礦用便攜式多參數(shù)檢測儀的研究與設(shè)計

【摘要】本文設(shè)計了一款便攜式多參數(shù)檢測儀，能同時采集瓦斯、一氧化碳、氧氣、硫化氫氣體及環(huán)境溫度、濕度、壓力等多種環(huán)境參量實時信息，并通過液晶顯示。此便攜多參數(shù)檢測儀不僅可任意以單獨產(chǎn)品使用，還可以通過無線接口接入PDA、井下單兵救援系統(tǒng)中，提供實時環(huán)境參量信息。

【關(guān)鍵詞】礦用便攜式；多參數(shù)檢測儀；研究；設(shè)計

1.引言

為了更好的保障煤礦井下的安全生產(chǎn)，國家明確要求相關(guān)工作人員必須配備便攜瓦斯檢測儀，但在煤礦井下除了甲烷氣體外，還存在一氧化碳、硫化氫等有毒氣體，隨時可能威脅到井下工作人員的生命安全，因此對井下一氧化碳、硫化氫等有毒氣體的檢測越來越引起礦方的重視；同時由于傳統(tǒng)的在線式一氧化碳、硫化氫等傳感器只能固定的檢測某一點的環(huán)境參數(shù)，不能隨時隨地保證工作人員處于安全環(huán)境，無法為井下工作人員提供及時的預(yù)警信息，而便攜多參數(shù)檢測儀可以實時的為井下工作人員提供所處環(huán)境的各個參數(shù)，更好的保證工作人員的生命安全。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計

本便攜式多參數(shù)檢測儀以EFM32TG232處理器為核心，可以實時檢測環(huán)境空氣中甲烷、一氧化碳、氧氣、硫化氫四種環(huán)境氣體的濃度；同時具有時間、溫度、濕度、壓力和電池電量的采集功能，并在CPU控制下通過液晶模塊進(jìn)行顯示，同時可以通過無線接口對外通信。如圖1為系統(tǒng)原理框圖，該系統(tǒng)主要由CPU處理及采集模塊、顯示模塊、通信模塊等部分組成。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2.1 信號處理及采集模塊設(shè)計

為了滿足系統(tǒng)對甲烷、一氧化碳、氧氣、硫化氫、壓力、濕度及電池電量各種信號的采集功能，本文選用選用Energy Micro公司的處理器EFM32TG232作為控制器，EFM32TG232具備8路12位A/D、RTC功能、同時具有低功耗功能。信號處理及采集模塊主要包括甲烷測量模塊、一氧化碳及硫化氫測量模塊、氧氣測量模塊、壓力、濕度及電池電量測量模塊。

2.1.1 甲烷檢測模塊

甲烷探頭電路原理圖如圖2所示，是由兩個傳感器敏感元件和兩支固定的電阻組成的惠斯通電橋。敏感元件在表面上浸涂了鉑族金屬催化劑，成為黑元件（a），另一元件無催化劑，為參比元件b（白元件）。黑白元件的鉑絲是橋路電阻，又是加熱器，使催化劑在高溫下產(chǎn)生催化作用，兩固定電阻R1、R2，與黑白元件電阻相匹配。無甲烷氣體時，橋路平衡，輸出信號為零；有甲烷氣體時，在黑元件表面進(jìn)行催化氧化，放出熱量，使溫度升高，電阻升高，而白元件電阻值不變，此時橋路不平衡，輸出一定電壓信號，且輸出的信號與CH4氣體含量成正比，通過采集電橋電壓可以計算出當(dāng)前環(huán)境中甲烷的實際濃度。

圖2 甲烷測量原理圖

2.1.2 一氧化碳、硫化氫信號采集模塊

一氧化碳、硫化氫探頭傳感元件具有相同的原理、信號大小，都采用電化學(xué)原理，由工作電極WE、輔助電極CE和參考電極RE，當(dāng)含有的被測氣體擴(kuò)散CO/H2S進(jìn)入傳感器時，被測氣體中的在工作電CO/H2S電極上發(fā)生電化學(xué)氧化反應(yīng)，根據(jù)斐克擴(kuò)散定律，在WE-CE之間形成電流I，通過對電流進(jìn)行取樣、放大后輸出到單片機(jī)ADC中進(jìn)行采集。CO/H2S傳感元件信號處理及采集電路如圖3所示。

