洪 濤，梁曉瑜

(中國計量大學計量測試工程學院，浙江杭州 310018)

0 引言

受限空間又稱有限空間或密閉空間，是指封閉或者部分封閉，與外界相對隔離，出入口較為狹窄，作業(yè)人員不能長時間在內工作，自然通風不良，易造成有毒有害、易燃易爆物質積聚或者氧含量不足的空間。受限空間因為其作業(yè)環(huán)境情況復雜，空間狹小、通風不暢、不利于氣體擴散，故容易積聚有毒有害氣體，并且氧濃度與外界差別較大，容易發(fā)生中毒窒息事故。當發(fā)生意外時，如果貿(mào)然進入救援，或許會直接威脅到救援人員的生命安全［1］。

故本文設計了一種受限空間中氣體檢測裝置，它不僅具有實時檢測、顯示、報警等基礎功能，還具備數(shù)據(jù)遠程傳輸給外界監(jiān)控人員的功能，使得外部人員也能夠了解救援人員所處的環(huán)境信息，從而采取正確的措施應對當前情況，避免傷亡的擴大。

1 電化學氣體測量原理

電化學傳感器結構圖如圖1所示

圖1 電化學傳感器結構框圖

電化學傳感器主要由透氣膜、電極、電解液和過濾器組成。與傳感器產(chǎn)生反應的目標氣體透過過濾器和透氣膜到達工作電極并且在工作電極上發(fā)生氧化或還原反應，發(fā)生電子的轉移，從而產(chǎn)生隨目標氣體濃度成線性變化的電流［2］。為了使傳感電極電勢在長時間工作中保持恒定，往往在傳感器內部加入?yún)?/p>

考電極。

1.1 O2 電化學傳感器

O2電化學傳感器采用隔膜伽伐尼電池原理。這類傳感器由易極化的活潑金屬構成陽極，具有催化活性的金屬構成陰極。

O2到達工作電極時，立即發(fā)生還原反應，O2被還原成OH－。OH－通過電解液到達對電極，與Pb發(fā)生氧化反應，生成pb(OH)2，同時釋放電子［3］。陰極和陽極的反應方程式分別如式(1)和式(2)所示。

總電池反應如式(3)所示。

1.2 CO電化學傳感器

CO電化學傳感器的工作原理是:當CO到達工作電極時，發(fā)生氧化反應，產(chǎn)生H+，同時釋放電子。H+通過電解液到達對電極，發(fā)生氧化反應。該過程的反應方程式如式(4)和式(5)所示。

總電池反應如式(6)所示。

1.3 H2S電化學傳感器

H2S電化學傳感器的工作原理是:當H2S到達工作電極時，發(fā)生還原反應，產(chǎn)生 H+，同時釋放電子。H+通過電解液到達對電極，發(fā)生氧化反應。該過程的反應方程式如式(7)和式(8)所示。

總電池反應如式(9)所示。

上述所有過程中，電子的消耗和轉移可以產(chǎn)生電流，測量對應電流的大小即可計算出目標氣體的濃度。

2 總體設計方案

系統(tǒng)使用STM32F103RCT6微處理器，與電化學傳感器和CC1101無線傳輸模塊結合，設計了一種受限空間氣體檢測裝置，主要具有以下功能:(1)能夠檢測CO、H2S這兩種常見的受限空間有毒氣體濃度和O2的濃度;(2)能夠將濃度信息顯示在液晶顯示屏上;(3)具有聲音報警功能;(4)具有氣體濃度信息無線傳輸功能。本系統(tǒng)的結構框架如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結構框圖

本系統(tǒng)主要由2部分組成，分別是救援人員攜帶的檢測裝置，和置于外部的監(jiān)測裝置。檢測裝置主要包括:單片機的最小系統(tǒng)，電化學傳感器，信號處理芯片，TFTLCD液晶顯示屏，發(fā)光二極管和蜂鳴器。原理如下:當電化學傳感器感知到外界的有害氣體后，會輸出隨氣體濃度變化的電流信號，電流信號經(jīng)過信號處理芯片后轉換為電壓信號，電壓信號被單片機采集并經(jīng)過內部的12位ADC進行模數(shù)轉換，經(jīng)過計算后在液晶顯示屏上顯示，如果超過報警濃度則進行聲光報警。與此同時，將數(shù)據(jù)通過無線傳輸芯片傳輸?shù)酵獠康谋O(jiān)測系統(tǒng)，方便外部人員實時監(jiān)測，并且外部監(jiān)測系統(tǒng)也具備報警功能。

3 硬件結構設計

3.1 微處理器

系統(tǒng)采用的2個微處理器都是STM32F103RCT6芯片，該芯片是32位ARM微控制器，以Cortex－M3為核心，速度高達72 MHz，滿足系統(tǒng)的實時性需求。并且該芯片具有3個12位ADC，3個SPI接口，2個I2C接口，5個串口，48 KB的SRAM和256 KB的FLASH，方便與LMP91000信號處理芯片和CC1101無線傳輸芯片進行通信［4］。微處理器與晶振、復位電路、電源和程序燒錄口構成單片機最小系統(tǒng)。

