梁曉軍，陳光柱

(成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動化工程學(xué)院，四川成都 610059)

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基于ARMv7-M架構(gòu)的礦用多參數(shù)氣體檢測儀的設(shè)計

梁曉軍，陳光柱

(成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動化工程學(xué)院，四川成都 610059)

針對目前礦用氣體檢測儀只能檢測單一氣體并且測量氣體濃度范圍較窄等問題，設(shè)計了基于ARMv7-M架構(gòu)的礦用多參數(shù)氣體檢測儀。此多參數(shù)氣體檢測儀采用STM32處理器以及內(nèi)外自動切換功能的電源供電模式，將采集到的甲烷、二氧化碳、氧氣、一氧化碳的濃度以及環(huán)境溫度和電源電壓值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并發(fā)送到液晶顯示器進(jìn)行顯示。當(dāng)氣體濃度超限或電源電壓欠壓時檢測儀聲光報警。經(jīng)實驗測試結(jié)果表明該多參數(shù)氣體檢測儀具有自校準(zhǔn)功能、精度高、檢測范圍廣、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)良性能。

STM32；多參數(shù)檢測儀；自動切換電源；聲光報警；自校準(zhǔn)

0 引言

在煤礦安全生產(chǎn)過程中，經(jīng)常需要同時監(jiān)測同一地點的各個生產(chǎn)參數(shù)。目前煤礦下所用的傳感器一般是一種傳感器連接一根電纜，且只能測量一個參數(shù)[1]，如果同一地點要測多個參數(shù)就要敷設(shè)多根電纜，這樣導(dǎo)致工人現(xiàn)場維護(hù)和安裝都不方便[2]，使用成本較高。針對該問題，本文設(shè)計了一種礦用多參數(shù)檢測儀，可同時測量井下的甲烷、二氧化碳、氧氣、一氧化碳多種氣體的含量和環(huán)境溫度，經(jīng)試驗驗證該多參數(shù)氣體檢測儀具有自校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償?shù)墓δ芤约熬雀?、檢測范圍廣、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快和抗干擾能力強(qiáng)等特點，可以很好地解決當(dāng)前傳感器在使用上出現(xiàn)的測量氣體單一、測量范圍小、維護(hù)成本高等問題。

1 多參數(shù)氣體檢測儀硬件設(shè)計

由于該檢測儀屬于礦用產(chǎn)品設(shè)備，所以要考慮其工作環(huán)境的特殊性以及使用上的安全性，為此多參數(shù)氣體檢測儀采用了抗干擾設(shè)計和本安電路的設(shè)計?？垢蓴_設(shè)計主要考慮到電磁干擾方面，主要從降低脈沖群和浪涌對傳感器的影響、PCB布局布線，采取FIR低通濾波器以及加強(qiáng)傳感器的故障自診斷的設(shè)計[3-4]。本安電路設(shè)計主要遵循標(biāo)準(zhǔn)GB3836．4-2010進(jìn)行檢測儀的低功耗的設(shè)計，以及本安與非本安電路的隔離設(shè)計。

1．1 檢測儀工作原理

多參數(shù)檢測儀以基于ARMv7-M架構(gòu)的STM32F103C8T6為核心處理芯片，由甲烷和二氧化碳二合一測量電路、氧氣測量電路、一氧化碳測量電路、RS485通信電路、LCD顯示電路、按鍵電路以及聲光報警等電路組成，檢測儀硬件設(shè)計的原理圖如圖1所示。

圖1 多參數(shù)氣體檢測儀的組成

1．2 電源電路

由于檢測儀為礦用產(chǎn)品，為了避免斷電影響檢測儀的工作而構(gòu)成安全隱患，為此設(shè)計了具有自動切換內(nèi)外電源模塊功能的電源。當(dāng)有外電源輸入時，則由外電源給檢測儀供電并同時給內(nèi)置鎳氫電池組充電；當(dāng)外電源斷電時，則由內(nèi)置鎳氫電池組供電。電源電路的原理圖如圖2所示。

圖2 電源電路圖

當(dāng)有外電源時，由外接5 V本安電源供給給自動切換電源，并同時給鎳氫鋰電池組充電，鎳氫鋰電池組經(jīng)過電源充電管理芯片實現(xiàn)給鎳氫鋰電池組進(jìn)行智能充電；之后經(jīng)過DC/DC變換電路升壓至5 V，最后經(jīng)線性穩(wěn)壓電路輸出3．3 V給檢測系統(tǒng)供電。自動切換電路使用PMOS管實現(xiàn)內(nèi)外電源自動切換供電。

