徐大詔，李正明，劉　軍

(1．江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江　212013；2．江蘇財(cái)經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械與電子工程系，江蘇淮安　223003)

1　多氣體檢測(cè)儀的總體設(shè)計(jì)與工作原理

在多氣體檢測(cè)儀中，利用對(duì)應(yīng)傳感器分別把瓦斯氣體濃度、氧氣濃度、一氧化碳濃度、硫化氫濃度轉(zhuǎn)換為相應(yīng)大小的模擬電信號(hào)，再經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路把微弱的傳感器電信號(hào)放大到伏特級(jí)，然后送入STM32F103處理器內(nèi)部集成的ADC模塊的輸入端，經(jīng)片內(nèi)ADC模塊把端口的電壓模擬量轉(zhuǎn)化成為STM32F103處理器可識(shí)別的數(shù)字量。STM32F103處理器把這些數(shù)字量進(jìn)行數(shù)字處理后，將得到的各氣體體積濃度送入OLCD進(jìn)行顯示，同時(shí)存入SD卡，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的分析[1]。當(dāng)達(dá)到預(yù)警值的時(shí)候，則啟動(dòng)聲光報(bào)警。按鍵主要是用來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，比如時(shí)間的設(shè)定，預(yù)警值的修改。此外，通過(guò)擴(kuò)展CAN總線接口，使得檢測(cè)儀具備了遠(yuǎn)程通信的能力，以便與監(jiān)控中心進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?？傮w設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

2　多氣體檢測(cè)儀的硬件電路設(shè)計(jì)

礦用多氣體檢測(cè)儀的硬件電路主要由微控制器最小硬件電路、信號(hào)采集與調(diào)理電路、人機(jī)交互電路、報(bào)警電路、SD卡存儲(chǔ)電路、CAN總線接口電路和電源供電部分組成。

2．1微控制器的選擇與最小硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用STM32F103VET6型號(hào)的處理器，其內(nèi)核工作頻率可高達(dá)72 MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器，豐富的I/O端口和大量連接到兩條內(nèi)部APB總線的外設(shè)，包含3個(gè)16通道12位ADC、4個(gè)16位普通定時(shí)器、2個(gè)高級(jí)定時(shí)器和1個(gè)RTC，這個(gè)RTC是一個(gè)獨(dú)立的定時(shí)器，在相應(yīng)軟件的配置下，可提供時(shí)間日歷的功能。此外，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：3個(gè)SPI接口、2個(gè)I2C接口、5個(gè)USART接口、2個(gè)I2S接口、一個(gè)USB接口，一個(gè)SDIO接口和一個(gè)CAN接口[2]。由于其內(nèi)部資源十分豐富，使得系統(tǒng)硬件電路體積大幅減小，可靠性提高。這也是選用此款控制芯片的主要原因。其最小硬件系統(tǒng)如圖2所示。

圖2　最小硬件電路圖

2．2井下氣體濃度采集電路的設(shè)計(jì)

根據(jù)我國(guó)大多數(shù)礦井的氣體含量的分析，選擇氣體傳感器的具體型號(hào)如下：MJC4/3．0L型催化元件瓦斯傳感器、ME3-O2電化學(xué)氧氣傳感器、ME4-CO電化學(xué)一氧化碳傳感器、ME4-H2S電化學(xué)硫化氫傳感器。

MJC4/3．0L型催化元件瓦斯傳感器體積小，價(jià)格合理；橋路輸出電壓呈線性，響應(yīng)速度快；具有良好的重復(fù)性、選擇性；元件工作穩(wěn)定、可靠，并且能夠抗H2S中毒。它由檢測(cè)元件(黑元件)和補(bǔ)償元件(白元件)配對(duì)組成電橋的兩個(gè)橋臂，在瓦斯?jié)舛葹榱愕沫h(huán)境里，黑白元件的阻值都隨著溫度的變化而變化，此時(shí)電橋處于平衡狀態(tài)，輸出電壓信號(hào)為零。當(dāng)空氣中的瓦斯?jié)舛炔粸榱銜r(shí)，黑元件吸收熱量升溫，使其阻值增大，從而使得電橋失去平衡，產(chǎn)生一個(gè)與甲烷濃度成正比的電壓信號(hào)[3]。由于此電壓信號(hào)為mV級(jí)信號(hào)，經(jīng)過(guò)儀表放大器AD623放大以后，才能進(jìn)入微控制器STM32F103的A/D轉(zhuǎn)換模塊。瓦斯傳感器信號(hào)調(diào)理電路如圖3所示。

