便攜甲烷一氧化碳測定器的研究與設計

王鴻建 樊曉明 陳向飛

為了提高煤礦井下工作人員的安全，提出了以STM32F103VET6微控制器為核心的新型便攜式甲烷一氧化碳測定器，采用催化原理和電化學原理對多種甲烷、一氧化碳進行同時檢測，運用RFID技術實現對外通信，將采集信息通過無線方式發出。詳細闡述了測定器的功能與原理，給出了系統原理框圖、部分電路連接圖和部分軟件流程圖。又進行硬件和軟件設計，并做了試驗，驗證了新型多氣體檢測儀具有很好的檢測性能和應用價值。

1.引言

目前，氣體檢測已經由單氣體檢測方式發展到多氣體檢測方式[1]，但傳統的氣體檢測儀有功能簡單、測量精度低、傳感器壽命短等缺陷。本文設計了一種基于ATxmega64D4的新型便攜式二合一測定器，采用了高精度的氣體傳感器，不僅具有多種氣體同時檢測、存儲、顯示、報警等基本功能，還設有無線通信的功能，能和礦井井下的無線網絡通信（如人員定位系統的位置監測分站[2]），又能應用到煤礦井下安全避險“六大系統”[3]的緊急避險系統[4]中，提高了檢測儀的實用性。

2.系統硬件設計

本便攜式多參數檢測儀以ATxmega64D4處理器為核心，可以實時檢測環境空氣中甲烷、一氧化碳兩種環境氣體的濃度;同時具有時間、溫度、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、一氧化碳及電池電量各種信號的采集功能，本文選用選用ATxme-ga64D4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、一氧化碳測量模塊、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 一氧化碳采集模塊

一氧化碳采用電化學原理，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進入傳感器時，被測氣體中的 在工作電CO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傳感元件信號處理及采集電路如圖3所示。

圖3 一氧化碳探頭處理電路

2.2 顯示模塊設計

為了更好的實現人機交互界面，采用OLED液晶進行顯示。該液晶顯示器， 采用OLED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OLED模塊寫入顯示數據，在并行模式下OLED驅動時序圖如圖5所示。

圖5 OLED模塊并行寫數據時序圖

2.3 無線通信模塊

圖6 nRF2401通信應用電路

為了增強該二合一測定器的使用范圍，本測定器增加了無線通信功能，這樣該該測定器，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.軟件設計

軟件主要實現信號采集、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、電量等信號的采集;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為系統軟件流程圖。

圖7 系統軟件流程設計

4.結語

該二合一測定器既可以同時測量甲烷、一氧化碳、電池電量等;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

[1]周偉，孫弋.煤礦井下應急救援無線通訊系統研究[M].西安：西安科技大學，2007.

[2]湯其建.煤礦安全[M].長沙：國防工業出版社，2012.

[3]左伯莉，劉國宏.化學傳感器原理及應用[M].北京：電清華大學出版社，2007.

[4]國家安全生產監督管理總局國家煤礦安全監察局關于建設完善煤礦井下安全避險“六大系統”的通知（安監總煤裝[2010]146號）[Z].國家安全監管總局.2010，8，24

項目名稱：甲烷一氧化碳二合一變送器（項目編號：14SY003-03）。

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。