1．3 甲烷和二氧化碳測量電路

甲烷和二氧化碳二合一測量電路選用的是非色散紅外防爆二合一傳感器，此傳感器是基于非色散紅外吸收(NDIR)原理，利用比爾-朗格紅外吸收定律實現(xiàn)精確測量的。非色散紅外傳感器保持了紅外傳感器的溫度自補(bǔ)償、穩(wěn)定性、抗干擾性、免維護(hù)和長壽命等優(yōu)點，而且避免了傳統(tǒng)紅外原理檢測器的光學(xué)部件暴露在空氣中，受灰塵或水霧等物質(zhì)覆蓋光學(xué)部件造成的運行故障或誤報警。

多參數(shù)檢測儀采用非色散紅外二合一傳感器，由于非色散紅外二合一傳感器的通信數(shù)字端口采用TTL電平通信，故可通過STM32的USART端口與傳感器的數(shù)字輸出端口直接通信，傳感器的工作電壓為3～5 V，工程應(yīng)用上一般采用3．3 V供電。甲烷和二氧化碳?xì)怏w測量電路如圖3所示。

圖3 甲烷和二氧化碳測量電路

1．4 氧氣測量電路

多參數(shù)氣體檢測儀選用電化學(xué)傳感器，此傳感器能夠檢測氧氣濃度的范圍為1%～25%，具有大于0．2%(體積分?jǐn)?shù))的靈敏度。由于此傳感器在空氣中輸出的電流在0．1 mA左右，所以在送入STM32的ADC采集之前要進(jìn)行放大和抗干擾處理，以保證檢測儀有較高的準(zhǔn)確度和靈敏度。在氧氣采集電路中采用兩級放大電路，因為反饋電阻值不能過大，否則會使電路的輸出的線性范圍小，調(diào)零和穩(wěn)零變得很困難，并且較大反饋電阻值與分布電容和負(fù)載電容產(chǎn)生相移進(jìn)而產(chǎn)生自激振蕩[5]。氧氣測量電路的原理圖如圖4所示。

圖4 氧氣測量電路

其中，R40為輸入限流保護(hù)電阻；R42和C20用來濾去測量信號中的尖峰噪聲；C18、R38以及C19、R39組成的反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)以避免電路中產(chǎn)生的相移所產(chǎn)生的自激震蕩。

1．5 一氧化碳測量電路

一氧化碳測量電路采用的檢測元件為電化學(xué)一氧化碳傳感器，此一氧化碳傳感器是三電極系統(tǒng)，敏感電極和參考電極之間保持恒定的電壓值可以達(dá)到去極化的效果和使測量氣體濃度的范圍加大。一氧化碳傳感器檢測一氧化碳的范圍為0～2 000 ppm(1 ppm=10-6)，靈敏度為70 nA/ppm，故知一氧化碳要有很高的放大倍數(shù)才能夠較為準(zhǔn)確地檢測到一氧化碳?xì)怏w的濃度。一氧化碳測量電路如圖5所示。

圖5 一氧化碳測量電路

其中,R12起到消除OPA4336運放芯片的B運放漂移對A運放的干擾，以及能夠起到過載自恢復(fù)的作用；R19和R23可以調(diào)整一氧化碳測量電路的輸出值；Q13和R17起到了過電流保護(hù)的作用。

以上為多參數(shù)檢測儀的關(guān)鍵電路的設(shè)計，報警電路、按鍵電路、顯示電路、RS485通信接口的設(shè)計較簡單。

2 多參數(shù)氣體檢測儀軟件設(shè)計

多參數(shù)氣體檢測儀軟件設(shè)計采用C語言模塊化設(shè)計方法[6],主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、報警模塊的判斷以及參數(shù)設(shè)置等功能。在軟件抗干擾方面采取了多項措施：首先在模擬信號采集方面采用了中位值濾波法(防脈沖干擾平均濾波法)，即去掉一個最大值和一個最小值，然后計算剩余數(shù)據(jù)的平均值，對于偶然出現(xiàn)的過沖脈沖性干擾，可消除由其引起的采樣值偏差[7]。多參數(shù)氣體檢測儀軟件的主程序流程圖如圖6所示。