其他3種傳感器都為電化學(xué)氣體傳感器，它們都以恒定電位電解為基本工作原理，其輸出端產(chǎn)生的電流與被檢測(cè)氣體濃度呈正比例變化，經(jīng)過(guò)電流電壓變換放大電路后才能送至STM32F103的A/D轉(zhuǎn)換模塊輸入。在圖3中，采用高精度運(yùn)算放大器LMP7221，電路可使傳感器工作電極WE和參考電極RE之間的電壓恒定，從而保證氣體濃度的變化與工作電極的電流成正比。加入場(chǎng)效應(yīng)管后，如果電路工作時(shí)斷電，可保證工作電極與參考電極短路，再次加電工作時(shí)，減少電化學(xué)傳感器的啟動(dòng)時(shí)間。由于硫化氫、氧氣傳感器信號(hào)調(diào)理電路與CO類似，只是在電路調(diào)試時(shí)，對(duì)個(gè)別元件參數(shù)做少許調(diào)整。V瓦斯、VO2、VCO、VH2S分別表示4種氣體經(jīng)過(guò)調(diào)理電路進(jìn)入STM32F103片內(nèi)A/D模塊的輸入電壓，如圖3所示。

圖3　井下氣體濃度和溫濕度采集電路

2．3井下溫濕度采集電路的設(shè)計(jì)

為了采集井下環(huán)境的溫濕度，設(shè)計(jì)采用了Sensirion公司最近推出的一種可以同時(shí)測(cè)量濕度和溫度的集成傳感器SHT11，將溫濕度傳感器、信號(hào)放大調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、I2C總線接口全部集成于一芯片，不需外圍元件直接輸出經(jīng)過(guò)標(biāo)定的相對(duì)濕度和溫度的數(shù)字信號(hào)，具有精度高、成本低、體積小、接口簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，可以有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)溫濕度傳感器的不足。傳感器的數(shù)字輸出是通過(guò)兩線數(shù)字接口直接連到控制器PB6、PB7(I2C接口)上去，便于進(jìn)行系統(tǒng)集成。溫濕度采集電路如圖3所示。

2．4人機(jī)交互電路的設(shè)計(jì)

人機(jī)交互電路由顯示電路和按鍵電路構(gòu)成。顯示電路用來(lái)顯示礦井環(huán)境的實(shí)時(shí)信息，包括4種氣體的濃度、當(dāng)前時(shí)間(包括年、月、日)以及環(huán)境的溫濕度。為了兼顧低功耗和井下顯示醒目，顯示電路采用了OLCD顯示，而不是普通的液晶顯示，OLCD是比液晶顯示技術(shù)更為先進(jìn)的新一代平板顯示技術(shù)，是被業(yè)界公認(rèn)為最具發(fā)展前景的下一代顯示技術(shù)。它與液晶顯示技術(shù)相比，具有超輕薄、高亮度、廣視角、自發(fā)光、響應(yīng)速度快、適應(yīng)溫度范圍寬、抗震強(qiáng)、功耗低、可實(shí)現(xiàn)柔軟顯示等優(yōu)越性能[4]，非常適合在礦井使用。選用VGG12864G-S002 OLCD顯示模塊，該模塊可以直接與微處理器相連，接口電路簡(jiǎn)單，內(nèi)置驅(qū)動(dòng)升壓電路，用戶只需提供VDD(VDD=3.3 V)即可，使用方便。

按鍵電路既可以用來(lái)對(duì)各種氣體濃度預(yù)警值的修改，又可實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間的設(shè)置。通過(guò)K1鍵實(shí)現(xiàn)修改項(xiàng)目的切換，K2鍵實(shí)現(xiàn)參數(shù)的增加，K3鍵實(shí)現(xiàn)參數(shù)的減小，K4鍵實(shí)現(xiàn)參數(shù)的保存。系統(tǒng)的人機(jī)交互電路如圖4所示。

2．5SD卡存儲(chǔ)電路

SD卡用來(lái)存儲(chǔ)井下環(huán)境數(shù)據(jù)，通過(guò)讀卡器把數(shù)據(jù)讀入PC機(jī)，以便對(duì)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的分析。SD卡有存儲(chǔ)容量大、成本低、讀寫(xiě)速度快的優(yōu)點(diǎn)，正逐漸成為存儲(chǔ)設(shè)備的主流。其訪問(wèn)方式有2種：SPI模式和SDIO模式。文中選用SPI模式，其接口電路如圖4所示。

