摘 要：CO屬于有毒有害和易燃易爆氣體，很多礦山均有CO監(jiān)測(cè)需求，市售的CO監(jiān)測(cè)儀無(wú)法滿足智能化監(jiān)測(cè)需求。采用STM32單片機(jī)作為控制中心，利用嵌入式開(kāi)發(fā)技術(shù)，研制一種集成溫度、濕度和氣壓傳感器的小型化CO監(jiān)測(cè)儀。監(jiān)測(cè)儀輸出CAN總線信號(hào)以增強(qiáng)抗干擾性，設(shè)計(jì)CAN總線轉(zhuǎn)換器以滿足數(shù)據(jù)傳輸要求；針對(duì)離線監(jiān)測(cè)需求，設(shè)計(jì)兼容CAN總線的插卡式數(shù)據(jù)記錄儀；開(kāi)發(fā)配套的測(cè)控軟件。監(jiān)測(cè)儀具有體積小、量程范圍寬、可網(wǎng)絡(luò)化集群布設(shè)的特點(diǎn)。測(cè)試結(jié)果表明，測(cè)量結(jié)果相對(duì)偏差小于±3.5%，可滿足礦山和其他狹窄空間的CO監(jiān)測(cè)需求。

關(guān)鍵詞：STM32；嵌入式開(kāi)發(fā)；小型智能型CO監(jiān)測(cè)儀；CAN總線；測(cè)控軟件；嵌入式

中圖分類號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）05-00-05

0 引 言

CO屬有毒有害氣體，當(dāng)空氣中CO濃度較高時(shí)會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生危害，嚴(yán)重者會(huì)昏迷甚至生命終結(jié)[1-3]。CO與空氣混合的爆炸極限約為12%～74%（體積分?jǐn)?shù)），當(dāng)遇到電火花時(shí)會(huì)發(fā)生爆炸，危害極其嚴(yán)重[4-5]。因此很多礦山都有CO監(jiān)測(cè)的需求[6]。CO監(jiān)測(cè)一般分為兩種：一種是手持式，這種方式無(wú)法記錄數(shù)據(jù)，且量程較?。涣硗庖环N是在線式，但體積較大，無(wú)法滿足鉆孔等特殊位置的監(jiān)測(cè)需求，并且測(cè)量對(duì)象單一。針對(duì)這些問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種尺寸和體積遠(yuǎn)小于市場(chǎng)上同類產(chǎn)品的小型智能化CO監(jiān)測(cè)儀，不僅集成了溫濕壓傳感器，還具有體積小、量程范圍寬、可網(wǎng)絡(luò)化集群布設(shè)的特點(diǎn)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

1 CO監(jiān)測(cè)儀研制

在分析傳統(tǒng)CO監(jiān)測(cè)方法的基礎(chǔ)上，本文確定了小型數(shù)字化的CO測(cè)控技術(shù)路線。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要分為硬件部分和軟件部分。系統(tǒng)的工作流程為：STM32芯片采集傳感器的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理后發(fā)送至CAN總線，由插卡式數(shù)據(jù)記錄儀記錄或者經(jīng)CAN信號(hào)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)信號(hào)后發(fā)送至計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)軟件處理后顯示。系統(tǒng)最多可接入64路總線節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)最多可接63個(gè)監(jiān)測(cè)儀，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)位置的CO濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)總體技術(shù)路線如圖1所示。

1.1 硬件研制

硬件設(shè)計(jì)主要包括監(jiān)測(cè)儀電路設(shè)計(jì)、封裝結(jié)構(gòu)機(jī)械設(shè)計(jì)、CAN信號(hào)[7]轉(zhuǎn)換器、插卡式數(shù)據(jù)記錄儀。

1.1.1 監(jiān)測(cè)電路

監(jiān)測(cè)儀電路板用于承載CO傳感器、溫濕壓傳感器、單片機(jī)、顯示屏等電子器件，并建立電氣連接。為保證監(jiān)測(cè)儀小型化，電路板也應(yīng)盡可能小型化，電路板小型化也面臨著很多難點(diǎn)，主要是散熱和干擾問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)布局、精選電子元器件和降低功耗的方式解決。

