小型礦用智能型CO監(jiān)測儀研制及應(yīng)用

摘 要：CO屬于有毒有害和易燃易爆氣體，很多礦山均有CO監(jiān)測需求，市售的CO監(jiān)測儀無法滿足智能化監(jiān)測需求。采用STM32單片機作為控制中心，利用嵌入式開發(fā)技術(shù)，研制一種集成溫度、濕度和氣壓傳感器的小型化CO監(jiān)測儀。監(jiān)測儀輸出CAN總線信號以增強抗干擾性，設(shè)計CAN總線轉(zhuǎn)換器以滿足數(shù)據(jù)傳輸要求；針對離線監(jiān)測需求，設(shè)計兼容CAN總線的插卡式數(shù)據(jù)記錄儀；開發(fā)配套的測控軟件。監(jiān)測儀具有體積小、量程范圍寬、可網(wǎng)絡(luò)化集群布設(shè)的特點。測試結(jié)果表明，測量結(jié)果相對偏差小于±3.5%，可滿足礦山和其他狹窄空間的CO監(jiān)測需求。

關(guān)鍵詞：STM32；嵌入式開發(fā)；小型智能型CO監(jiān)測儀；CAN總線；測控軟件；嵌入式

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）05-00-05

0 引 言

CO屬有毒有害氣體，當空氣中CO濃度較高時會對人體健康產(chǎn)生危害，嚴重者會昏迷甚至生命終結(jié)[1-3]。CO與空氣混合的爆炸極限約為12%～74%（體積分數(shù)），當遇到電火花時會發(fā)生爆炸，危害極其嚴重[4-5]。因此很多礦山都有CO監(jiān)測的需求[6]。CO監(jiān)測一般分為兩種：一種是手持式，這種方式無法記錄數(shù)據(jù)，且量程較??；另外一種是在線式，但體積較大，無法滿足鉆孔等特殊位置的監(jiān)測需求，并且測量對象單一。針對這些問題，本文設(shè)計了一種尺寸和體積遠小于市場上同類產(chǎn)品的小型智能化CO監(jiān)測儀，不僅集成了溫濕壓傳感器，還具有體積小、量程范圍寬、可網(wǎng)絡(luò)化集群布設(shè)的特點，具有較高的實用價值。

1 CO監(jiān)測儀研制

在分析傳統(tǒng)CO監(jiān)測方法的基礎(chǔ)上，本文確定了小型數(shù)字化的CO測控技術(shù)路線。監(jiān)測系統(tǒng)主要分為硬件部分和軟件部分。系統(tǒng)的工作流程為：STM32芯片采集傳感器的數(shù)據(jù)并進行處理后發(fā)送至CAN總線，由插卡式數(shù)據(jù)記錄儀記錄或者經(jīng)CAN信號轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)信號后發(fā)送至計算機，由計算機軟件處理后顯示。系統(tǒng)最多可接入64路總線節(jié)點，每個節(jié)點最多可接63個監(jiān)測儀，可實現(xiàn)對多個位置的CO濃度實時監(jiān)測。系統(tǒng)總體技術(shù)路線如圖1所示。

1.1 硬件研制

硬件設(shè)計主要包括監(jiān)測儀電路設(shè)計、封裝結(jié)構(gòu)機械設(shè)計、CAN信號[7]轉(zhuǎn)換器、插卡式數(shù)據(jù)記錄儀。

1.1.1 監(jiān)測電路

監(jiān)測儀電路板用于承載CO傳感器、溫濕壓傳感器、單片機、顯示屏等電子器件，并建立電氣連接。為保證監(jiān)測儀小型化，電路板也應(yīng)盡可能小型化，電路板小型化也面臨著很多難點，主要是散熱和干擾問題。針對這些問題，通過優(yōu)化設(shè)計布局、精選電子元器件和降低功耗的方式解決。

選用STM32單片機[8]作為嵌入式控制中心，CO傳感器選用摻入了金屬氧化物的TGS5342[9-10]，溫濕壓傳感器選用BME280，集成運放選用TLV521，多路開關(guān)選用TS5A3359，顯示屏選用UG-2832HSWEG04，CAN總線收發(fā)器選用SN65HVD230芯片[7]，網(wǎng)絡(luò)收發(fā)選用W5500芯片[11]。將CO傳感器輸出的弱電流調(diào)理為電壓信號后，由STM32單片機負責A/D轉(zhuǎn)換并計算CO濃度。多路開關(guān)用于切換放大倍數(shù)，使低濃度數(shù)據(jù)有更好的分辨率。CO濃度和溫濕壓數(shù)據(jù)將顯示在OLED屏上，同時發(fā)送到CAN總線，邏輯圖和電路圖如圖2所示。

1.1.2 封裝結(jié)構(gòu)機械設(shè)計

封裝結(jié)構(gòu)是保證監(jiān)測儀小型化的關(guān)鍵，為減小CO監(jiān)測儀體積，專門對封裝結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計。重點是根據(jù)電路板、CO傳感器和顯示屏等元器件，考慮氣體擴散和防護，設(shè)計出了封裝結(jié)構(gòu)。

