歐陽健強(qiáng) 李建 楊文龍 吳富姬

摘要：為預(yù)防礦山中毒窒息事故的發(fā)生，研制基于微控制器的便攜式多氣體檢測(cè)儀，將微處理器、氣體傳感器、顯示屏、按鍵、集成電路集成儀器。經(jīng)應(yīng)用，解決礦山面臨的安全困擾。

關(guān)鍵詞：微控制器;便攜;多氣體;檢測(cè)儀

中圖分類號(hào)：TH832 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）12-0137-02

1 研究背景、目的意義

目前，金屬開采地下礦山與非金屬開采地下礦山的事故時(shí)有發(fā)生，安全生產(chǎn)方面形勢(shì)極其嚴(yán)峻。為了有效的預(yù)防中毒窒息事故的發(fā)生，當(dāng)前礦山生產(chǎn)主要采取的應(yīng)對(duì)措施之一是配備便攜式氣體檢測(cè)報(bào)警儀，作業(yè)工人入礦山井下采場(chǎng)等工作場(chǎng)所時(shí)，檢測(cè)有毒氣體與有害氣體濃度。為了有效規(guī)范礦山行業(yè)發(fā)展，預(yù)防事故發(fā)生，國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局也出臺(tái)了安全生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)佩帶氣體檢測(cè)儀下井做出強(qiáng)制要求。本文研究與設(shè)計(jì)一種基于微控制器和電化學(xué)傳感器的便攜式多氣體檢測(cè)儀，可應(yīng)用于金屬非金屬地下礦山的主要有毒有害氣體濃度檢測(cè)。當(dāng)作業(yè)工人佩帶此便攜式多氣體檢測(cè)儀進(jìn)入采場(chǎng)等場(chǎng)所作業(yè)時(shí)，如遇到有毒氣體、有害氣體的濃度數(shù)值超標(biāo)，該便攜式多氣體檢測(cè)儀能發(fā)出報(bào)警信號(hào)，告知人員及時(shí)撤離，可有效預(yù)防事故的發(fā)生。

2 檢測(cè)儀硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

多氣體檢測(cè)儀硬件電路主要由充電電路、電壓轉(zhuǎn)換電路、運(yùn)算放大電路、液晶屏顯示電路、語音播報(bào)電路、按鍵電路、報(bào)警指示電路、核心芯片電路等組成。氣體傳感器選用電化學(xué)氣體傳感器，該傳感器具有尺寸小巧，快速響應(yīng)及恢復(fù)，可適應(yīng)極端溫度和濕度環(huán)境的特點(diǎn)。使用AD8607、LT6001、LM358等作為傳感器信號(hào)放大芯片。三路氣體傳感器的微弱電信號(hào)經(jīng)過運(yùn)算放大電路放大后進(jìn)入核心信號(hào)處理器的ADC（模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器）接口，氣體的濃度數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)處理后通過液晶屏幕模塊進(jìn)行顯示。充電電路采用TP4056芯片為鋰電池提供恒流或者恒壓方式充電，充電的電流為1A，并具有過充保護(hù)。供電電源為3.7V電壓等級(jí)可充電式鋰離子電池，電池經(jīng)轉(zhuǎn)換電路后為核心處理器及各電路供電。同時(shí)，電路具有5位按鍵，用于開機(jī)，參數(shù)設(shè)置和語音播報(bào)等功能。有2個(gè)LED指示燈，一個(gè)用于報(bào)警指示（紅色頻閃），一個(gè)用于充電指示（充電時(shí)紅色，充滿時(shí)綠色）。一個(gè)蜂鳴器用于報(bào)警發(fā)聲。液晶（LCD）顯示屏的作用是顯示氣體濃度參數(shù)及其他人與檢測(cè)儀的交互界面。用戶可通過按鍵觸發(fā)語音播報(bào)功能，該功能通過語音合成芯片將氣體濃度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為語音數(shù)據(jù)，并通過揚(yáng)聲器播報(bào)。核心信號(hào)處理器使用STM32F1系列芯片，具有睡眠模式、待機(jī)模式和停機(jī)模式等幾種低功耗模式。液晶顯示屏使用點(diǎn)陣液晶屏，該液晶屏自帶字庫IC，同時(shí)具有低功耗的特點(diǎn)。中文播報(bào)式語音處理器使用語音芯片，該芯片采用異步串口（UART）的通訊模式，接收等待進(jìn)行合并播放的文本信息，實(shí)現(xiàn)由文本信息到語音數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化。

3 檢測(cè)儀軟件設(shè)計(jì)

