劉江霞，范寶德

(1．煙臺(tái)大學(xué)工程實(shí)訓(xùn)中心，山東煙臺(tái)　264005；2．煙臺(tái)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，山東煙臺(tái)　264005)

0　引言

國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局于2007年1月1日發(fā)布的中華人民共和國(guó)安全生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《AQ 1029—2007：煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)及檢測(cè)儀器使用管理規(guī)范》中規(guī)定：“礦長(zhǎng)、技術(shù)負(fù)責(zé)人、爆破工、采掘區(qū)隊(duì)長(zhǎng)、通風(fēng)區(qū)隊(duì)長(zhǎng)、工程技術(shù)人員、班長(zhǎng)、流動(dòng)電鉗工、安全監(jiān)測(cè)工下井時(shí)，必須攜帶便攜式甲烷檢測(cè)報(bào)警儀或甲烷檢測(cè)報(bào)警礦燈。瓦斯檢查工下井時(shí)必須攜帶便攜式甲烷檢測(cè)報(bào)警儀和光學(xué)甲烷檢測(cè)儀”。為了保障煤礦中正常的生產(chǎn)過(guò)程和井下人員的生命安全，不僅需要檢測(cè)煤礦中的瓦斯?jié)舛?，還要檢測(cè)其他的環(huán)境參數(shù)(比如溫度、CO、CO2等)[1]。在2011年國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局和國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局聯(lián)合修訂的《煤炭安全規(guī)程》中明確給出了礦井有害氣體最高允許濃度及檢測(cè)方式的相關(guān)規(guī)定。因此，需要設(shè)計(jì)一款多功能的便攜式環(huán)境參數(shù)檢測(cè)儀，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)瓦斯?jié)舛葯z測(cè)的功能，還能實(shí)現(xiàn)溫度、CO、CO2的檢測(cè)，并對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字顯示、存儲(chǔ)及傳輸。

1　系統(tǒng)整體功能設(shè)計(jì)

煤礦多功能便攜檢測(cè)儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。檢測(cè)儀以ARM芯片STM32F107VCT6為核心，以MH-440V/D紅外瓦斯傳感器、MH-410V/D紅外CO2傳感器、ME2-CO型電化學(xué)CO傳感器、DS18B20數(shù)字式溫度傳感器為檢測(cè)元件，采用4.8 V/4 500 mAh的鎳氫電池供電并具有低電壓報(bào)警功能，具有電源管理電路、聲光報(bào)警電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC、按鍵及LCD顯示電路，不僅實(shí)現(xiàn)了溫度、瓦斯?jié)舛取O2濃度、CO濃度的檢測(cè)功能，還實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)存儲(chǔ)以及可以滿足各種應(yīng)用的通信接口(CAN總線、ZigBee[2]、USB、以太網(wǎng))。

圖1　檢測(cè)儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2　系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2．1MCU及LCD、RTC、按鍵電路設(shè)計(jì)

STM32F107VCT6是一款基于CortexTM-M3的32位ARM內(nèi)核的MCU，主頻可達(dá)72 MHz，具有256 KB的Flash和64 KB的SRAM，具有2×12位1 μs的A/D轉(zhuǎn)換器 (16通道)、2 × 12位的D/A轉(zhuǎn)換器、12通道的DMA控制器，多達(dá)80個(gè)快速I(mǎi)/O接口和10個(gè)定時(shí)器，并有多達(dá)14個(gè)通信接口(2個(gè)I2C，5個(gè)USART，3個(gè)SPI，2個(gè)CAN，1個(gè)USB 2．0，1個(gè)10/100M以太網(wǎng) MAC)。具有高度集成的內(nèi)部功能，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。STM32F107VCT6的復(fù)位、晶振電路、RTC、LCD、按鍵與MCU的連接關(guān)系如圖2所示。

圖2　按鍵、LCD、RTC、晶振及復(fù)位電路

系統(tǒng)的LCD顯示屏采用3.3 V供電的5.7英寸帶中文字庫(kù)的液晶屏ZLG320240T，其顯示精度為320×240點(diǎn)陣，采用8位并行數(shù)據(jù)線方式與MCU的PE0～PE8相連，用來(lái)動(dòng)態(tài)顯示當(dāng)前環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，也可以顯示需要查詢的歷史數(shù)據(jù)。LCD的控制電路具有LCD自動(dòng)斷電的節(jié)電方式，由MCU的PC3控制，當(dāng)需要查看LCD屏?xí)r，通過(guò)按動(dòng)開(kāi)屏鍵點(diǎn)亮LCD，如果超過(guò)一定時(shí)間(此時(shí)間可用按鍵設(shè)定)沒(méi)有操作按鍵，LCD將自動(dòng)斷電，實(shí)現(xiàn)節(jié)電功能。RTC電路使用MCU內(nèi)部集成的RTC模塊，外接32.768 kHz晶振及紐扣電池，為系統(tǒng)提供精確的時(shí)間信息，將采集的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)采集的時(shí)間信息綁定一起顯示或存儲(chǔ)，也為歷史數(shù)據(jù)的查詢提供方便。除了復(fù)位鍵外，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)有4個(gè)獨(dú)立的按鍵，分別是LCD顯示鍵、增量鍵、減量鍵、設(shè)定/確認(rèn)鍵，通過(guò)MCU的PC6～PC9管理，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)鐘信息的調(diào)整、LCD自動(dòng)斷電時(shí)間的調(diào)整、查詢?cè)O(shè)定等功能。