圖6 多參數(shù)氣體檢測儀主程序流程圖

3 多參數(shù)氣體檢測儀實驗測試

參數(shù)傳感器能夠檢測待測環(huán)境中的甲烷、二氧化碳、氧氣、一氧化碳參數(shù)及溫度、電源電壓，當(dāng)環(huán)境中的氣體的濃度超限或者電源電壓欠壓時，報警模塊將及時進(jìn)行聲光報警。為測試多參數(shù)氣體檢測儀的性能，對此檢測儀做如下實驗：由于礦井真實環(huán)境不易獲得，故本測試實驗放在通常的室內(nèi)進(jìn)行，在本實驗中用液化氣體作為實驗氣體。由實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)此多參數(shù)氣體檢測儀具有較高的靈敏度、精度以及能夠及時聲光報警。

經(jīng)分析此檢測儀的誤差主要來源為：模擬電路誤差和數(shù)字測量電路誤差。模擬電路誤差又由恒定電壓源誤差γ1、數(shù)模轉(zhuǎn)換誤差γ2和調(diào)理放大電路誤差γ3組成；數(shù)字測量誤差主要由傳感器本身的誤差以及在解析基于IEEE754標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號截斷誤差γ4組成(由于截斷誤差較小，可以忽略)。

γ3=1/212=0.000 244

則此多參數(shù)檢測儀的理論誤差值為

此為氧氣檢測的理論精度的分析，可見氧氣檢測電路具有較高的精度。

4 結(jié)論

該礦用多參數(shù)氣體檢測儀可以同時測量甲烷、二氧化碳、氧氣、一氧化碳等多種氣體的含量、環(huán)境溫度、電源電壓，具有集成度高、造價低以及節(jié)省了現(xiàn)場電纜的敷設(shè)并減少了日常維護(hù)成本等優(yōu)點；整機(jī)在硬件和軟件方面都進(jìn)行了抗干擾設(shè)計，抗干擾能力強(qiáng)；采用ARM7芯片STM32可以省掉昂貴的A/D轉(zhuǎn)換芯片以及E2PROM等外圍器件，最大限度地利用芯片資源，使產(chǎn)品具有抗干擾能力；采用二合一非色散紅外傳感器一方面可以減小外圍電路的設(shè)計，從而使開發(fā)的產(chǎn)品小巧美觀，另一方面使檢測儀具有較高的測量精度、靈敏度和具有溫度自補(bǔ)償、零點和靈敏度自校準(zhǔn)的功能從而減少了維護(hù)成本給使用上帶來方便。

[1] 周峰，梁威，魏宏飛．基于軟判決信息融合的多參數(shù)瓦斯傳感器的設(shè)計與實現(xiàn)．工礦自動化，2009(5)：56-59．

[2] 楊帆．基于MSP430F149的礦用多參數(shù)傳感器的設(shè)計．工礦自動化，2010(7)：16-17．

[3] 張立斌，蔣澤，王啟峰．礦用傳感器的偽數(shù)據(jù)濾除方法．工礦自動化，2011(8)：1-3．

[4] 荊宜春，張全法，宋璐，等．提高甲烷氣體探測器抗干擾能力的研究．儀表技術(shù)與傳感器,2009(10):78-80．

[5] 陳國杰，徐志民．基于ICL7650程控微電流放大器的設(shè)計．佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2001,19(4)：8-10．

[6] 譚浩強(qiáng)．C語言程序設(shè)計．北京：清華大學(xué)出版社,2005．

[7] 張?。橙耸钟洠阂粋€單片機(jī)工作者的實踐與思考．北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2008．

Design of Mine-used Multiple Parameters Gas DetectorBased on ARMv7-M Architecture

LIANG Xiao-jun,CHEN Guang-zhu

(College of Nuclear Technology and Automation Engineering,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China)

In view of the present mine gas detector can only detect single gas and the measurement range of gas concentration is relatively narrow,the design of mine multi-parameter gas detector based on ARMv7-M architecture was presented．The detector was built based on STM32 processor,with automatic switchover power supply mode．It collected the concentration of methane,carbon dioxide,oxygen and carbon monoxide,environment temperature and supply voltage values for data processing and display．When the gas concentration overran or the supply was undervoltage,the detector rang the sound & light alarm．Test results show that the multiple parameters gas detector has self-calibration function,high precision,wide range of detection,good stability,fast response speed and strong anti-jamming capability．

STM32；multiple parameters gas detector；automatic switching power；sound & light alarm;auto-calibration

成都理工大學(xué)優(yōu)秀創(chuàng)新團(tuán)隊培育計劃(KYTD201301)；貴州省教育廳2011年度自然科學(xué)科研課題(2011011)

2014-01-06 收修改稿日期：2014-10-10

TP29

A

1002-1841(2015)03-0022-03

梁曉軍(1989—)，碩士研究生，研究方向為嵌入式，儀器儀表開發(fā)。E-mail：1059576875@qq．com