本檢測(cè)儀的軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行編程，軟件主要包含氣體濃度信號(hào)采集軟件、顯示軟件、按鍵軟件、報(bào)警軟件、語音播報(bào)軟件、實(shí)時(shí)時(shí)鐘軟件、存儲(chǔ)軟件等多個(gè)模塊組成。軟件總體架構(gòu)如圖1所示。本檢測(cè)儀軟件基于KEIL μVision4軟件開發(fā)環(huán)境平臺(tái)進(jìn)行模塊化編寫，軟件各模塊結(jié)構(gòu)合理、語句精煉，可充分體現(xiàn)硬件的效能。

主流程軟件采用循環(huán)模式運(yùn)行，檢測(cè)儀開機(jī)后軟件啟動(dòng)并開始，軟件首先進(jìn)行各項(xiàng)相關(guān)數(shù)據(jù)的的初始化操作，隨后開始進(jìn)行各通道數(shù)據(jù)的采集，因?yàn)閿?shù)據(jù)采用連續(xù)采集模式，采集間隔非常短，而數(shù)據(jù)經(jīng)過放大后存在一定的波動(dòng)，采用中位值平均濾波算法進(jìn)行處理，處理完成的信號(hào)可直接用于顯示輸出。氣體檢測(cè)儀循環(huán)判斷被檢測(cè)數(shù)據(jù)是否超標(biāo)，當(dāng)檢測(cè)到數(shù)據(jù)超標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)將執(zhí)行報(bào)警提示模塊子程序軟件，如未超標(biāo)，則執(zhí)行播報(bào)按鍵檢測(cè)程序。如檢測(cè)到播報(bào)按鍵按下，系統(tǒng)將執(zhí)行按鍵模塊子程序軟件，如未檢測(cè)到播報(bào)按鍵按下，則執(zhí)行設(shè)置按鍵檢測(cè)程序。如檢測(cè)到設(shè)置按鍵按下，系統(tǒng)將執(zhí)行設(shè)置模塊子程序軟件，如未檢測(cè)到設(shè)置按鍵按下，則重新進(jìn)入采集程序模塊，軟件依次無限循環(huán)。

4 檢測(cè)儀外觀及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與零部件加工

本研究針對(duì)便攜式多氣體檢測(cè)儀進(jìn)行了多套外觀方案設(shè)計(jì)，經(jīng)綜合對(duì)比，選擇一款采用上部放置側(cè)面放置傳感器，上部正面放置揚(yáng)聲器，中部放置指示燈及屏幕，下部放置按鍵的布局，傳感器布局使用并排設(shè)計(jì)，透氣孔采用圓形孔陣，按鍵采用十字形布局設(shè)計(jì)，并在產(chǎn)品的角位置設(shè)置包膠，具有一定的防摔保護(hù)作用，該設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)緊湊合理，時(shí)尚穩(wěn)重。

本研究使用先進(jìn)的三維設(shè)計(jì)軟件對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)、零件裝配及可行性驗(yàn)證，以提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率，壓縮產(chǎn)品開發(fā)周期。經(jīng)過多款結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)比，最終采用上部側(cè)方放置傳感器，中下部放置主電路板，其中顯示屏位于中部，按鍵位于下部的布局結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)布局緊湊合理，傳感器位于前部側(cè)面，人員手持該檢測(cè)儀行走時(shí)，行走速度可對(duì)前側(cè)面產(chǎn)生負(fù)壓，該負(fù)壓可助于傳感器最快時(shí)間接觸被測(cè)空氣，及時(shí)反饋被測(cè)空氣情況。顯示屏及按鍵位于下部可較便于觀測(cè)和操作。

經(jīng)過三維軟件對(duì)零件的裝配及可行性驗(yàn)證后，可進(jìn)入加工工序，便攜式多氣體檢測(cè)儀需要加工的外殼模型主要分為三部分：前殼體，后蓋，面板。為縮短產(chǎn)品成型時(shí)間及降低加個(gè)成本，本研究檢測(cè)儀的前殼體及后蓋采用3D打印技術(shù)加工，面板使用PC材料，采用CNC工藝加工而成。

