基于微控制器的便攜式多氣體檢測儀研制

歐陽健強 李建 楊文龍 吳富姬

摘要：為預(yù)防礦山中毒窒息事故的發(fā)生，研制基于微控制器的便攜式多氣體檢測儀，將微處理器、氣體傳感器、顯示屏、按鍵、集成電路集成儀器。經(jīng)應(yīng)用，解決礦山面臨的安全困擾。

關(guān)鍵詞：微控制器;便攜;多氣體;檢測儀

中圖分類號：TH832 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）12-0137-02

1 研究背景、目的意義

目前，金屬開采地下礦山與非金屬開采地下礦山的事故時有發(fā)生，安全生產(chǎn)方面形勢極其嚴峻。為了有效的預(yù)防中毒窒息事故的發(fā)生，當(dāng)前礦山生產(chǎn)主要采取的應(yīng)對措施之一是配備便攜式氣體檢測報警儀，作業(yè)工人入礦山井下采場等工作場所時，檢測有毒氣體與有害氣體濃度。為了有效規(guī)范礦山行業(yè)發(fā)展，預(yù)防事故發(fā)生，國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局也出臺了安全生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對佩帶氣體檢測儀下井做出強制要求。本文研究與設(shè)計一種基于微控制器和電化學(xué)傳感器的便攜式多氣體檢測儀，可應(yīng)用于金屬非金屬地下礦山的主要有毒有害氣體濃度檢測。當(dāng)作業(yè)工人佩帶此便攜式多氣體檢測儀進入采場等場所作業(yè)時，如遇到有毒氣體、有害氣體的濃度數(shù)值超標(biāo)，該便攜式多氣體檢測儀能發(fā)出報警信號，告知人員及時撤離，可有效預(yù)防事故的發(fā)生。

2 檢測儀硬件設(shè)計與實現(xiàn)

多氣體檢測儀硬件電路主要由充電電路、電壓轉(zhuǎn)換電路、運算放大電路、液晶屏顯示電路、語音播報電路、按鍵電路、報警指示電路、核心芯片電路等組成。氣體傳感器選用電化學(xué)氣體傳感器，該傳感器具有尺寸小巧，快速響應(yīng)及恢復(fù)，可適應(yīng)極端溫度和濕度環(huán)境的特點。使用AD8607、LT6001、LM358等作為傳感器信號放大芯片。三路氣體傳感器的微弱電信號經(jīng)過運算放大電路放大后進入核心信號處理器的ADC（模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器）接口，氣體的濃度數(shù)據(jù)信號經(jīng)處理后通過液晶屏幕模塊進行顯示。充電電路采用TP4056芯片為鋰電池提供恒流或者恒壓方式充電，充電的電流為1A，并具有過充保護。供電電源為3.7V電壓等級可充電式鋰離子電池，電池經(jīng)轉(zhuǎn)換電路后為核心處理器及各電路供電。同時，電路具有5位按鍵，用于開機，參數(shù)設(shè)置和語音播報等功能。有2個LED指示燈，一個用于報警指示（紅色頻閃），一個用于充電指示（充電時紅色，充滿時綠色）。一個蜂鳴器用于報警發(fā)聲。液晶（LCD）顯示屏的作用是顯示氣體濃度參數(shù)及其他人與檢測儀的交互界面。用戶可通過按鍵觸發(fā)語音播報功能，該功能通過語音合成芯片將氣體濃度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為語音數(shù)據(jù)，并通過揚聲器播報。核心信號處理器使用STM32F1系列芯片，具有睡眠模式、待機模式和停機模式等幾種低功耗模式。液晶顯示屏使用點陣液晶屏，該液晶屏自帶字庫IC，同時具有低功耗的特點。中文播報式語音處理器使用語音芯片，該芯片采用異步串口（UART）的通訊模式，接收等待進行合并播放的文本信息，實現(xiàn)由文本信息到語音數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化。

3 檢測儀軟件設(shè)計

本檢測儀的軟件采用模塊化的設(shè)計結(jié)構(gòu)進行編程，軟件主要包含氣體濃度信號采集軟件、顯示軟件、按鍵軟件、報警軟件、語音播報軟件、實時時鐘軟件、存儲軟件等多個模塊組成。軟件總體架構(gòu)如圖1所示。本檢測儀軟件基于KEIL μVision4軟件開發(fā)環(huán)境平臺進行模塊化編寫，軟件各模塊結(jié)構(gòu)合理、語句精煉，可充分體現(xiàn)硬件的效能。

主流程軟件采用循環(huán)模式運行，檢測儀開機后軟件啟動并開始，軟件首先進行各項相關(guān)數(shù)據(jù)的的初始化操作，隨后開始進行各通道數(shù)據(jù)的采集，因為數(shù)據(jù)采用連續(xù)采集模式，采集間隔非常短，而數(shù)據(jù)經(jīng)過放大后存在一定的波動，采用中位值平均濾波算法進行處理，處理完成的信號可直接用于顯示輸出。氣體檢測儀循環(huán)判斷被檢測數(shù)據(jù)是否超標(biāo)，當(dāng)檢測到數(shù)據(jù)超標(biāo)時，系統(tǒng)將執(zhí)行報警提示模塊子程序軟件，如未超標(biāo)，則執(zhí)行播報按鍵檢測程序。如檢測到播報按鍵按下，系統(tǒng)將執(zhí)行按鍵模塊子程序軟件，如未檢測到播報按鍵按下，則執(zhí)行設(shè)置按鍵檢測程序。如檢測到設(shè)置按鍵按下，系統(tǒng)將執(zhí)行設(shè)置模塊子程序軟件，如未檢測到設(shè)置按鍵按下，則重新進入采集程序模塊，軟件依次無限循環(huán)。

