具備藍牙傳輸的礦用多參數便攜儀的設計

郝葉軍

摘要：針對現有便攜儀使用效果不佳的問題，設計了一種多參數便攜儀，介紹了便攜儀的設計原理，并對其軟硬件設計進行了描述，在文章最后給出了實驗測試結果，經過15天的穩(wěn)定性試驗后，測試精度高于行標要求，表明測試效果較好。

關鍵詞：便攜儀；多參數；藍牙

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）36-0228-02

國家對煤礦的環(huán)境監(jiān)測相當重視[1]，在煤礦井下布置了甲烷傳感器、一氧化碳傳感器、氧氣傳感器等，這些傳感器對煤礦的安全生產發(fā)揮了重要作用。由于固定式傳感器的布置做不到全覆蓋，這樣對煤礦環(huán)境的監(jiān)測就存在盲區(qū)，而便攜儀可以進行移動式監(jiān)測[2]，便攜式檢測儀與固定式傳感器相配合，可以更好地滿足煤礦上對環(huán)境監(jiān)測的需求。在煤礦上廣泛使用的便攜儀為單參數檢測儀，檢測氣體種類少，且多不具備無線傳輸的功能。

針對現有便攜儀存在的問題，提出基于藍牙傳輸的多參數便攜儀的開發(fā)思路，可以對環(huán)境中的甲烷、一氧化碳、二氧化碳、氧氣進行檢測。通過在實驗環(huán)境下的反復試驗驗證，可以看出該便攜儀具有較高的精度，運行穩(wěn)定性好；通過現場使用效果來看，本傳感器具有較高的現場適應性，保證了煤礦井下復雜環(huán)境下多種氣體的有效檢測。

1 便攜儀的氣體檢測原理

多參數便攜儀可以完成對四種氣體的檢測，包含：甲烷的檢測、一氧化碳的檢測、氧氣的檢測和二氧化碳的檢測，這四種氣體基本包含了煤礦中的主要氣體。

在煤礦環(huán)境中對甲烷的檢測方法包含：催化燃燒原理、熱導原理、紅外原理和激光原理等。其中，催化甲烷傳感器在煤礦上使用最廣，相應的探頭價格最低，本方案采用該方式進行甲烷檢測。

一氧化碳、氧氣的氣體檢測元件均采用電化學原理，由負電極、正電極、參考電極組成；其中，參考電極為傳感元件提供外部穩(wěn)定電壓，在被測氣體中，由于傳感元件內部發(fā)生電化學反應，在正電極與負電極之間，形成一微弱電流，氣體濃度越高，產生電流越大，通過測量產生電流的大小可以精確的計算出被測氣體的濃度。

二氧化碳的檢測采用紅外原理[3]，當紅外光通過被測氣體時，其分子吸收光能量，不同氣體具有不同的光譜，其對應的吸收強度又與該氣體的濃度相關，利用這一原理可以測量二氧化碳氣體的濃度。

2 多參數便攜儀設計

礦用多參數便攜儀可以對環(huán)境中的四種主要氣體進行檢測。測量精度高、結構簡單易用，具有較高的適用性。它能將測量的氣體濃度信息，通過藍牙傳送給上一級監(jiān)控設備；系統(tǒng)采用NXP系列單片機LPC1518處理器作為主控芯片，完成對周圍環(huán)境中氣體濃度的檢測功能，并通過藍牙輸出，傳感器支持通過按鍵進行交互，可以進行參數設置，便攜儀采用LCD進行參數顯示，具備優(yōu)化的界面。

框圖如下圖2所示：

采集到的四種氣體濃度信號，經過相應的信號調理電路后，轉換為對應的電壓信號，送單片機內部的ADC進行采集。

ADC采集回來的為電壓信號，電壓信號與環(huán)境中的氣體濃度存在對應關系，從而可以根據電壓信號反求出對應的甲烷濃度、一氧化碳濃度和氧氣濃度。二氧化碳采用數字式探頭，通過UART讀取氣體濃度。但是由于現場環(huán)境的差異、傳感器探頭的差異、電子器件的不一致性，導致計算得到的濃度值與真實值之間具有偏差。由于在信號檢測過程中不可避免地會帶來誤差，因此需要對信號進行濾波去噪處理[4]，設計的多便攜儀具有較高的檢測精度，可以滿足行標相關規(guī)定，滿足不同多參數儀的應用場合。便攜儀支持參數調整功能，用戶只需要用相應的按鍵即可以對便攜儀進行參數調整，軟件流程如下圖3示。

3 實驗測試

為了驗證本便攜式多參數儀的性能是否滿足設計要求，在單位氣體實驗室中進行了性能測試，表1-表4為定量檢測性能表。

4 結束語

將催化甲烷、電化學一氧化碳、電化學氧氣和紅外二氧化碳集中在便攜儀內，并支持藍牙傳輸功能，設計了相應的電氣電路和軟件程序，并進行了實驗測試。設計的便攜儀經過15天的穩(wěn)定性試驗后，滿足相關行標的要求精，目前該便攜儀已進行了現場工業(yè)試驗，在煤礦現場使用效果良好。

參考文獻：

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[2] 王鴻建.礦用便攜式多參數檢測儀的研究與設計[J].電子世界，2013（20）：135-136.

[3] 劉炎，張立斌，蔣澤.具有溫度及壓力補償的礦用紅外甲烷傳感器設計[J].工礦自動化，2012（8）：7-10.

[4] 馬明建.數據采集與處理技術[M].西安：西安交通大學出版社，2009.

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