基于微控制器的便攜式多氣體檢測儀研制

歐陽健強 李建 楊文龍 吳富姬

摘要：為預防礦山中毒窒息事故的發生，研制基于微控制器的便攜式多氣體檢測儀，將微處理器、氣體傳感器、顯示屏、按鍵、集成電路集成儀器。經應用，解決礦山面臨的安全困擾。

關鍵詞：微控制器;便攜;多氣體;檢測儀

中圖分類號：TH832 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）12-0137-02

1 研究背景、目的意義

目前，金屬開采地下礦山與非金屬開采地下礦山的事故時有發生，安全生產方面形勢極其嚴峻。為了有效的預防中毒窒息事故的發生，當前礦山生產主要采取的應對措施之一是配備便攜式氣體檢測報警儀，作業工人入礦山井下采場等工作場所時，檢測有毒氣體與有害氣體濃度。為了有效規范礦山行業發展，預防事故發生，國家安全生產監督管理局也出臺了安全生產行業標準對佩帶氣體檢測儀下井做出強制要求。本文研究與設計一種基于微控制器和電化學傳感器的便攜式多氣體檢測儀，可應用于金屬非金屬地下礦山的主要有毒有害氣體濃度檢測。當作業工人佩帶此便攜式多氣體檢測儀進入采場等場所作業時，如遇到有毒氣體、有害氣體的濃度數值超標，該便攜式多氣體檢測儀能發出報警信號，告知人員及時撤離，可有效預防事故的發生。

2 檢測儀硬件設計與實現

多氣體檢測儀硬件電路主要由充電電路、電壓轉換電路、運算放大電路、液晶屏顯示電路、語音播報電路、按鍵電路、報警指示電路、核心芯片電路等組成。氣體傳感器選用電化學氣體傳感器，該傳感器具有尺寸小巧，快速響應及恢復，可適應極端溫度和濕度環境的特點。使用AD8607、LT6001、LM358等作為傳感器信號放大芯片。三路氣體傳感器的微弱電信號經過運算放大電路放大后進入核心信號處理器的ADC（模擬數字轉換器）接口，氣體的濃度數據信號經處理后通過液晶屏幕模塊進行顯示。充電電路采用TP4056芯片為鋰電池提供恒流或者恒壓方式充電，充電的電流為1A，并具有過充保護。供電電源為3.7V電壓等級可充電式鋰離子電池，電池經轉換電路后為核心處理器及各電路供電。同時，電路具有5位按鍵，用于開機，參數設置和語音播報等功能。有2個LED指示燈，一個用于報警指示（紅色頻閃），一個用于充電指示（充電時紅色，充滿時綠色）。一個蜂鳴器用于報警發聲。液晶（LCD）顯示屏的作用是顯示氣體濃度參數及其他人與檢測儀的交互界面。用戶可通過按鍵觸發語音播報功能，該功能通過語音合成芯片將氣體濃度數據轉換為語音數據，并通過揚聲器播報。核心信號處理器使用STM32F1系列芯片，具有睡眠模式、待機模式和停機模式等幾種低功耗模式。液晶顯示屏使用點陣液晶屏，該液晶屏自帶字庫IC，同時具有低功耗的特點。中文播報式語音處理器使用語音芯片，該芯片采用異步串口（UART）的通訊模式，接收等待進行合并播放的文本信息，實現由文本信息到語音數據的轉化。

3 檢測儀軟件設計

本檢測儀的軟件采用模塊化的設計結構進行編程，軟件主要包含氣體濃度信號采集軟件、顯示軟件、按鍵軟件、報警軟件、語音播報軟件、實時時鐘軟件、存儲軟件等多個模塊組成。軟件總體架構如圖1所示。本檢測儀軟件基于KEIL μVision4軟件開發環境平臺進行模塊化編寫，軟件各模塊結構合理、語句精煉，可充分體現硬件的效能。

主流程軟件采用循環模式運行，檢測儀開機后軟件啟動并開始，軟件首先進行各項相關數據的的初始化操作，隨后開始進行各通道數據的采集，因為數據采用連續采集模式，采集間隔非常短，而數據經過放大后存在一定的波動，采用中位值平均濾波算法進行處理，處理完成的信號可直接用于顯示輸出。氣體檢測儀循環判斷被檢測數據是否超標，當檢測到數據超標時，系統將執行報警提示模塊子程序軟件，如未超標，則執行播報按鍵檢測程序。如檢測到播報按鍵按下，系統將執行按鍵模塊子程序軟件，如未檢測到播報按鍵按下，則執行設置按鍵檢測程序。如檢測到設置按鍵按下，系統將執行設置模塊子程序軟件，如未檢測到設置按鍵按下，則重新進入采集程序模塊，軟件依次無限循環。