選用STM32單片機(jī)[8]作為嵌入式控制中心，CO傳感器選用摻入了金屬氧化物的TGS5342[9-10]，溫濕壓傳感器選用BME280，集成運(yùn)放選用TLV521，多路開(kāi)關(guān)選用TS5A3359，顯示屏選用UG-2832HSWEG04，CAN總線收發(fā)器選用SN65HVD230芯片[7]，網(wǎng)絡(luò)收發(fā)選用W5500芯片[11]。將CO傳感器輸出的弱電流調(diào)理為電壓信號(hào)后，由STM32單片機(jī)負(fù)責(zé)A/D轉(zhuǎn)換并計(jì)算CO濃度。多路開(kāi)關(guān)用于切換放大倍數(shù)，使低濃度數(shù)據(jù)有更好的分辨率。CO濃度和溫濕壓數(shù)據(jù)將顯示在OLED屏上，同時(shí)發(fā)送到CAN總線，邏輯圖和電路圖如圖2所示。

1.1.2 封裝結(jié)構(gòu)機(jī)械設(shè)計(jì)

封裝結(jié)構(gòu)是保證監(jiān)測(cè)儀小型化的關(guān)鍵，為減小CO監(jiān)測(cè)儀體積，專門對(duì)封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。重點(diǎn)是根據(jù)電路板、CO傳感器和顯示屏等元器件，考慮氣體擴(kuò)散和防護(hù)，設(shè)計(jì)出了封裝結(jié)構(gòu)。

封裝結(jié)構(gòu)主要由電纜鎖緊頭、上下蓋和容器等組成。傳感器、電路板及顯示屏封裝于主體容器內(nèi)，上下蓋與主體容器用螺絲固定。上蓋裝配電纜鎖緊頭，用于電纜固定；下蓋布設(shè)多個(gè)小孔，使氣體能夠順利進(jìn)入容器。封裝結(jié)構(gòu)效果和實(shí)物如圖3所示。

1.1.3 CAN信號(hào)轉(zhuǎn)換器

監(jiān)測(cè)儀輸出沒(méi)有采用4～20 mA的模擬信號(hào)而是采用了CAN總線信號(hào)，因?yàn)镃AN總線信號(hào)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重情況下可自動(dòng)退出總線等優(yōu)點(diǎn)，特別適合工業(yè)上各測(cè)控單元互聯(lián)，被認(rèn)為是最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議[7]。

普通計(jì)算機(jī)不具備CAN總線接口，為了將CO監(jiān)測(cè)儀連接到計(jì)算機(jī)，制作了網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)CAN總線信號(hào)至網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的轉(zhuǎn)換。其中STM32單片機(jī)作為控制中心，CAN總線收發(fā)器選用SN65HVD230芯片，網(wǎng)絡(luò)收發(fā)選用W5500芯片，繼電器選用HFE20。CAN信號(hào)轉(zhuǎn)換器除了實(shí)現(xiàn)CAN總線信號(hào)和網(wǎng)絡(luò)信號(hào)轉(zhuǎn)換外，還實(shí)現(xiàn)一路電源或者信號(hào)的通斷控制，當(dāng)前端監(jiān)測(cè)儀或者系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)可以遠(yuǎn)程控制重啟。邏輯圖和電路圖如圖4所示。

1.1.4 插卡式記錄儀

市面上的插卡式記錄儀（無(wú)紙記錄儀）一般只支持電流等模擬信號(hào)，不支持CAN總線信號(hào)，因此專門研制了插卡式記錄儀滿足離線記錄數(shù)據(jù)需求。記錄儀掛接在CAN總線上，由STM32單片機(jī)采集CAN總線上的監(jiān)測(cè)儀數(shù)據(jù)。電路本身保持準(zhǔn)確時(shí)鐘，由超級(jí)電容作為后備電源[7]，保證系統(tǒng)掉電數(shù)日后時(shí)鐘不丟失。采集到的數(shù)據(jù)連同時(shí)間一起保存在存儲(chǔ)卡上，邏輯圖和電路圖如圖5所示。一個(gè)監(jiān)測(cè)儀按周期1 s記錄時(shí)，1 GB的存儲(chǔ)卡可記錄5年的數(shù)據(jù)。

