權(quán) 潔 熊書敏 孫曉東 余 謙

(天地(常州)自動化股份有限公司，江蘇 常州 213015)

在金屬非金屬礦山的掘進爆破作業(yè)中會產(chǎn)生大量的有毒有害氣體，受井下通風條件所限，這些氣體會對現(xiàn)場施工人員的身體健康造成嚴重危害。為此國家安全監(jiān)管總局下發(fā)了《關(guān)于開展金屬非金屬地下礦山防中毒窒息專項整治的通知》，要求進入采掘面的施工人員必須配備氣體檢測裝置[1]。

目前市場上的便攜式氣體檢測儀大多只能檢測單一氣體，部分能夠檢測多種氣體的檢測儀也不具備NO2氣體的檢測功能，為此天地(常州)自動化股份有限公司組織技術(shù)人員基于MSP430單片機設(shè)計了便攜式多參數(shù)氣體濃度檢測報警儀，能夠更好地保證金屬非金屬礦山施工人員的人身安全。

1 檢測儀的電路構(gòu)成①

便攜式多參數(shù)氣體檢測系統(tǒng)的電路構(gòu)成如圖1所示，電源電路模塊包括全封閉電子開關(guān)、欠壓自動關(guān)機電路和電壓變換電路；數(shù)據(jù)采集電路模塊包括CO、O2、 H2S 和NO2檢測與信號處理電路和電池電壓檢測電路；數(shù)據(jù)處理模塊包括CPU及時鐘等；數(shù)據(jù)存儲和傳輸模塊包括藍牙電路等；外圍電路模塊包括按鍵、顯示和聲光報警電路。

圖1 多參數(shù)氣體檢測系統(tǒng)電路構(gòu)成框圖

2 工作原理

檢測儀以MSP430單片機為核心，由傳感器、信號處理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊及聲光報警模塊等組成，工作流程如圖2所示。

傳感元件是感知環(huán)境空氣中某種氣體及其濃度的器件，可將與氣體種類和濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號。天地(常州)自動化股份有限公司設(shè)計的氣體多參數(shù)檢測儀采用電化學式傳感器對環(huán)境空氣中的CO、O2、 H2S 和NO2進行檢測，檢測信號經(jīng)放大、變換后由單片機進行信號處理，將處理后的濃度值通過顯示電路在顯示屏上顯示實現(xiàn)人機交互；同時將濃度值與設(shè)定的報警值進行超限比較，當檢測到的氣體濃度值超出設(shè)定的報警閾值時，給出聲光報警信號。電源一般采用鋰離子電池。

圖2 多參數(shù)氣體檢測儀工作流程

經(jīng)過調(diào)研了解，礦方對多參數(shù)氣體濃度檢測儀的基本參數(shù)要求見表1。

表1 多參數(shù)氣體檢測儀基本參數(shù)

注：O2的濃度是體積濃度。

根據(jù)以上參數(shù)，該檢測儀通過軟件與硬件結(jié)合的方式實現(xiàn)相應(yīng)的目標功能。

3 硬件電路

檢測儀的硬件電路包括主電路和采集電路部分，主電路部分主要實現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的處理、超限報警、本地數(shù)據(jù)存儲查看及無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?；采集電路部分主要實現(xiàn)信號的采集和信號的轉(zhuǎn)換。

3.1 主電路

主電路主要由以下部分組成：

a. 電源管理電路。提供工作電壓和參考電壓，電池采用可充電鋰離子電池。

b. 開關(guān)機電路。提供電子開關(guān)，實現(xiàn)檢測儀的軟關(guān)機。

c. 充電電路。采用圓孔充電插頭，直接對供電電池進行充電，并實現(xiàn)檢測儀充滿電后自動斷電的功能。

d. 電池電壓檢測電路。檢測電池電壓。

e. CPU模塊電路。負責信號處理，該檢測儀選用的MSP430單片機具有16位總線的帶Flash，支持8M 的時鐘，適應(yīng)工業(yè)級的運行環(huán)境，另外配置有時鐘芯片及存儲芯片等，具有高可靠性和低功耗的優(yōu)點；另外采用DS18B20溫度傳感器實現(xiàn)溫度的采集，采用藍牙模塊與PC機進行通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和打印。其中CPU模塊電路、溫度采集電路和藍牙模塊的電路如圖3所示。

圖3 檢測儀的部分主電路

3.2 采集電路

以CO傳感器采集電路的設(shè)計為例，說明采集電路的設(shè)計方案。CO傳感器采集電路如圖4所示。

圖4 CO傳感器采集電路

CO傳感器采集電路共分為4個部分：

a. 恒定電壓。主要包括三電極電化學CO傳感器，該傳感器響應(yīng)時間短、線性度好、使用溫度范圍寬、靈敏度高，其檢測范圍最大可達2‰。

b. 兩級放大。被測氣體進入傳感器，在恒電位環(huán)境下進行氧化還原反應(yīng)，并將濃度變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流輸出。

c. 參考電壓。為恒定電壓和兩級運放部分提供參考電壓。

d. 電壓跟隨器。CO傳感器電路中接入電壓跟隨器來提高電路性能，電壓跟隨器的輸入電壓與輸出電壓和相位一樣，電壓跟隨器的輸入阻抗很大，輸出阻抗小，可以看成是一個阻抗轉(zhuǎn)換電路，可以提高原電路的帶負載能力[1～3]。

其他3種采集電路和CO傳感器電路的結(jié)構(gòu)相同，只是NO2電路的R、W極性相反，這是因為在敏感電極上氧化的氣體線路的輸出為正(如CO、H2S、SO2及H2等)，而對那些在敏感電極上還原的氣體則輸出為負(如NO2及O3等)。

4 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件采用C語言編寫。上位機軟件主要是對上傳的數(shù)據(jù)進行讀取并按數(shù)據(jù)采集時間順序存儲、顯示并具有打印功能；下位機軟件采用模塊化方式編寫，結(jié)合硬件實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)精度的要求、報警參數(shù)的設(shè)置及參數(shù)標定等功能，界面具有電池電量顯示、報警標志顯示、可視化人機交互對應(yīng)按鍵操作等，還實現(xiàn)了手動數(shù)據(jù)存儲及查看等功能[4]。系統(tǒng)軟件的設(shè)計流程如圖5所示。

圖5 檢測儀的系統(tǒng)軟件流程

5 結(jié)束語

天地(常州)自動化股份有限公司研制的便攜式多參數(shù)氣體濃度檢測儀，充分利用了MSP430單片機高性能低功耗的內(nèi)核及其片內(nèi)豐富的外設(shè)資源，檢測精度高、穩(wěn)定性好，既可在固定檢測點檢測，也可隨身攜帶。本檢測儀體積小、攜帶方便、靈敏度高，能同時對CO、O2、H2S和NO24種氣體濃度進行檢測，為井下作業(yè)人員提供了安全保障，特別適宜在金屬、非金屬礦山作業(yè)現(xiàn)場使用。

[1] 周鵬輝,汪獻忠,薛妤.基于MSP430的便攜式四合一氣體檢測儀[J].儀表技術(shù)與傳感器,2012,(11):77～79.

[2] 周曉紅.基于ARM的礦用便攜式多參數(shù)氣體檢測儀的設(shè)計[J].電子技術(shù),2014,41(7):75～78.

[3] 陳文禮.便攜式多氣體檢測儀設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2013,13(10):54～56.

[4] 唐文濤.基于MSP430單片機的H2S檢測儀的設(shè)計[J].荊楚理工學院學報,2014,29(8):49～53.