3.2 電化學傳感器

目前市場上檢測有毒氣體的檢測儀器大多數(shù)都使用電化學傳感器。電化學傳感器具有良好的重復性、準確性和分辨率，精度高、功耗低，并且比大多數(shù)其他氣體檢測技術更經(jīng)濟［5］。本設計使用4系氧氣傳感器 AAY80－390R 和4CO－500、4H2S－100傳感器。O2電化學傳感器是雙引腳傳感器，分別是對電極(C)和工作電極(W)。CO和H2S電化學傳感器是三引腳傳感器，分別是對電極、工作電極和參考電極(R)。電化學氣體傳感器可輸出隨濃度成線性變化的電流信號。

3.3 信號處理芯片

由于電化學傳感器輸出的是電流信號，需要把它轉換成電壓信號，所以需要進行信號處理。電化學傳感器具有經(jīng)典的調理電路，如圖3所示。

圖3 電化學傳感器經(jīng)典調理電路

但是該調理電路需要改變反饋電阻來適應不同傳感器的電壓輸出，使得電路的統(tǒng)一性不高，并且過于復雜［6］。故本系統(tǒng)采用了LMP91000芯片作為電化學傳感器的輸出信號處理核心。LMP91000芯片是一款可編程模擬前端(AFE)，專門適用于微功耗電化學感測應用。該芯片的引腳配置如圖4所示。

圖4 芯片引腳配置

該芯片中主要有5個寄存器，分別是狀態(tài)寄存器、保護寄存器、TIA控制寄存器、參考控制寄存器和模式控制寄存器，配置這些寄存器可以設置各種參數(shù)。

LMP91000與微處理器是通過I2C協(xié)議進行通信。當有多個 LMP91000與微控制器連接時，將所有LMP91000的SCL和SDA引腳都與微控制器的同一對SCL和SDA引腳連接，各芯片的MENB引腳與微控制器不同的I/O口連接，通過控制MENB的高低電平，從而控制微控制器與LMP91000通訊。圖5顯示了當多個LMP91000連接到I2C總線上的典型連接方式。

圖5 多個LMP91000與I2C總線的連接

電化學傳感器與LMP91000的電路連接如圖6(a)和6(b)所示。

圖6 電化學傳感器連接圖

圖6 中的SDA與SCL用作I2C通信的接口。MENB是使能引腳，VOUT輸出的是電壓信號并輸入到單片機的ADC接口進行模數(shù)轉換。AGND和DGND通過0 Ω的電阻相連，實現(xiàn)單點接地。

3.4 液晶顯示屏

本系統(tǒng)采用的是ALIENTEK TFTLCD模塊，用來顯示氣體濃度數(shù)據(jù)。電路連接圖如圖7所示［7］。

圖7 TFTLCD模塊連接圖

3.5 聲光報警電路

聲光報警電路連接圖如圖8所示。

圖8 聲光報警電路

當周圍濃度超過預設濃度時，PA8輸出高電平，三極管的基級電壓大于開啟電壓，使三極管導通，故發(fā)光二極管和蜂鳴器都工作［8］。

3.6 無線傳輸芯片

現(xiàn)在無線傳輸?shù)募夹g有Wi－Fi，藍牙，Zigbee和自定義(如433M)。相比之下，433M的傳輸距離遠，復雜性不高，可靠性高，傳輸速率快，設備成本低，繞射性好［9］，十分適用于在受限空間中的數(shù)據(jù)傳輸。故本文采用的是CC1101無線傳輸芯片。

CC1101是一款低成本的1 GHz以下的射頻收發(fā)器，專為超低功耗無線應用設計。該芯片主要用于315 MHz，433 MHz，868 MHz 和 915 MHz 的 ISM 和SRD頻段，特別適和于針對通信設備的無線應用。本系統(tǒng)使用工業(yè)級CC1101無線模塊，具有標準SMA天線接口，實物圖如圖9所示。

圖9 工業(yè)級CC1101模塊

CC1101的內部寄存器繁多，但是用Smart R F Studio 7軟件配置寄存器，可以大大簡化開發(fā)流程。微處理器通過I/O口模擬4線SPI接口(CS，MOIS，MISO，SCK)時序來控制CC1101芯片進行通訊。

3.7 電源電路

本裝置的單片機、信號處理芯片和液晶模塊均使用3.3 V供電。故采用AMS1117－3.3V芯片將干電池電壓轉換成3.3 V電壓［10］。電源電路圖如圖10所示。

圖10 電源電路圖

4 系統(tǒng)軟件設計

4.1 主程序

主程序主要包括系統(tǒng)初始化，氣體信息濃度采集，信號處理，無線收發(fā)，液晶顯示，超標報警等子程序。具體流程圖如圖11所示。

4.2 信號處理芯片程序

LMP91000的程序流程圖如圖12所示。

系統(tǒng)通電后，先對LMP91000初始化，讀取其狀態(tài)寄存器，若為1，則準備接受I2C命令。芯片啟動后，把鎖定寄存器置0，使能寫入TIACN和REFCN寄存器。然后配置各個寄存器，設置負增益阻抗、反饋電阻、內部零點、偏置、參考源和操作模式，最后鎖定寄存器置1，禁止寫入TIACN和REFCN寄存器。配置完成后從芯片的VOUT引腳讀取轉換后的電壓值。其中電壓值與電化學傳感器的輸出電流關系如下:

圖11 主程序流程圖

圖12 LMP91000程序流程圖

式中:Vref_div為內部零點選擇后的參考電壓;Vout為輸出電壓;RTIA為負增益阻抗;Iwe為電化學傳感器輸出電流。

4.3 無線傳輸程序

數(shù)據(jù)的無線傳輸需要用到2個無線模塊。一個負責在受限空間內發(fā)送數(shù)據(jù)，一個負責在外部接收數(shù)據(jù)。通信開始時，先對CC1101進行復位，再編寫SPI寫寄存器、SPI連續(xù)寫配置寄存器、SPI寫命令等函數(shù)對CC1101進行設置和操作，包括數(shù)據(jù)包處理，發(fā)送功率設置，調制方式等。

無線數(shù)據(jù)發(fā)送與接收流程圖分別如圖13(a)和圖13(b)所示。

圖13 無線數(shù)據(jù)發(fā)送與接收流程圖

無線發(fā)送部分代碼:

void halRfSendPacket(INT8U*txBuffer，INT8U size){

halSpiWriteBurstReg(CC1101_TXFIFO，txBuffer，size);

halSpiStrobe(CC1101_STX);

while(!GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC，GPIO_Pin_GD0));

while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC，GPIO_Pin_GD0));

halSpiStrobe(CC1101_SFTX);}

無線接收部分代碼:

INT8U halRfReceivePacket(INT8U*rxBuffer，INT8U*length){

INT8U status［2］;

INT8U packetLength;

INT8U i=(*length)*4;

halSpiStrobe(CC1101_SRX);

Delay(5);

while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA，GPIO_Pin_GD0)){

Delay(2);

－－i;

if(i＜1)

return 0;}

if((halSpiReadStatus(CC1101_RXBYTES)＆BYTES_IN_RXFIFO)){

packetLength=halSpiReadReg(CC1101_RXFIFO);

if(packetLength＜=*length){

halSpiReadBurstReg(CC1101_RXFIFO，rxBuffer，packetLength);

*length=packetLength;

halSpiReadBurstReg(CC1101_RXFIFO，status，2);

halSpiStrobe(CC1101_SFRX);

return(status［1］＆ CRC_OK);}

else{

*length=packetLength;

halSpiStrobe(CC1101_SFRX);

return 0;}}

else

return 0;}

5 實驗與分析

5.1 硬件調試

本系統(tǒng)的硬件電路使用Altium Designer軟件繪制，并且用該軟件繼而繪制好PCB原理圖，交給生產(chǎn)工廠進行制作。為了方便調試，將3個電化學傳感器插入針腳安裝在印刷電路板的背面。焊接元器件后，用萬用表確保硬件電路沒有問題情況下，再進行程序的燒錄和調試。氣體檢測部分的實物圖如圖14(a)和圖14(b)所示。

圖14 PCB實物圖

本系統(tǒng)的電化學傳感器在測量前先經(jīng)過48 h的老化處理，并且預熱后通過流量計送入99.999%的純氮氣校準零點。圖15是放在潔凈大氣中液晶顯示屏的顯示界面。

5.2 誤差測試

將不同濃度的待測氣體通過標定嘴送給傳感器，待檢測系統(tǒng)檢測到的濃度數(shù)值穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)。測試的數(shù)據(jù)表明，進行檢測的各待測氣體濃度數(shù)值均在合理的誤差范圍內。測試結果如表1所示。

圖15 潔凈大氣中液晶顯示界面

表1 誤差測試數(shù)據(jù)表

5.3 穩(wěn)定性測試

由于3種氣體的穩(wěn)定性原理相似，所以僅以O2為例作為該裝置穩(wěn)定性的測試。將裝置置于潔凈大氣中(O2濃度為20.90%)，每隔2 h記錄1次數(shù)據(jù)，共記錄5次。測試結果如表2所示。

表2 氧氣穩(wěn)定性測試數(shù)據(jù)表 %

如表2所示，5次測量中最小值是20.70%，最大值是21.09%，穩(wěn)定度為0.39%，符合穩(wěn)定性要求。

6 結束語

本文設計的受限空間氣體檢測裝置可以實現(xiàn)關鍵氣體的檢測，無線傳輸，液晶屏顯示，超標報警等功能。與傳統(tǒng)的電化學傳感器檢測電路相比，使用LMP91000芯片進行信號處理，大大降低了電路的復雜性，提高了系統(tǒng)的可靠性與測量精度。施救人員身上的檢測裝置可以通過433 MHz頻段的無線傳輸，第一時間傳輸?shù)酵獠康谋O(jiān)測人員的終端上，可以使救援團隊及時了解當前情況，從而采取相應的措施，在受限空間救援中有一定的實用性。