1.1.5 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要指標(biāo)

最終研制出的小型CO監(jiān)測(cè)儀功耗為0.1 W，尺寸為φ2.5 cm×4 cm，體積約20 cm3；而市售傳感器尺寸一般為26 cm×16 cm×10 cm，體積約1 000 cm3。測(cè)量范圍可在（0～1 000）×10-6 m3/m3、（0～5 000）×10-6 m3/m3和（0～10 000）×10-6 m3/m3之間自動(dòng)切換，測(cè)量分辨率為1×10-6 m3/m3，響應(yīng)時(shí)間小于30 s。研制監(jiān)測(cè)儀與市售監(jiān)測(cè)儀的對(duì)比如圖6所示。

1.2 軟件開(kāi)發(fā)

1.2.1 嵌入式軟件

CO監(jiān)測(cè)儀及其配套設(shè)備的嵌入式軟件均基于自研的嵌入式操作系統(tǒng)XXOS編寫(xiě)。XXOS是專門針對(duì)STM32系列單片機(jī)而開(kāi)發(fā)，它提供了基于STM32單片機(jī)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)，為應(yīng)用程序提供了可靠的實(shí)時(shí)多任務(wù)環(huán)境，簡(jiǎn)化和規(guī)范了應(yīng)用程序，降低了嵌入式軟件開(kāi)發(fā)的復(fù)雜度和難度。嵌入式軟件存儲(chǔ)并運(yùn)行在STM32單片機(jī)上，驅(qū)動(dòng)STM32單片機(jī)實(shí)現(xiàn)特定功能，層次結(jié)構(gòu)如圖7所示。

嵌入式軟件根據(jù)實(shí)現(xiàn)功能的不同而有所區(qū)別，主要實(shí)現(xiàn)傳感器的數(shù)據(jù)讀取和處理，控制串行通信、CAN總線和網(wǎng)絡(luò)通信，驅(qū)動(dòng)外圍設(shè)備，存儲(chǔ)相關(guān)參數(shù)和數(shù)據(jù)。

1.2.2 參數(shù)控制軟件

監(jiān)測(cè)儀和配套設(shè)備生產(chǎn)組裝完，需要將嵌入式程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)，并對(duì)總線地址、IP地址等信息進(jìn)行設(shè)置。軟件借助以太網(wǎng)與XXOS通信，可以查看CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信狀態(tài)、任務(wù)?？臻g使用，控制CAN節(jié)點(diǎn)復(fù)位和跳轉(zhuǎn)，設(shè)置用戶參數(shù)，在線改寫(xiě)用戶程序或值班程序。軟件界面如圖8所示。

1.2.3 數(shù)據(jù)采集與顯示軟件

軟件采用網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)儀的控制和通信。每路CAN總線可連接多個(gè)CO監(jiān)測(cè)儀，網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器將CAN總線信號(hào)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，軟件通過(guò)網(wǎng)絡(luò)可接收多路CAN總線數(shù)據(jù)。軟件接收到數(shù)據(jù)后，顯示數(shù)據(jù)、繪制曲線，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為文件。軟件優(yōu)化了總線通信程序，監(jiān)測(cè)儀未收到命令時(shí)主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)與軟件通信，收到命令時(shí)再按照傳統(tǒng)的通信方式通信，這樣大大縮短了數(shù)據(jù)通信周期。以總線上連接64個(gè)

CO監(jiān)測(cè)儀為例，采用傳統(tǒng)的通信方式獲取全部監(jiān)測(cè)儀數(shù)據(jù)需要的時(shí)間大約為3 000 ms，現(xiàn)在只需要100 ms。軟件界面如圖9所示。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

應(yīng)用CO監(jiān)測(cè)系統(tǒng)前需要驗(yàn)證其穩(wěn)定性和可靠性。本文設(shè)計(jì)了溫濕度和氣壓對(duì)傳感器的影響實(shí)驗(yàn)，測(cè)試了監(jiān)測(cè)儀的示值誤差，同時(shí)該系統(tǒng)在某礦山得到實(shí)際應(yīng)用。

