陳　燕，陳　陽

(西安科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，陜西西安　710054)

0　引言

目前，氣體檢測已經(jīng)由單氣體檢測方式發(fā)展到多氣體檢測方式[1]，但傳統(tǒng)的氣體檢測儀有功能簡單、測量精度低、傳感器壽命短等缺陷。文中設(shè)計了一種基于ARM的新型便攜式多氣體檢測儀，采用了高精度的氣體傳感器，不僅具有多種氣體同時檢測、存儲、顯示、報警等基本功能，還設(shè)有定位地標(biāo)采集和無線通信的功能，能和礦井井下的無線網(wǎng)絡(luò)通信(如人員定位系統(tǒng)的位置監(jiān)測分站[2])，又能應(yīng)用到煤礦井下安全避險“六大系統(tǒng)”[3]的緊急避險系統(tǒng)[4]中，提高了檢測儀的實用性。

1　基本功能及原理

多氣體檢測儀不僅可作為便攜式儀表，隨時檢測井下環(huán)境氣體，還可作為救生艙 (或避難硐室)的多參數(shù)傳感器，取代多個單參數(shù)傳感器。其基本功能如下：(1)同時檢測和顯示4種氣體參數(shù)值，并能記錄檢測地點(diǎn)和時間；(2)具有參數(shù)超限聲光報警、電池欠壓報警等功能；(3)可設(shè)置時間、日期、報警點(diǎn)、通訊地址；(4)可對每種傳感器進(jìn)行零點(diǎn)和準(zhǔn)確度標(biāo)定；(5)可對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、查看、刪除、有線無線傳輸?shù)炔僮鳎?6)可判斷各參數(shù)檢測范圍是否超限或敏感元件是否故障。

檢測儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。工作原理：氣體傳感器將氣體濃度信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過信號調(diào)理電路將電信號處理成一定范圍的電壓信號，傳輸至單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再將信號濾波處理、運(yùn)算等操作，將最終參數(shù)值顯示、存儲、發(fā)送、傳輸；如果有參數(shù)值超過報警閾值，MCU可驅(qū)動報警電路發(fā)出聲光報警。按鍵和LCD顯示實現(xiàn)檢測儀的定點(diǎn)地址采集、無線發(fā)送、調(diào)零、標(biāo)定、通訊、查詢等操作。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2　硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

2．1微處理器

微處理器采用高性能ARM CortexTM-M3 32位的RISC內(nèi)核STM32F103VET6[5]，工作頻率為72 MHz，是一款性能優(yōu)越、資源豐富的微處理器，工作電壓在2.0～3.6 V范圍內(nèi)，支持睡眠、停機(jī)和待機(jī)的低功耗模式，其資源配置如圖2所示。

STM32F103VET6能作為新型便攜式多氣體檢測儀的核心處理器，含有78個通用I/O口，64 K字節(jié)的SRAM和512 K字節(jié)的閃存存儲器、LCD并行接口、12位的ADC、12通道DMA控制器、通用16位定時器和PWM定時器，有SPI、I2C、UASRT、USB等多種通信方式接口。使用ADC模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、FSMC配置控制LCD、SPI接口實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸、USART接口實現(xiàn)地址標(biāo)簽信息采集、USB接口實現(xiàn)有線通訊、RTC模塊實現(xiàn)時鐘。

圖2　STM32F103VET6資源配置圖

2．2電源電路

電源電路主要對本安電池組和開機(jī)電路進(jìn)行設(shè)計，如圖3所示。設(shè)計采用2節(jié)1 500 mA·h/3.7 V錳酸鋰電池并聯(lián)作為儀器供電電源，電池組件電路設(shè)計是對鋰電池組進(jìn)行過充電、過放電、短路等保護(hù)。電池正常供電情況下，M1A和M2B均導(dǎo)通，若DW01+檢測到VDD電壓過充或過放情況下，M1A或M2B 截止，不再對外供電。

圖3　電源電路

開關(guān)機(jī)控制：S1鍵是開關(guān)機(jī)控制按鈕，S1鍵按下，M3導(dǎo)通，單片機(jī)獲得能量運(yùn)行開機(jī)程序，如果，開機(jī)條件成立，單片機(jī)置PC9為高電平，Q1導(dǎo)通，電源電路維持開機(jī)狀態(tài)；若開機(jī)條件不成立，PC9為低電平，使Q1截止，開機(jī)失敗。電路開機(jī)正常工作狀態(tài)下，PC9為高電平，當(dāng)單片機(jī)檢測到PB0腳有低電平，執(zhí)行關(guān)機(jī)程序，置PC9為低電平，正常關(guān)機(jī)。