圖3 一氧化碳/硫化氫探頭處理電路

圖4 氧氣探頭放大處理電路

2.1.3 氧氣傳感元件采集處理模塊

氧氣傳感器采用英國ALPHA公司的O2-A2型氧氣傳感元件。由于氧氣傳感器元件為電流信號，且電流信號很小為μA級，因此為了提高測量信號的精度和穩(wěn)定性，需要選擇共模抑制比高、增益大和溫漂小的信號放大器。本文采用AD公司的運放芯片AD8269實現(xiàn)信號的放大。如圖4為氧氣傳感器探頭信號采集電路。

2.1.4 壓力及濕度采集模塊

壓力和濕度采集元件輸出均為標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，通過分壓后直接輸入到處理器ADC采集端口，其中壓力采集芯片采用飛思卡爾公司的MPX4250；濕度采用霍尼韋爾公司的HIH-400。

2.2 顯示模塊設(shè)計

為了更好的實現(xiàn)人機(jī)交互界面，多參數(shù)檢測儀采用128*64圖形點陣液晶顯示。該液晶顯示器，采用LED背光顯示，適用于各種儀器儀表、工業(yè)控制、辦公自動化等領(lǐng)域。采用并行模式向LCD模塊寫入顯示數(shù)據(jù)，在并行模式下LCD驅(qū)動時序圖如圖5所示。

圖5 LCD模塊并行寫數(shù)據(jù)時序圖

圖6 nRF2401通信應(yīng)用電路

圖7 系統(tǒng)軟件流程設(shè)計

2.3 無線通信模塊

為了增強(qiáng)該多參數(shù)檢測儀的使用范圍，本多參數(shù)檢測儀增加了無線通信功能，這樣該多參數(shù)檢測儀除了作為單一產(chǎn)品應(yīng)用外，還可以與煤礦PDA設(shè)備、井下單兵救援系統(tǒng)實現(xiàn)無線通信，接入其它系統(tǒng)中。如圖6為nRF2401無線通信應(yīng)用電路，該模塊的核心器件是NRF2401，其外圍電路簡單，除去耦電容及工作晶振外，ANT1和ANT2引腳輸出平衡的RF信號到天線，其中ANT2輸出信號經(jīng)過LC串聯(lián)及并聯(lián)電路選頻濾波后，再經(jīng)天線傳出；且該信號又經(jīng)過電感返回至ANT1，構(gòu)成內(nèi)部PA電路的反饋。另外，POWER-nREF、CE-nREF、CS-nREF、DR1-nREF、CLK1-nREF和DATA-nREF是6個功能接口，分別與CPU的6個I/O口相連。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用C語言模塊化設(shè)計。主要實現(xiàn)信號采集、數(shù)字濾波處理、人機(jī)界面處理、參數(shù)設(shè)置、通信處理等功能。在信號采集處理方面采用連續(xù)采集方式，依次完成對甲烷、一氧化碳、氧氣、硫化氫、壓力、濕度等信號的采集；為了減少外部干擾帶來了誤差，采用中值濾波法進(jìn)行濾波后得到最終環(huán)境參量，然后在CPU的控制下通過液晶模塊實現(xiàn)各個環(huán)境參量的顯示，同時實現(xiàn)與外部設(shè)備實現(xiàn)無線通信。如圖7所示為系統(tǒng)軟件流程圖。

4.結(jié)語

該礦用便攜式多參數(shù)檢測儀既可以同時測量甲烷、一氧化碳、氧氣、硫化氫等四種環(huán)境氣體參數(shù)，又可以檢測溫度、濕度、壓力等常規(guī)參量；既可以作為單一產(chǎn)品使用，又可以通過無線接口與接入PDA、單兵系統(tǒng)中。具有功能齊全、操作簡單、攜帶方便、測量精度高、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。

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項目來源：天地（常州）自動化股份有限公司科研基金項目（項目編號：13SY001）。

作者簡介：王鴻建（1983―），男，河南駐馬店人，碩士研究生，主要從事煤礦監(jiān)測系統(tǒng)、礦用傳感器的研究與開發(fā)。