2.1 溫濕度和氣壓對(duì)傳感器的影響

溫濕度實(shí)驗(yàn)在恒溫恒濕箱里進(jìn)行，恒溫恒濕箱提供-20～45 ℃、10%～98%RH的環(huán)境。在上述環(huán)境中，CO監(jiān)測(cè)儀在空氣中和體積分?jǐn)?shù)為2 300×10-6 m3/m3的標(biāo)氣中的示值變化小于量程的0.1%。

氣壓變化對(duì)監(jiān)測(cè)儀影響比較明顯。圖10中將監(jiān)測(cè)儀放在798×10-6 m3/m3的標(biāo)氣中，氣壓從700 kPa增加到1 500 kPa，監(jiān)測(cè)儀數(shù)值從700×10-6 m3/m3增加到1 450×10-6 m3/m3，其變化近似成線性。但在具體的某一個(gè)工作現(xiàn)場(chǎng)中，氣壓變化較小，一般小于3 kPa，監(jiān)測(cè)儀示值變化小于量程的0.1%，該影響可以在不確定度評(píng)定中考慮。

監(jiān)測(cè)儀集成了溫濕壓傳感器，不僅可以提供現(xiàn)場(chǎng)的溫濕壓數(shù)據(jù)，也可以保證CO濃度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.2 測(cè)試考核

采用濃度分別為919×10-6 m3/m3、2 467×10-6 m3/m3和9 631×10-6 m3/m3的CO標(biāo)準(zhǔn)氣體對(duì)小型化監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行測(cè)試，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1所列。結(jié)果表明：監(jiān)測(cè)儀的偏差小于3.5%，優(yōu)于電化學(xué)傳感器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中10%的偏差要求。測(cè)試過(guò)程中曲線變化一致，說(shuō)明監(jiān)測(cè)儀的一致性較好。

2.3 應(yīng)用測(cè)試

在某礦山布設(shè)了5個(gè)CO監(jiān)測(cè)儀，其中監(jiān)測(cè)點(diǎn)2因工作需要位于直徑40 mm、深20 m的鉆孔中（該處監(jiān)測(cè)點(diǎn)是市售監(jiān)測(cè)儀無(wú)法安裝的），測(cè)量結(jié)果如圖11所示。在工作現(xiàn)場(chǎng)CO監(jiān)測(cè)儀、CAN總線轉(zhuǎn)換器、測(cè)控軟件、供電和遠(yuǎn)程傳輸均工作穩(wěn)定，獲取了大量有效數(shù)據(jù)，這表明CO監(jiān)測(cè)儀現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用是成功的。CO濃度變化來(lái)自于礦車作業(yè)，從圖中可以看出部分測(cè)點(diǎn)的CO濃度長(zhǎng)時(shí)間超過(guò)了16×10-6 m3/m3（國(guó)標(biāo)推薦值20 mg/m3換算成現(xiàn)場(chǎng)工況條件下的體積分?jǐn)?shù)為16×10-6 m3/m3），人員如果在該環(huán)境下長(zhǎng)期工作具有一定的危險(xiǎn)性，因此通過(guò)監(jiān)測(cè)CO濃度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)示警是有必要的，礦山可根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)一步改善空氣質(zhì)量。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文立足嵌入式技術(shù)，通過(guò)STM32單片機(jī)、CAN總線技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)CO濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)證明，本文系統(tǒng)具有可靠性高、體積小、量程范圍寬、可網(wǎng)絡(luò)化集群布設(shè)的優(yōu)點(diǎn)，且具有遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。系統(tǒng)創(chuàng)新性地采用CAN總線作為通信協(xié)議，不僅增強(qiáng)了抗干擾性，而且不會(huì)因?yàn)楣收蟼鞲衅饔绊懴到y(tǒng)通信。該成果可應(yīng)用于礦山、化工、鋼鐵、冶金和大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)等行業(yè)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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作者簡(jiǎn)介：劉現(xiàn)收（1983—），男，河南濮陽(yáng)人，高級(jí)工程師，就職于西北核技術(shù)研究所，研究方向?yàn)闇y(cè)量技術(shù)與儀器。

收稿日期：2023-05-07 修回日期：2023-06-05