2．6報(bào)警電路

為了增強(qiáng)報(bào)警效果，檢測(cè)儀采用聲光同時(shí)報(bào)警的方式。聲音報(bào)警采用電磁式有源一體5 V高分貝蜂鳴器 HYT-1205，該蜂鳴器體積小，耐高溫，分貝高(達(dá)到85 dB)，通過(guò)控制STM32F103的PC11輸出脈沖信號(hào)使其發(fā)聲；發(fā)光報(bào)警采用超高亮度發(fā)光二極管，發(fā)光強(qiáng)度120 000～180 000 mcd，通過(guò)控制STM32F103的PC10輸出脈沖信號(hào)使其閃爍，從而達(dá)到報(bào)警的效果。報(bào)警電路如圖4所示。

2．7CAN總線接口電路

CAN總線接口可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)儀與監(jiān)控中心的遠(yuǎn)距離可靠通信，可以掛接到整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)中。由于STM32F103內(nèi)部集成了CAN控制器，因此采用STM32構(gòu)成CAN總線硬件電路非常簡(jiǎn)單，只要擴(kuò)展一片CAN驅(qū)動(dòng)器即可。CAN驅(qū)動(dòng)器的種類有很多種，這里采用MCP2551收發(fā)芯片。為了提高總線通信的穩(wěn)定性和抗干擾能力，CAN控制器的RX和TX引腳并不直接連接到MCP2551上，而是通過(guò)高速光耦器件6N137隔離后再與MCP2551連接，從而實(shí)現(xiàn)了總線上各CAN節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離。其接口電路如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)其他外圍電路設(shè)計(jì)

3　多氣體檢測(cè)儀的軟件設(shè)計(jì)

3．1系統(tǒng)軟件主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序利用STM32的固件函數(shù)庫(kù)在RealView MDK環(huán)境下采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)程序由初始化程序、數(shù)據(jù)采集與濾波子程序、顯示與存儲(chǔ)子程序、按鍵中斷程序、CAN接口通信程序等組成。系統(tǒng)主程序流程圖[5]如圖5所示。

圖5　系統(tǒng)主程序流程圖

3．2井下氣體濃度數(shù)據(jù)采集與濾波程序設(shè)計(jì)

在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)模擬量輸入通道采集到的原始數(shù)據(jù)，有可能混雜了一些干擾噪聲，通常需要進(jìn)行數(shù)字濾波，從而提高數(shù)據(jù)采集的可靠性和準(zhǔn)確性。因此，對(duì)ADC采樣的數(shù)據(jù)要進(jìn)行濾波處理。系統(tǒng)采用的是算數(shù)平均值濾波法。STM32F103內(nèi)部集成了2個(gè)獨(dú)立的12位ADC模塊，它是一種逐次逼近型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，有18個(gè)通道，可以測(cè)量16個(gè)外部和2個(gè)內(nèi)部信號(hào)源，各通道的A/D轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)、掃描或間斷模式執(zhí)行[6]。這就意味著STM32可以同時(shí)對(duì)多路模擬量通道進(jìn)行快速采集。在這里用ADC連續(xù)采集4路模擬信號(hào)，并由DMA傳輸?shù)絻?nèi)存。ADC配置為掃描并且連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，ADC的時(shí)鐘配置為12 MHz．在每次轉(zhuǎn)換結(jié)束后，由DMA循環(huán)將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻?nèi)存中。ADC可以連續(xù)掃描采集50次，然后求平均值。數(shù)據(jù)采集與濾波程序[7]流程圖如圖6所示。

4　儀器測(cè)試

在傳感器數(shù)據(jù)的標(biāo)定階段，利用瓦斯、氧氣、一氧化碳和硫化氫標(biāo)準(zhǔn)氣體來(lái)測(cè)試傳感器的檢測(cè)精度和穩(wěn)定性。表1給出了4種氣體儀器檢測(cè)數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)氣體的比較結(jié)果，測(cè)試結(jié)果表明相對(duì)誤差在要求的范圍以內(nèi)。同時(shí)，從儀器試用的情況來(lái)看，溫濕度和時(shí)間的采集準(zhǔn)確，4種氣體檢測(cè)可靠，達(dá)到了系統(tǒng)所要求的性能指標(biāo)。

5　結(jié)束語(yǔ)

利用STM32F103VET6作為檢測(cè)儀的控制器，能充分發(fā)揮其硬件資源豐富、數(shù)據(jù)處理與實(shí)時(shí)控制強(qiáng)的特點(diǎn)，使得儀器體積小、成本低、攜帶方便、存儲(chǔ)容量大、工作穩(wěn)定可靠，易于推廣。該檢測(cè)儀已經(jīng)在一些煤礦中得到應(yīng)用，使用結(jié)果表明工作穩(wěn)定，檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

圖6　數(shù)據(jù)采集與濾波子程序流程圖

參考文獻(xiàn)：

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表1　儀器檢測(cè)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)氣體比較

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