4 檢測儀外觀及結構設計與零部件加工

本研究針對便攜式多氣體檢測儀進行了多套外觀方案設計，經綜合對比，選擇一款采用上部放置側面放置傳感器，上部正面放置揚聲器，中部放置指示燈及屏幕，下部放置按鍵的布局，傳感器布局使用并排設計，透氣孔采用圓形孔陣，按鍵采用十字形布局設計，并在產品的角位置設置包膠，具有一定的防摔保護作用，該設計總體結構緊湊合理，時尚穩重。

本研究使用先進的三維設計軟件對產品的結構進行設計、零件裝配及可行性驗證，以提高產品的設計效率，壓縮產品開發周期。經過多款結構設計對比，最終采用上部側方放置傳感器，中下部放置主電路板，其中顯示屏位于中部，按鍵位于下部的布局結構，該結構布局緊湊合理，傳感器位于前部側面，人員手持該檢測儀行走時，行走速度可對前側面產生負壓，該負壓可助于傳感器最快時間接觸被測空氣，及時反饋被測空氣情況。顯示屏及按鍵位于下部可較便于觀測和操作。

經過三維軟件對零件的裝配及可行性驗證后，可進入加工工序，便攜式多氣體檢測儀需要加工的外殼模型主要分為三部分：前殼體，后蓋，面板。為縮短產品成型時間及降低加個成本，本研究檢測儀的前殼體及后蓋采用3D打印技術加工，面板使用PC材料，采用CNC工藝加工而成。

5 檢測儀的標定與測試

為了保證檢測儀檢測數據的準確性，需要對檢測儀進行標定，本檢測儀使用潔凈空氣作為零點標定基準，使用不同濃度的標準氣體作為其它基準測點的標定基準。零點標定的目的確定檢測儀標校斜率線的零點。本檢測儀的零點標定方法是將檢測儀暴露在潔凈空氣中，認為潔凈空氣中一氧化碳和二氧化氮的濃度值為0，認為氧氣的濃度值為20.9%，以此氣體環境來標定檢測儀的零點。基準測點濃度，一氧化碳的標準氣體濃度值為1000ppm，二氧化氮的標準氣體濃度值為50ppm，氧氣的標準氣體濃度值為18.2%，以此氣體環境來標定檢測儀的基準測點。將檢測儀與標定氣帽連接，往標定氣帽分別通標準氣體，為了保證標準氣體的滲透強度，標準氣體的流量需>200升每分鐘，標定時間需>5分鐘。在氣體標定實驗平臺的上位軟件設定標準氣體的流量，本標定使用的流量為500L/Min，標定時間為10分鐘。

在完成檢測儀的標定工作之后，將對檢測儀進行一系列的測試工作，以測試檢測儀的精度、穩定性及耐久性等數據。本研究將對檢測儀進行通標準氣體測量精確度測試，電磁干擾測試及充放電測試等測試工作。檢測儀在經過標定、通標氣校驗、干擾實驗及充電放電實驗等多個環境測試，檢測儀總體表現較好。檢測數據準確，誤差小;在工頻磁場干擾環境下表現穩定;鋰電池工作穩定，待機時長超過設計需求。效果達到了預期的要求。

6 結語

目前，改檢測儀經過試用和改進，已應用于礦山相關場所的氣體環境安全檢測。該檢測儀采用微控制器、電化學氣體傳感器為核心，結合顯示屏、按鍵、聲光報警元件、鋰電池等開發檢測儀成套系統，運用三維設計軟件設計產品結構，3D打印技術等加工產品外殼，檢測儀得到了高效的開發并快速應用，經長期礦山現場試驗反饋，達到了較好的應用效果，提高了地下礦山生產的安全水平。

參考文獻

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Development of? Portable Multi-Gas Detector Based on Microcontroller

OUYANG Jian-qiang1.2，LI Jian1.2，YANG Wen-long1.2，WU Fu-ji1.2

（1.Ganzhou Institute of? non ferrous metallurgy， Ganzhou? Jiangxi? 341000;2.industrial design center of? nonferrous metals mining and smelting equipment， Ganzhou Institute of? nonferrous metallurgy， Ganzhou? Jiangxi? 341000）

Abstract：In order to prevent the occurrence of poisoning and suffocation accidents in mines， a portable multi gas detector based on microcontroller is developed， which integrates microprocessor， gas sensor， display screen， button and integrated circuit. Through application， the safety problems faced by the mine are solved.

Key words：microcontroller; portable; multi gas; detector