2．3傳感器

氣體傳感器作為氣體檢測儀的核心部分，其性能直接決定著儀表的檢測性能。氣體傳感器的選擇取決于被檢測氣體的化學(xué)特性，設(shè)計主要使用了紅外式傳感器檢測CH4、CO2氣體，用電化學(xué)傳感器檢測CO、O2氣體。

非色散紅外(NDIR)原理傳感器運(yùn)用是當(dāng)今最先進(jìn)的傳感器技術(shù)，具有體積小、壽命長、性能優(yōu)越等特點(diǎn)。CH4、CO2氣體采用紅外紅外檢測原理[6]，可分別測量0～100%VOL和0～5.00%范圍的CH4、CO2氣體濃度，還具有溫度補(bǔ)償，輸出信號為數(shù)字信號，可與儀表直接通信，減少了后期的信號調(diào)理，且適合在礦井環(huán)境中使用。采用紅外式原理傳感器，提高了檢測精度，增加傳感器的使用壽命，維護(hù)周期更長。

電化學(xué)原理傳感器是現(xiàn)今有毒氣體和氧氣檢測的主要方式：CO檢測利用了恒定電位電解原理，O2檢測利用了伽伐尼電池式原理。電化學(xué)傳感器輸出端產(chǎn)生的電流與被測氣體濃度按正比例變化[7]，具有體積小、靈敏度高、線性范圍寬、抗干擾力強(qiáng)、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在煤礦、化工等工業(yè)場合。電化學(xué)原理傳感器輸出電流信號很小，信號調(diào)理時需先將電流轉(zhuǎn)換電壓信號，再放大處理送至MCU的ADC輸入端，由MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2．4地點(diǎn)標(biāo)簽采集

地點(diǎn)標(biāo)簽采集是礦井井下一種安全管理措施：在規(guī)定時間按預(yù)設(shè)路線對每個巡檢點(diǎn)進(jìn)行環(huán)境檢測，記錄每個巡檢點(diǎn)的環(huán)境情況和巡檢點(diǎn)的地標(biāo)信息，避免了假檢、漏檢等狀況，實現(xiàn)無紙化辦公。

設(shè)計基于RFID技術(shù)[8]，采用高頻13.56 MHz的TX522BT天線一體化讀寫模塊和無源Mifare 1 S50標(biāo)簽完成地點(diǎn)標(biāo)簽采集，具有體積小、高可靠等特點(diǎn)，可與微處理器的UART接口，以串口中斷方式或通過判斷INT_OUT引腳方式傳輸數(shù)據(jù)硬件連接如圖4所示。

圖4　TX522BT電路

工作原理：將J3．4(GetSnr_En)接地，TX522BT配置為只讀模式。模塊經(jīng)初始化后，將天線置為發(fā)射載波信號模式，將模塊配置為自動尋址模式：檢測天線區(qū)域是否有地標(biāo)，有地標(biāo)后不斷自動讀取地標(biāo)信息，通過中斷向主機(jī)發(fā)送地標(biāo)信息，尋址完成退出自動尋址模式并關(guān)閉地點(diǎn)標(biāo)簽采集；若沒有地標(biāo)，則返回沒有地標(biāo)的狀態(tài)值，退出自動尋址模式，準(zhǔn)備下次尋址，一次尋址，只能發(fā)送一次地標(biāo)信息。

2．5無線數(shù)據(jù)傳輸

檢測儀能和礦井井下的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，以無線傳輸方式將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到基站，經(jīng)基站傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心。無線數(shù)據(jù)傳輸方式基于微波RFID技術(shù)，微波頻段適合于識別距離較遠(yuǎn)的場合，設(shè)計使用無線射頻收發(fā)芯片nRF24L01[9]實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。

nRF24L01工作在2.4～2.5 GHz的通用ISM頻段，支持1 Mbit/s和2 Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸率，數(shù)據(jù)與nRF24XX系列完全兼容。nRF24L01可設(shè)置模式有：接收模式、發(fā)送模式、待機(jī)模式、掉電模式，提供SPI接口，能和任何MCU通信，其通訊連接如圖5所示。

工作原理：無線射頻模塊要完成檢測儀數(shù)據(jù)包的發(fā)送，nRF24L01有增強(qiáng)型ShockBurstTM數(shù)據(jù)包處理模式，可以同時控制應(yīng)答及重發(fā)功能。在發(fā)送數(shù)據(jù)包時，向寄存器中發(fā)送待寫入數(shù)據(jù)的地址和數(shù)據(jù)字節(jié)長度，在發(fā)送前，CE置低，設(shè)置nRF24L01發(fā)送模式，設(shè)置完畢后，CE置高。發(fā)送成功與否需檢測狀態(tài)寄存器，收到應(yīng)答則發(fā)送成功；反之，發(fā)送失敗。

