郭波，張征，許思思

（山東省計(jì)量科學(xué)研究院，濟(jì)南 250014）

氣體報(bào)警器檢定用智能控制終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

郭波，張征，許思思

（山東省計(jì)量科學(xué)研究院，濟(jì)南 250014）

介紹了一種用于有毒有害氣體報(bào)警器計(jì)量檢定用手持控制終端的設(shè)計(jì)。通過對手持終端的軟件、電源系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)和主控系統(tǒng)的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了無線控制報(bào)警器檢定的操作，并可在手持終端上顯示報(bào)警器的相關(guān)參數(shù)以及檢定結(jié)果等內(nèi)容。該手持終端提高了檢定效率，避免了有害氣體對檢定人員的侵襲。

氣體報(bào)警器；計(jì)量檢定；控制終端

隨著人們安全生產(chǎn)意識的增強(qiáng)，目前已在煤炭、石油、天然氣的勘探開采以及化工等生產(chǎn)領(lǐng)域中大量安裝和使用有毒有害氣體檢測報(bào)警器，以便及時(shí)采取措施，防范事故的發(fā)生。對這些氣體報(bào)警器進(jìn)行檢定是保障其量值準(zhǔn)確的基礎(chǔ)。然而部分報(bào)警器安裝的現(xiàn)場環(huán)境較為惡劣，有毒有害氣體含量較高、粉塵和煙塵多、噪聲大、環(huán)境溫度高。不僅對檢定人員的健康造成侵害，檢定工作也因此容易出現(xiàn)疏漏，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集出錯。近年來伴隨各種新的自動化控制技術(shù)、數(shù)字信息技術(shù)的不斷涌現(xiàn)和發(fā)展，計(jì)量器具的智能化檢定已成為計(jì)量行業(yè)未來的發(fā)展趨勢。

目前移動手持終端技術(shù)已應(yīng)用于電力、水利、城建、檢測及監(jiān)測等領(lǐng)域［1-6］，但在氣體報(bào)警器的計(jì)量檢定領(lǐng)域的應(yīng)用尚未見報(bào)道。在氣體報(bào)警器檢定時(shí)，利用移動手持終端技術(shù)可以使檢定人員遠(yuǎn)離現(xiàn)場環(huán)境，避免身體遭受有毒、有害氣體侵害，提高工作效率。因此筆者探討了將移動手持終端技術(shù)應(yīng)用于氣體報(bào)警器的計(jì)量檢定領(lǐng)域，以實(shí)現(xiàn)有毒有害氣體報(bào)警器檢定結(jié)果的準(zhǔn)確性，并且使檢定過程高效和無害化。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 整體設(shè)計(jì)

手持終端的作用是近距離內(nèi)無線控制報(bào)警器檢定裝置執(zhí)行相應(yīng)操作，并在手持終端上顯示報(bào)警器的相關(guān)參數(shù)以及檢定結(jié)果等內(nèi)容。該終端控制系統(tǒng)采用MCS-51系列單片機(jī)作為控制核心，選用迪文可觸摸液晶屏，可進(jìn)行觸摸操作，方便美觀，數(shù)據(jù)無線傳輸，攜帶方便，操作簡單。

手持盒主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)顯示測量過程中的基本信息、示值誤差、重復(fù)性和響應(yīng)時(shí)間4部分，并能夠遠(yuǎn)程控制檢定裝置進(jìn)行配氣、檢定等一系列操作，這4部分分別為電源系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)、主控系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)，如圖1所示。

終端的通信模式采用工作于2.4～2.5 GHz頻段的無線通信模式。手持盒集成有USB接口、SD卡接口，顯示部分采用5.6寸HIM高分辨率觸摸屏。在手持盒上設(shè)置有測量所需要的諸多按鍵。采用5.6寸的觸摸液晶屏，方便了操作人員的使用，如圖2所示。

圖1 無線手持終端組成

圖2 手持終端及其按鍵展示

1.2 顯示部分的軟件設(shè)計(jì)

顯示部分采用迪文工業(yè)串口屏。首先使用SysDef.exe軟件，進(jìn)行界面設(shè)計(jì)。界面設(shè)計(jì)完成后，將設(shè)計(jì)好的界面與配置信息下載到觸摸屏。見圖3

圖3 配置信息下載

1.3 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)24 V與5 V電源直接由開關(guān)電源供電，3.3 V電源需要進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。nRF24L01的工作電壓在1.9～3.6 V之間，一般用3.3 V電壓作為芯片工作電源電壓。在這部分電路設(shè)計(jì)中，由于穩(wěn)壓電源提供5 V電壓，只需要將5 V電壓轉(zhuǎn)化為3.3 V電壓，采用穩(wěn)壓模塊LM1117。它只有3個(gè)引腳，外接電路簡單，只需要兩個(gè)電容，就能夠輸出穩(wěn)定的3.3 V電壓，為nRF24L01提供3.3 V工作電源。

