳感器等，這些傳感器對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)發(fā)揮了重要作用。由于固定式傳感器的布置做不到全覆蓋，這樣對(duì)煤礦環(huán)境的監(jiān)測(cè)就存在盲區(qū)，而便攜儀可以進(jìn)行移動(dòng)式監(jiān)測(cè)[2]，便攜式檢測(cè)儀與固定式傳感器相配合，可以更好地滿(mǎn)足煤礦上對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)的需求。在煤礦上廣泛使用的便攜儀為單參數(shù)檢測(cè)儀，檢測(cè)氣體種類(lèi)少，且多不具備無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)墓δ堋?/p>

針對(duì)現(xiàn)有便攜儀存在的問(wèn)題，提出基于藍(lán)牙傳輸?shù)亩鄥?shù)便攜儀的開(kāi)發(fā)思路，可以對(duì)環(huán)境中的甲烷、一氧化碳、二氧化碳、氧氣進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證，可以看出該便攜儀具有較高的精度，運(yùn)行穩(wěn)定性好；通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)使用效果來(lái)看，本傳感器具有較高的現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性，保證了煤礦井下復(fù)雜環(huán)境下多種氣體的有效檢測(cè)。

1 便攜儀的氣體檢測(cè)原理

多參數(shù)便攜儀可以完成對(duì)四種氣體的檢測(cè)，包含：甲烷的檢測(cè)、一氧化碳的檢測(cè)、氧氣的檢測(cè)和二氧化碳的檢測(cè)，這四種氣體基本包含了煤礦中的主要?dú)怏w。

在煤礦環(huán)境中對(duì)甲烷的檢測(cè)方法包含：催化燃燒原理、熱導(dǎo)原理、紅外原理和激光原理等。其中，催化甲烷傳感器在煤礦上使用最廣，相應(yīng)的探頭價(jià)格最低，本方案采用該方式進(jìn)行甲烷檢測(cè)。

一氧化碳、氧氣的氣體檢測(cè)元件均采用電化學(xué)原理，由負(fù)電極、正電極、參考電極組成；其中，參考電極為傳感元件提供外部穩(wěn)定電壓，在被測(cè)氣體中，由于傳感元件內(nèi)部發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，在正電極與負(fù)電極之間，形成一微弱電流，氣體濃度越高，產(chǎn)生電流越大，通過(guò)測(cè)量產(chǎn)生電流的大小可以精確的計(jì)算出被測(cè)氣體的濃度。

二氧化碳的檢測(cè)采用紅外原理[3]，當(dāng)紅外光通過(guò)被測(cè)氣體時(shí)，其分子吸收光能量，不同氣體具有不同的光譜，其對(duì)應(yīng)的吸收強(qiáng)度又與該氣體的濃度相關(guān)，利用這一原理可以測(cè)量二氧化碳?xì)怏w的濃度。

2 多參數(shù)便攜儀設(shè)計(jì)

礦用多參數(shù)便攜儀可以對(duì)環(huán)境中的四種主要?dú)怏w進(jìn)行檢測(cè)。測(cè)量精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易用，具有較高的適用性。它能將測(cè)量的氣體濃度信息，通過(guò)藍(lán)牙傳送給上一級(jí)監(jiān)控設(shè)備；系統(tǒng)采用NXP系列單片機(jī)LPC1518處理器作為主控芯片，完成對(duì)周?chē)h(huán)境中氣體濃度的檢測(cè)功能，并通過(guò)藍(lán)牙輸出，傳感器支持通過(guò)按鍵進(jìn)行交互，可以進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，便攜儀采用LCD進(jìn)行參數(shù)顯示，具備優(yōu)化的界面。

框圖如下圖2所示：

采集到的四種氣體濃度信號(hào)，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路后，轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，送單片機(jī)內(nèi)部的ADC進(jìn)行采集。

ADC采集回來(lái)的為電壓信號(hào)，電壓信號(hào)與環(huán)境中的氣體濃度存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而可以根據(jù)電壓信號(hào)反求出對(duì)應(yīng)的甲烷濃度、一氧化碳濃度和氧氣濃度。二氧化碳采用數(shù)字式探頭，通過(guò)UART讀取氣體濃度。但是由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的差異、傳感器探頭的差異、電子器件的不一致性，導(dǎo)致計(jì)算得到的濃度值與真實(shí)值之間具有偏差。由于在信號(hào)檢測(cè)過(guò)程中不可避免地會(huì)帶來(lái)誤差，因此需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波去噪處理[4]，設(shè)計(jì)的多便攜儀具有較高的檢測(cè)精度，可以滿(mǎn)足行標(biāo)相關(guān)規(guī)定，滿(mǎn)足不同多參數(shù)儀的應(yīng)用場(chǎng)合。便攜儀支持參數(shù)調(diào)整功能，用戶(hù)只需要用相應(yīng)的按鍵即可以對(duì)便攜儀進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，軟件流程如下圖3示。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了驗(yàn)證本便攜式多參數(shù)儀的性能是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，在單位氣體實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了性能測(cè)試，表1-表4為定量檢測(cè)性能表。

4 結(jié)束語(yǔ)

將催化甲烷、電化學(xué)一氧化碳、電化學(xué)氧氣和紅外二氧化碳集中在便攜儀內(nèi)，并支持藍(lán)牙傳輸功能，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的電氣電路和軟件程序，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。設(shè)計(jì)的便攜儀經(jīng)過(guò)15天的穩(wěn)定性試驗(yàn)后，滿(mǎn)足相關(guān)行標(biāo)的要求精，目前該便攜儀已進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)，在煤礦現(xiàn)場(chǎng)使用效果良好。

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