礦用便攜式多參數檢測儀的研究與設計

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

【關鍵詞】礦用便攜式；多參數檢測儀；研究；設計

1.引言

為了更好的保障煤礦井下的安全生產，國家明確要求相關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境參數，不能隨時隨地保證工作人員處于安全環境，無法為井下工作人員提供及時的預警信息，而便攜多參數檢測儀可以實時的為井下工作人員提供所處環境的各個參數，更好的保證工作人員的生命安全。

2.系統硬件設計

本便攜式多參數檢測儀以EFM32TG232處理器為核心，可以實時檢測環境空氣中甲烷、一氧化碳、氧氣、硫化氫四種環境氣體的濃度；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行顯示，同時可以通過無線接口對外通信。如圖1為系統原理框圖，該系統主要由CPU處理及采集模塊、顯示模塊、通信模塊等部分組成。

圖1 系統原理框圖

2.1 信號處理及采集模塊設計

為了滿足系統對甲烷、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前環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，都采用電化學原理，由工作電極WE、輔助電極CE和參考電極RE，當含有的被測氣體擴散CO/H2S進入傳感器時，被測氣體中的在工作電CO/H2S電極上發生電化學氧化反應，根據斐克擴散定律，在WE-CE之間形成電流I，通過對電流進行取樣、放大后輸出到單片機ADC中進行采集。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準電壓信號，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 顯示模塊設計

為了更好的實現人機交互界面，多參數檢測儀采用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、工業控制、辦公自動化等領域。采用并行模式向LCD模塊寫入顯示數據，在并行模式下LCD驅動時序圖如圖5所示。

圖5 LCD模塊并行寫數據時序圖

圖6 nRF2401通信應用電路

圖7 系統軟件流程設計

2.3 無線通信模塊

為了增強該多參數檢測儀的使用范圍，本多參數檢測儀增加了無線通信功能，這樣該多參數檢測儀除了作為單一產品應用外，還可以與煤礦PDA設備、井下單兵救援系統實現無線通信，接入其它系統中。如圖6為nRF2401無線通信應用電路，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輸出信號經過LC串聯及并聯電路選頻濾波后，再經天線傳出；且該信號又經過電感返回至ANT1，構成內部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.系統軟件設計

系統軟件采用C語言模塊化設計。主要實現信號采集、數字濾波處理、人機界面處理、參數設置、通信處理等功能。在信號采集處理方面采用連續采集方式，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，采用中值濾波法進行濾波后得到最終環境參量，然后在CPU的控制下通過液晶模塊實現各個環境參量的顯示，同時實現與外部設備實現無線通信。如圖7所示為系統軟件流程圖。

4.結語

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

參考文獻

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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，主要從事煤礦監測系統、礦用傳感器的研究與開發。