1.4 無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無線芯片比較小，焊接起來很困難，因此本設(shè)計(jì)采用無線收發(fā)模塊。無線收發(fā)模塊nRF24L01與單片機(jī)的連接電路圖如圖4所示。

nRF24L01通過Enhanced Shock Burst TM收發(fā)模式進(jìn)行無線數(shù)據(jù)發(fā)送，收發(fā)可靠，其外形尺寸小，需要的外圍元器件也少，因而使用方便，在工業(yè)控制、消費(fèi)電子等各個(gè)領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖4 F24L01模塊結(jié)構(gòu)圖

1.5 主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主控系統(tǒng)主要包括時(shí)鐘電路、復(fù)位電路。時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作時(shí)所必需的時(shí)鐘信號。時(shí)鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時(shí)鐘電路的質(zhì)量直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。時(shí)鐘頻率越大，單片機(jī)的程序執(zhí)行速度越快，抗干擾性能越差；時(shí)鐘頻率越小，單片機(jī)的工作速度慢，抗干擾性能越好。要恰到好處地選擇時(shí)鐘頻率對單片機(jī)工作效率尤為重要。

單片機(jī)各功能的運(yùn)行都是以時(shí)鐘頻率為基準(zhǔn)一拍一拍地工作。常用的時(shí)鐘電路有兩種工作方式，一種是內(nèi)部時(shí)鐘方式，另一種為外部時(shí)鐘方式。為了方便單片機(jī)與無線傳輸模塊nRF24L01之間的數(shù)據(jù)通信，選用外部時(shí)鐘，選取外接12 MHz晶振。由于當(dāng)晶體振蕩器振蕩頻率在1～12 M之間取值時(shí)，兩個(gè)微調(diào)電容的典型取值通常選擇在30 pF左右，因此選擇33 pF時(shí)鐘電路，如圖5所示。

復(fù)位電路必須確保系統(tǒng)上電時(shí)能夠自動復(fù)位，在必要時(shí)還可以手動復(fù)位。在本設(shè)計(jì)中，復(fù)位電路采用最簡單的上電復(fù)位加按鍵復(fù)位。在通電的瞬間，在RC電路充電過程中，RST端出現(xiàn)正脈沖保證引腳出現(xiàn)10 ms以上穩(wěn)定的高電平，從而使單片機(jī)復(fù)位。

圖5 時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)

上電自動復(fù)位電路的基本功能：系統(tǒng)上電時(shí)提供復(fù)位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號。為了確保可靠復(fù)位，見電源穩(wěn)定后，還要經(jīng)一定的延時(shí)才撤銷復(fù)位信號以防電源開關(guān)或電源插頭分-合過程中引起的抖動而影響復(fù)位。為了實(shí)現(xiàn)這種功能，本設(shè)計(jì)采用了一種RC定時(shí)電路。其時(shí)間常數(shù)τ=RC，系統(tǒng)上電時(shí)，C兩端的電壓為零，單片機(jī)的復(fù)位端的電平為高電平，單片機(jī)復(fù)位，經(jīng)過4～5個(gè)τ后，C兩端的電壓約等于電源電壓，單片機(jī)的復(fù)位端的電平為低電平，單片機(jī)退出復(fù)位狀態(tài)。

手動復(fù)位電路采用的是按鍵復(fù)位電路。在按鍵按下時(shí)，單片機(jī)復(fù)位端的電平為高電平，單片機(jī)復(fù)位，在按鍵松開時(shí)，單片機(jī)復(fù)位端的電平為低電平，單片機(jī)退出復(fù)位狀態(tài)。復(fù)位電路如圖6所示。

2 結(jié)論

圖6 復(fù)位電路

通過使用SysDef.exe軟件、穩(wěn)壓模塊LM1117和無線收發(fā)模塊nRF24L01對控制終端進(jìn)行了界面、電源系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，選用外部時(shí)鐘、外接12MHz晶振、RC定時(shí)電路和手動復(fù)位電路對主控系統(tǒng)的時(shí)鐘電路和復(fù)位電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了測量過程中的基本信息、示值誤差、重復(fù)性和響應(yīng)時(shí)間在控制終端的實(shí)時(shí)顯示，并能夠遠(yuǎn)程控制檢定裝置進(jìn)行配氣、檢定等一系列操作。該手持終端提高了檢定效率，避免了有害氣體對檢定人員的侵襲，具有很好的實(shí)用性。

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Design and Implementation of Intelligent Control Terminal used for Verification of Gas Detection Alarm

Guo Bo， Zhang Zheng， Xu Sisi
(Shandong Institute of Metrology， Jinan 250014， China)

The design of control terminal used in metrology of poisonous gas detection alarm was described. Operation of wireless control of alarm verification was achieved by research of software，power systems，wireless communication systems and master control system of the control terminal. Alarm parameters and test results could also be displayed in the terminal. The control terminal could improve the test efficiency and avoid the impact of harmful gases on test personnel.

gas detection alarm; metrology; control terminal

O652.9

A

1008-6145(2014)04-0086-03

10.3969／j.issn.1008-6145.2014.04.026

聯(lián)系人：郭波；E-mail: 18678787066@163.com

2014-04-23