封裝結(jié)構(gòu)主要由電纜鎖緊頭、上下蓋和容器等組成。傳感器、電路板及顯示屏封裝于主體容器內(nèi)，上下蓋與主體容器用螺絲固定。上蓋裝配電纜鎖緊頭，用于電纜固定；下蓋布設(shè)多個小孔，使氣體能夠順利進入容器。封裝結(jié)構(gòu)效果和實物如圖3所示。

1.1.3 CAN信號轉(zhuǎn)換器

監(jiān)測儀輸出沒有采用4～20 mA的模擬信號而是采用了CAN總線信號，因為CAN總線信號具有實時性強、傳輸距離遠、抗干擾能力強、節(jié)點在錯誤嚴重情況下可自動退出總線等優(yōu)點，特別適合工業(yè)上各測控單元互聯(lián)，被認為是最有前途的現(xiàn)場總線協(xié)議[7]。

普通計算機不具備CAN總線接口，為了將CO監(jiān)測儀連接到計算機，制作了網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)CAN總線信號至網(wǎng)絡(luò)信號的轉(zhuǎn)換。其中STM32單片機作為控制中心，CAN總線收發(fā)器選用SN65HVD230芯片，網(wǎng)絡(luò)收發(fā)選用W5500芯片，繼電器選用HFE20。CAN信號轉(zhuǎn)換器除了實現(xiàn)CAN總線信號和網(wǎng)絡(luò)信號轉(zhuǎn)換外，還實現(xiàn)一路電源或者信號的通斷控制，當前端監(jiān)測儀或者系統(tǒng)出現(xiàn)異常時可以遠程控制重啟。邏輯圖和電路圖如圖4所示。

1.1.4 插卡式記錄儀

市面上的插卡式記錄儀（無紙記錄儀）一般只支持電流等模擬信號，不支持CAN總線信號，因此專門研制了插卡式記錄儀滿足離線記錄數(shù)據(jù)需求。記錄儀掛接在CAN總線上，由STM32單片機采集CAN總線上的監(jiān)測儀數(shù)據(jù)。電路本身保持準確時鐘，由超級電容作為后備電源[7]，保證系統(tǒng)掉電數(shù)日后時鐘不丟失。采集到的數(shù)據(jù)連同時間一起保存在存儲卡上，邏輯圖和電路圖如圖5所示。一個監(jiān)測儀按周期1 s記錄時，1 GB的存儲卡可記錄5年的數(shù)據(jù)。

1.1.5 監(jiān)測系統(tǒng)主要指標

最終研制出的小型CO監(jiān)測儀功耗為0.1 W，尺寸為φ2.5 cm×4 cm，體積約20 cm3；而市售傳感器尺寸一般為26 cm×16 cm×10 cm，體積約1 000 cm3。測量范圍可在（0～1 000）×10-6 m3/m3、（0～5 000）×10-6 m3/m3和（0～10 000）×10-6 m3/m3之間自動切換，測量分辨率為1×10-6 m3/m3，響應(yīng)時間小于30 s。研制監(jiān)測儀與市售監(jiān)測儀的對比如圖6所示。

1.2 軟件開發(fā)

1.2.1 嵌入式軟件

CO監(jiān)測儀及其配套設(shè)備的嵌入式軟件均基于自研的嵌入式操作系統(tǒng)XXOS編寫。XXOS是專門針對STM32系列單片機而開發(fā)，它提供了基于STM32單片機的設(shè)備驅(qū)動程序庫，為應(yīng)用程序提供了可靠的實時多任務(wù)環(huán)境，簡化和規(guī)范了應(yīng)用程序，降低了嵌入式軟件開發(fā)的復雜度和難度。嵌入式軟件存儲并運行在STM32單片機上，驅(qū)動STM32單片機實現(xiàn)特定功能，層次結(jié)構(gòu)如圖7所示。

嵌入式軟件根據(jù)實現(xiàn)功能的不同而有所區(qū)別，主要實現(xiàn)傳感器的數(shù)據(jù)讀取和處理，控制串行通信、CAN總線和網(wǎng)絡(luò)通信，驅(qū)動外圍設(shè)備，存儲相關(guān)參數(shù)和數(shù)據(jù)。

1.2.2 參數(shù)控制軟件

監(jiān)測儀和配套設(shè)備生產(chǎn)組裝完，需要將嵌入式程序?qū)懭雴纹瑱C，并對總線地址、IP地址等信息進行設(shè)置。軟件借助以太網(wǎng)與XXOS通信，可以查看CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通信狀態(tài)、任務(wù)?？臻g使用，控制CAN節(jié)點復位和跳轉(zhuǎn)，設(shè)置用戶參數(shù)，在線改寫用戶程序或值班程序。軟件界面如圖8所示。