4 檢測儀外觀及結(jié)構(gòu)設(shè)計與零部件加工

本研究針對便攜式多氣體檢測儀進行了多套外觀方案設(shè)計，經(jīng)綜合對比，選擇一款采用上部放置側(cè)面放置傳感器，上部正面放置揚聲器，中部放置指示燈及屏幕，下部放置按鍵的布局，傳感器布局使用并排設(shè)計，透氣孔采用圓形孔陣，按鍵采用十字形布局設(shè)計，并在產(chǎn)品的角位置設(shè)置包膠，具有一定的防摔保護作用，該設(shè)計總體結(jié)構(gòu)緊湊合理，時尚穩(wěn)重。

本研究使用先進的三維設(shè)計軟件對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計、零件裝配及可行性驗證，以提高產(chǎn)品的設(shè)計效率，壓縮產(chǎn)品開發(fā)周期。經(jīng)過多款結(jié)構(gòu)設(shè)計對比，最終采用上部側(cè)方放置傳感器，中下部放置主電路板，其中顯示屏位于中部，按鍵位于下部的布局結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)布局緊湊合理，傳感器位于前部側(cè)面，人員手持該檢測儀行走時，行走速度可對前側(cè)面產(chǎn)生負壓，該負壓可助于傳感器最快時間接觸被測空氣，及時反饋被測空氣情況。顯示屏及按鍵位于下部可較便于觀測和操作。

經(jīng)過三維軟件對零件的裝配及可行性驗證后，可進入加工工序，便攜式多氣體檢測儀需要加工的外殼模型主要分為三部分：前殼體，后蓋，面板。為縮短產(chǎn)品成型時間及降低加個成本，本研究檢測儀的前殼體及后蓋采用3D打印技術(shù)加工，面板使用PC材料，采用CNC工藝加工而成。

5 檢測儀的標(biāo)定與測試

為了保證檢測儀檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要對檢測儀進行標(biāo)定，本檢測儀使用潔凈空氣作為零點標(biāo)定基準(zhǔn)，使用不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體作為其它基準(zhǔn)測點的標(biāo)定基準(zhǔn)。零點標(biāo)定的目的確定檢測儀標(biāo)校斜率線的零點。本檢測儀的零點標(biāo)定方法是將檢測儀暴露在潔凈空氣中，認為潔凈空氣中一氧化碳和二氧化氮的濃度值為0，認為氧氣的濃度值為20.9%，以此氣體環(huán)境來標(biāo)定檢測儀的零點?；鶞?zhǔn)測點濃度，一氧化碳的標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度值為1000ppm，二氧化氮的標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度值為50ppm，氧氣的標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度值為18.2%，以此氣體環(huán)境來標(biāo)定檢測儀的基準(zhǔn)測點。將檢測儀與標(biāo)定氣帽連接，往標(biāo)定氣帽分別通標(biāo)準(zhǔn)氣體，為了保證標(biāo)準(zhǔn)氣體的滲透強度，標(biāo)準(zhǔn)氣體的流量需>200升每分鐘，標(biāo)定時間需>5分鐘。在氣體標(biāo)定實驗平臺的上位軟件設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)氣體的流量，本標(biāo)定使用的流量為500L/Min，標(biāo)定時間為10分鐘。

在完成檢測儀的標(biāo)定工作之后，將對檢測儀進行一系列的測試工作，以測試檢測儀的精度、穩(wěn)定性及耐久性等數(shù)據(jù)。本研究將對檢測儀進行通標(biāo)準(zhǔn)氣體測量精確度測試，電磁干擾測試及充放電測試等測試工作。檢測儀在經(jīng)過標(biāo)定、通標(biāo)氣校驗、干擾實驗及充電放電實驗等多個環(huán)境測試，檢測儀總體表現(xiàn)較好。檢測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，誤差小;在工頻磁場干擾環(huán)境下表現(xiàn)穩(wěn)定;鋰電池工作穩(wěn)定，待機時長超過設(shè)計需求。效果達到了預(yù)期的要求。

6 結(jié)語

目前，改檢測儀經(jīng)過試用和改進，已應(yīng)用于礦山相關(guān)場所的氣體環(huán)境安全檢測。該檢測儀采用微控制器、電化學(xué)氣體傳感器為核心，結(jié)合顯示屏、按鍵、聲光報警元件、鋰電池等開發(fā)檢測儀成套系統(tǒng)，運用三維設(shè)計軟件設(shè)計產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，3D打印技術(shù)等加工產(chǎn)品外殼，檢測儀得到了高效的開發(fā)并快速應(yīng)用，經(jīng)長期礦山現(xiàn)場試驗反饋，達到了較好的應(yīng)用效果，提高了地下礦山生產(chǎn)的安全水平。

參考文獻

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Development of? Portable Multi-Gas Detector Based on Microcontroller

OUYANG Jian-qiang1.2，LI Jian1.2，YANG Wen-long1.2，WU Fu-ji1.2

（1.Ganzhou Institute of? non ferrous metallurgy， Ganzhou? Jiangxi? 341000;2.industrial design center of? nonferrous metals mining and smelting equipment， Ganzhou Institute of? nonferrous metallurgy， Ganzhou? Jiangxi? 341000）

Abstract：In order to prevent the occurrence of poisoning and suffocation accidents in mines， a portable multi gas detector based on microcontroller is developed， which integrates microprocessor， gas sensor， display screen， button and integrated circuit. Through application， the safety problems faced by the mine are solved.

Key words：microcontroller; portable; multi gas; detector