5 檢測(cè)儀的標(biāo)定與測(cè)試

為了保證檢測(cè)儀檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要對(duì)檢測(cè)儀進(jìn)行標(biāo)定，本檢測(cè)儀使用潔凈空氣作為零點(diǎn)標(biāo)定基準(zhǔn)，使用不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體作為其它基準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)的標(biāo)定基準(zhǔn)。零點(diǎn)標(biāo)定的目的確定檢測(cè)儀標(biāo)校斜率線的零點(diǎn)。本檢測(cè)儀的零點(diǎn)標(biāo)定方法是將檢測(cè)儀暴露在潔凈空氣中，認(rèn)為潔凈空氣中一氧化碳和二氧化氮的濃度值為0，認(rèn)為氧氣的濃度值為20.9%，以此氣體環(huán)境來標(biāo)定檢測(cè)儀的零點(diǎn)?；鶞?zhǔn)測(cè)點(diǎn)濃度，一氧化碳的標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度值為1000ppm，二氧化氮的標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度值為50ppm，氧氣的標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度值為18.2%，以此氣體環(huán)境來標(biāo)定檢測(cè)儀的基準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)。將檢測(cè)儀與標(biāo)定氣帽連接，往標(biāo)定氣帽分別通標(biāo)準(zhǔn)氣體，為了保證標(biāo)準(zhǔn)氣體的滲透強(qiáng)度，標(biāo)準(zhǔn)氣體的流量需>200升每分鐘，標(biāo)定時(shí)間需>5分鐘。在氣體標(biāo)定實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的上位軟件設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)氣體的流量，本標(biāo)定使用的流量為500L/Min，標(biāo)定時(shí)間為10分鐘。

在完成檢測(cè)儀的標(biāo)定工作之后，將對(duì)檢測(cè)儀進(jìn)行一系列的測(cè)試工作，以測(cè)試檢測(cè)儀的精度、穩(wěn)定性及耐久性等數(shù)據(jù)。本研究將對(duì)檢測(cè)儀進(jìn)行通標(biāo)準(zhǔn)氣體測(cè)量精確度測(cè)試，電磁干擾測(cè)試及充放電測(cè)試等測(cè)試工作。檢測(cè)儀在經(jīng)過標(biāo)定、通標(biāo)氣校驗(yàn)、干擾實(shí)驗(yàn)及充電放電實(shí)驗(yàn)等多個(gè)環(huán)境測(cè)試，檢測(cè)儀總體表現(xiàn)較好。檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，誤差小;在工頻磁場(chǎng)干擾環(huán)境下表現(xiàn)穩(wěn)定;鋰電池工作穩(wěn)定，待機(jī)時(shí)長超過設(shè)計(jì)需求。效果達(dá)到了預(yù)期的要求。

6 結(jié)語

目前，改檢測(cè)儀經(jīng)過試用和改進(jìn)，已應(yīng)用于礦山相關(guān)場(chǎng)所的氣體環(huán)境安全檢測(cè)。該檢測(cè)儀采用微控制器、電化學(xué)氣體傳感器為核心，結(jié)合顯示屏、按鍵、聲光報(bào)警元件、鋰電池等開發(fā)檢測(cè)儀成套系統(tǒng)，運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，3D打印技術(shù)等加工產(chǎn)品外殼，檢測(cè)儀得到了高效的開發(fā)并快速應(yīng)用，經(jīng)長期礦山現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)反饋，達(dá)到了較好的應(yīng)用效果，提高了地下礦山生產(chǎn)的安全水平。

參考文獻(xiàn)

[1] 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.AQ2031-2011.金屬非金屬地下礦山監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)規(guī)范[S].北京：中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院等，2001.

[2] 意法半導(dǎo)體公司.STM32F103產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)[OL].2008.

[3] 陶德保.礦用便攜式多參數(shù)氣體檢測(cè)儀設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2014（02）：92-94.

[4] 陳燕.基于ARM的礦用便攜式多氣體檢測(cè)儀的研制[D].西安科技大學(xué)，2013.

[5] 徐大詔.基于STM32的便攜式礦用多氣體檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2014（03）：14-16.

Development of? Portable Multi-Gas Detector Based on Microcontroller

OUYANG Jian-qiang1.2，LI Jian1.2，YANG Wen-long1.2，WU Fu-ji1.2

（1.Ganzhou Institute of? non ferrous metallurgy， Ganzhou? Jiangxi? 341000;2.industrial design center of? nonferrous metals mining and smelting equipment， Ganzhou Institute of? nonferrous metallurgy， Ganzhou? Jiangxi? 341000）

Abstract：In order to prevent the occurrence of poisoning and suffocation accidents in mines， a portable multi gas detector based on microcontroller is developed， which integrates microprocessor， gas sensor， display screen， button and integrated circuit. Through application， the safety problems faced by the mine are solved.

Key words：microcontroller; portable; multi gas; detector