2．2電源管理、聲光報(bào)警及SD卡電路設(shè)計(jì)

多功能檢測(cè)儀的電源管理及電池欠壓檢測(cè)電路、聲光報(bào)警電路和SD卡電路如圖3所示。

圖3　電源管理、聲光報(bào)警及SD卡電路

系統(tǒng)設(shè)計(jì)有SD卡接口，檢測(cè)儀檢測(cè)的數(shù)據(jù)會(huì)被自動(dòng)存儲(chǔ)到SD卡中。檢測(cè)儀在使用過(guò)程中不間斷地檢測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)，由于環(huán)境參數(shù)變化很緩慢以及人員移動(dòng)速度有限，因此將向存儲(chǔ)卡中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)采用每隔1 s存儲(chǔ)1次，存儲(chǔ)的值為1 s內(nèi)各個(gè)檢測(cè)數(shù)據(jù)的平均值，即節(jié)省了存儲(chǔ)空間，又提高了檢測(cè)精度。

檢測(cè)儀系統(tǒng)采用4.8 V/4 500 mAh的可充電的鎳氫電池供電，通過(guò)LM1117-3V3將電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V為整個(gè)系統(tǒng)供電。電路設(shè)計(jì)有充電接口，并將電池電壓采用2個(gè)0.1%的精密電阻分壓后進(jìn)入MCU的AD引腳PC0進(jìn)行采集，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池電量的監(jiān)視，除在液晶屏上實(shí)時(shí)顯示電量外，當(dāng)電池電量過(guò)低時(shí)MCU通過(guò)引腳PB15控制LED燈閃爍報(bào)警，提示管理員及時(shí)充電。

聲光報(bào)警電路由蜂鳴器和發(fā)光二極管組成，使用MCU的PB9引腳控制。當(dāng)檢測(cè)的環(huán)境參數(shù)超標(biāo)時(shí)自動(dòng)進(jìn)行聲光報(bào)警，為了區(qū)分不同物理量超標(biāo)的情況，報(bào)警電路采用不同的頻率進(jìn)行報(bào)警。

2．3傳感器接口電路

多功能檢測(cè)儀可實(shí)現(xiàn)溫度、甲烷、CO2和CO的檢測(cè)，4種傳感器接口電路圖如圖4所示。

圖4　傳感器接口電路圖

瓦斯傳感器選用MH-440V/D紅外氣體傳感器，是一款通用智能的微型傳感器，該傳感器利用非色散紅外(NDIR)原理對(duì)空氣中存在的CH4進(jìn)行探測(cè)，具有很好的選擇性，無(wú)氧氣依賴(lài)性，性能穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)。內(nèi)置溫度傳感器，可進(jìn)行溫度補(bǔ)償。工作電壓范圍為DC 3～5 V，測(cè)量范圍0～100%vol范圍內(nèi)可選，分辨率1%FSD，預(yù)熱時(shí)間90 s，具有模擬和數(shù)字輸出方式，系統(tǒng)使用數(shù)字輸出形式將傳感器連接到MCU的USART1(PA9和PA10引腳)上。

CO2傳感器選用MH-410V/D NDIR紅外氣體傳感器，該傳感器也是利用NDIR原理對(duì)空氣中存在的CO2進(jìn)行探測(cè)，特點(diǎn)與MH-440V/D類(lèi)似，也具有模擬和數(shù)字輸出方式，系統(tǒng)使用數(shù)字輸出形式將傳感器連接到MCU的USART2(PD5和PD6引腳)上。傳感器工作電壓為4.5～5.5 V，系統(tǒng)中采用4.8 V電池直接供電，輸出信號(hào)范圍為0.4～2 V，因此不會(huì)影響3.3V的MCU與其通信。

CO傳感器選用ME2-CO型電化學(xué)傳感器，其根據(jù)電化學(xué)的原理工作，利用待測(cè)氣體在電解池中工作電極電位上的電化學(xué)氧化過(guò)程，待測(cè)氣體電化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的電流與其濃度呈正比并遵循法拉第定律，通過(guò)測(cè)定電流的大小就可以確定待測(cè)氣體的濃度。傳感器為模擬電流型輸出，輸出靈敏度為(0.015±0.005) μA/ppm，需要采用信號(hào)調(diào)理電路將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，然后連接到MCU的AD引腳PB0上進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