1.2.3 數(shù)據(jù)采集與顯示軟件

軟件采用網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)實現(xiàn)對監(jiān)測儀的控制和通信。每路CAN總線可連接多個CO監(jiān)測儀，網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器將CAN總線信號轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)信號，軟件通過網(wǎng)絡(luò)可接收多路CAN總線數(shù)據(jù)。軟件接收到數(shù)據(jù)后，顯示數(shù)據(jù)、繪制曲線，并將數(shù)據(jù)存儲為文件。軟件優(yōu)化了總線通信程序，監(jiān)測儀未收到命令時主動發(fā)送數(shù)據(jù)與軟件通信，收到命令時再按照傳統(tǒng)的通信方式通信，這樣大大縮短了數(shù)據(jù)通信周期。以總線上連接64個

CO監(jiān)測儀為例，采用傳統(tǒng)的通信方式獲取全部監(jiān)測儀數(shù)據(jù)需要的時間大約為3 000 ms，現(xiàn)在只需要100 ms。軟件界面如圖9所示。

2 實驗驗證

應(yīng)用CO監(jiān)測系統(tǒng)前需要驗證其穩(wěn)定性和可靠性。本文設(shè)計了溫濕度和氣壓對傳感器的影響實驗，測試了監(jiān)測儀的示值誤差，同時該系統(tǒng)在某礦山得到實際應(yīng)用。

2.1 溫濕度和氣壓對傳感器的影響

溫濕度實驗在恒溫恒濕箱里進行，恒溫恒濕箱提供-20～45 ℃、10%～98%RH的環(huán)境。在上述環(huán)境中，CO監(jiān)測儀在空氣中和體積分數(shù)為2 300×10-6 m3/m3的標氣中的示值變化小于量程的0.1%。

氣壓變化對監(jiān)測儀影響比較明顯。圖10中將監(jiān)測儀放在798×10-6 m3/m3的標氣中，氣壓從700 kPa增加到1 500 kPa，監(jiān)測儀數(shù)值從700×10-6 m3/m3增加到1 450×10-6 m3/m3，其變化近似成線性。但在具體的某一個工作現(xiàn)場中，氣壓變化較小，一般小于3 kPa，監(jiān)測儀示值變化小于量程的0.1%，該影響可以在不確定度評定中考慮。

監(jiān)測儀集成了溫濕壓傳感器，不僅可以提供現(xiàn)場的溫濕壓數(shù)據(jù)，也可以保證CO濃度數(shù)據(jù)的準確性。

2.2 測試考核

采用濃度分別為919×10-6 m3/m3、2 467×10-6 m3/m3和9 631×10-6 m3/m3的CO標準氣體對小型化監(jiān)測儀進行測試，測量結(jié)果見表1所列。結(jié)果表明：監(jiān)測儀的偏差小于3.5%，優(yōu)于電化學傳感器國家標準中10%的偏差要求。測試過程中曲線變化一致，說明監(jiān)測儀的一致性較好。

2.3 應(yīng)用測試

在某礦山布設(shè)了5個CO監(jiān)測儀，其中監(jiān)測點2因工作需要位于直徑40 mm、深20 m的鉆孔中（該處監(jiān)測點是市售監(jiān)測儀無法安裝的），測量結(jié)果如圖11所示。在工作現(xiàn)場CO監(jiān)測儀、CAN總線轉(zhuǎn)換器、測控軟件、供電和遠程傳輸均工作穩(wěn)定，獲取了大量有效數(shù)據(jù)，這表明CO監(jiān)測儀現(xiàn)場應(yīng)用是成功的。CO濃度變化來自于礦車作業(yè)，從圖中可以看出部分測點的CO濃度長時間超過了16×10-6 m3/m3（國標推薦值20 mg/m3換算成現(xiàn)場工況條件下的體積分數(shù)為16×10-6 m3/m3），人員如果在該環(huán)境下長期工作具有一定的危險性，因此通過監(jiān)測CO濃度進行現(xiàn)場示警是有必要的，礦山可根據(jù)監(jiān)測結(jié)果進一步改善空氣質(zhì)量。

3 結(jié) 語

本文立足嵌入式技術(shù)，通過STM32單片機、CAN總線技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)了對CO濃度的實時監(jiān)測。實驗證明，本文系統(tǒng)具有可靠性高、體積小、量程范圍寬、可網(wǎng)絡(luò)化集群布設(shè)的優(yōu)點，且具有遠程監(jiān)控的功能。系統(tǒng)創(chuàng)新性地采用CAN總線作為通信協(xié)議，不僅增強了抗干擾性，而且不會因為故障傳感器影響系統(tǒng)通信。該成果可應(yīng)用于礦山、化工、鋼鐵、冶金和大氣環(huán)境監(jiān)測等行業(yè)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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作者簡介：劉現(xiàn)收（1983—），男，河南濮陽人，高級工程師，就職于西北核技術(shù)研究所，研究方向為測量技術(shù)與儀器。

收稿日期：2023-05-07 修回日期：2023-06-05