圖5　nRF24L01硬件接口

3　軟件設(shè)計

檢測儀軟件采用模塊化方式編制，主要由主程序、功能模塊子程序、中斷子程序組成，現(xiàn)將部分程序給予介紹：

3．1主程序

主程序主要完成系統(tǒng)初始化設(shè)定、數(shù)據(jù)測量、零點(diǎn)及靈敏度的調(diào)試和各功能模塊的循環(huán)調(diào)用等，特別是實現(xiàn)零點(diǎn)自動跟蹤，數(shù)據(jù)自動補(bǔ)償，調(diào)校方便、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，提高儀器零點(diǎn)的穩(wěn)定性和整機(jī)的測試性能，是整個系統(tǒng)的主干線，主程序流程如圖6所示。

儀器開機(jī)成功后，進(jìn)行系統(tǒng)自檢，再進(jìn)行系統(tǒng)初始化并顯示開機(jī)畫面，最后正常進(jìn)入數(shù)據(jù)采集處理循環(huán)模式，調(diào)用按鍵查詢處理程序，根據(jù)不同按鍵的命令執(zhí)行相應(yīng)服務(wù)程序，完成相應(yīng)的操作。

3．2地標(biāo)采集和無線數(shù)據(jù)傳輸處理

地標(biāo)采集只需讀取地標(biāo)卡號，讀卡流程如圖7所示，讀卡使用自動尋卡模式，設(shè)置后模塊檢測天線區(qū)域的卡片，有卡片將激活卡片讀取卡號，經(jīng)驗證確認(rèn)后，向MCU回發(fā)卡號；若沒有卡片返回一個未檢測到卡片的狀態(tài)值，無論有卡片否，都將執(zhí)行退出自動尋卡模式。自動尋卡模式，無需對卡片進(jìn)行寫值操作，同時簡化了軟硬件設(shè)計。

圖6　系統(tǒng)主流程圖

圖7　地標(biāo)采集流程圖

無線數(shù)據(jù)傳輸需將采集的環(huán)境氣體參數(shù)、地標(biāo)卡號等信息經(jīng)無線射頻模塊傳輸?shù)轿恢脵z測分站，傳輸數(shù)據(jù)時需將工作模式設(shè)置為發(fā)送模式，控制掉電模式的PWR_UP位置高，控制發(fā)送/接收的PRIM_RX置高，要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)寫入TX FIFO寄存器中，發(fā)送(接收)使能CE置高，CE必須持續(xù)10 μs以上1→0的脈沖，數(shù)據(jù)發(fā)送流程如圖8所示。發(fā)送設(shè)置包含寫入要發(fā)送數(shù)據(jù)的地址和數(shù)據(jù)字節(jié)長度、自動應(yīng)答設(shè)置、接收通道設(shè)置、地址字節(jié)長度設(shè)置、自動重發(fā)設(shè)置、工作通道頻率設(shè)置、射頻寄存器設(shè)置、狀態(tài)寄存器設(shè)置，發(fā)送過程由增強(qiáng)型ShockBurstTM模式下自動確認(rèn)和自動重發(fā)等處理。

圖8　無線數(shù)據(jù)傳輸流程圖

4　試驗與分析

試驗對儀器進(jìn)行了基本誤差、響應(yīng)時間、報警性能的測試。測試時，使用測試儀器有氣體流量計、秒表、數(shù)字萬用表等，通過向檢測儀通入表1中標(biāo)準(zhǔn)氣樣進(jìn)行測試(標(biāo)準(zhǔn)氣樣采用經(jīng)國家計量部門考核認(rèn)證的單位提供的氣樣)，其測試結(jié)果如表1。

試驗結(jié)果表明：該智能多氣體檢測儀的檢測范圍及基本誤差、響應(yīng)時間、整機(jī)聲光報警功能等各項技術(shù)指標(biāo)均滿足設(shè)計要求。

地址標(biāo)簽試驗對一張Mifare 1卡進(jìn)行卡號讀取，讀取結(jié)果為卡片的序列號：

SN：F7ABD95E

5　結(jié)束語

新型便攜式多氣體檢測儀可實現(xiàn)多組數(shù)據(jù)的同時檢測、顯示、存儲、傳輸，和傳統(tǒng)的多參數(shù)檢測儀相比，使用了高性能的微處理器和高精度的傳感器，可擴(kuò)展數(shù)據(jù)的存儲容量；增加地址標(biāo)簽采集，可實現(xiàn)煤礦井下電子巡更功能；通過和人員定位系統(tǒng)中的位置檢測分站無線通信，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸；還可作為緊急避險系統(tǒng)中救生艙中多功能傳感器，實時監(jiān)測艙內(nèi)環(huán)境，拓寬檢測儀的應(yīng)用范圍，為煤礦井下安全避險“六大系統(tǒng)”緊急避險系統(tǒng)和人員定位系統(tǒng)中提供一套新設(shè)備，提升礦井井下的安全系數(shù)。

表1　試驗測試結(jié)果

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