溫度傳感器選用DS18B20數(shù)字式溫度傳感器，其具有單總線接口數(shù)字輸出方式，分辨率為9～12位可選，只需占用MCU的1個(gè)I/O引腳，系統(tǒng)中使用了MCU的PB1引腳與傳感器信號(hào)引腳相連。供電范圍為3.0～5.5 V，測(cè)溫范圍為-5～125 ℃。

2．4通信接口電路

多功能檢測(cè)儀設(shè)計(jì)有多種通信接口，可以通過(guò)USB、CAN、以太網(wǎng)等有線方式或ZigBee無(wú)線方式與外界通信，通信接口電路圖如圖5所示?？梢詫?shí)現(xiàn)多機(jī)聯(lián)網(wǎng)，也可以使用礦井中的CAN總線網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)以太網(wǎng)由井下直接將數(shù)據(jù)傳送到地面監(jiān)控室，還可以通過(guò)USB方式與PC機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究和發(fā)展，為了適應(yīng)礦井物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的要求[3]，檢測(cè)儀設(shè)計(jì)了基于ZigBee的無(wú)線通信接口，以便將來(lái)在井下能夠無(wú)縫融入到基于ZigBee的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)[4]中去。

圖5　通信接口電路圖

STM32F107VCT6內(nèi)部集成了一個(gè)USB2．0控制器、2個(gè)CAN控制器、1個(gè)10/100M以太網(wǎng)MAC，在電路設(shè)計(jì)時(shí)只需外接USB接頭、CAN收發(fā)器和以太網(wǎng)接口芯片就可以實(shí)現(xiàn)接口功能。CAN收發(fā)器采用了適合3.3 V系統(tǒng)的帶隔離的收發(fā)芯片CTM8251AT，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)并提高了儀器的抗干擾能力。以太網(wǎng)接口芯片選用了10/100M以太網(wǎng)物理層收發(fā)器DP83848。ZigBee通信采用了第二代片上系統(tǒng)CC2530F256芯片[5]，具有內(nèi)置8051微處理器核、256 KB的FLASH、8 KB的RAM、5通道的DMA、8通道12位的ADC、21個(gè)通用I/O接口、支持精確的數(shù)字RSSI/LQI[6]、2個(gè)USART等功能，除了收發(fā)模式外具有3種節(jié)電模式。ARM通過(guò)SPI接口與CC2530F256通信，由CC2530F256實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)功能，兩者組成雙MCU系統(tǒng)。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括ARM芯片STM32F107VCT6和ZigBee片上系統(tǒng)CC2530F256的程序設(shè)計(jì)。ARM芯片軟件設(shè)計(jì)使用RealView MDK軟件作為開(kāi)發(fā)工具[7]，由于系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、顯示、存儲(chǔ)、通信(CAN、USB、以太網(wǎng)、ZigBee)、按鍵管理、時(shí)鐘管理、報(bào)警等復(fù)雜功能，因此采用了基于優(yōu)先級(jí)搶占、多任務(wù)、可裁剪的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OS-II[8]，并移植了LwIP (Light Weight)P) 嵌入式TCP/IP協(xié)議棧，程序框架如圖6所示。uC/OS-II可管理多達(dá)64個(gè)任務(wù)，可以設(shè)置各個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，可以為每個(gè)任務(wù)分配獨(dú)立的堆?？臻g，實(shí)現(xiàn)快速的任務(wù)切換，保證各個(gè)任務(wù)獨(dú)立工作、不起沖突。

圖6　ARM芯片的程序框架

CC2530F256的軟件設(shè)計(jì)使用的開(kāi)發(fā)環(huán)境為IAR-EW8051，采用了免費(fèi)的ZigBee協(xié)議棧Z-Stack 2．3．1，主要實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)初始化、ZigBee網(wǎng)絡(luò)搜索及網(wǎng)絡(luò)加入、數(shù)據(jù)的無(wú)線收發(fā)、與ARM通信等功能，ZigBee系統(tǒng)主流程圖如圖7所示。

圖7　ZigBee系統(tǒng)主流程圖

4　結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一款煤礦用、多功能、多網(wǎng)絡(luò)接口、便攜式的環(huán)境參數(shù)檢測(cè)儀，重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計(jì)。檢測(cè)儀可以對(duì)煤礦井下的瓦斯、溫度、CO和CO2移動(dòng)采集、存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)顯示報(bào)警，并具有隔離的CAN接口、以太網(wǎng)接口、USB接口，可以直接連接到煤礦井下已有的各種網(wǎng)絡(luò)上，而且為滿足礦井物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展要求，設(shè)計(jì)了基于CC2530的ZigBee網(wǎng)絡(luò)接口，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸及組網(wǎng)功能。

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