通配式氣體檢測儀

裴靜 趙斌 吳欣怡

市場上的各種氣體檢測儀都是獨立工作的，而且只能對一種氣體進行檢測。在聽聞一些氣體粉塵類爆炸事故后，我們科技創新社團萌生了制作可隨意選擇檢測氣體種類、適時報警處理以及能遠程監控的氣體檢測儀的想法。

一、設計要求與原理

本檢測儀可將采集的電化學傳感器信號轉換成可視化數值，并通過報警參數進行報警，實現氣體探測、報警與遠程數據交換的功能。本檢測儀是主要用于居家、商業餐飲、工業生產環境、實驗室等非防爆場合氣體泄漏的固定式檢測儀表，不具備定量和定性的分析功能。該檢測儀通過遙控器非接觸式操作，通過三級目錄進行切換。

電路結構框架圖如圖1所示。軟件程序部分主要分成初始化和循環運行兩部分。

初始化工作主要包括CPU外設初始化、MODBUS初始化、指示燈初始化以及電流環初始化。循環運行體程序流程圖見圖2。

二、設計與制作

（一）硬件制作

本設計使用電子CAD軟件PROTEL DXP軟件設計電路，使用STC宏晶公司的型號為STC8F2K60S4的芯片，該芯片提供了豐富的數字外設接口與模擬外設。使用封裝形式為LQFP48的STM32F030×6芯片驅動LCD。電路信號采用光耦隔離。遙控器使用CD9148芯片組成的發射電路，紅外線接收頭接收的信號由CD9149芯片組成的電路進行處理。檢測傳感器選配氧氣檢測頭和氟化氫檢測頭。作品外殼使用3D打印技術打印，定位打孔后，外部貼上打印好的作品表面紙。

設計好電路后，在網絡平臺上選擇商家代加工，供貨周期為20天左右，數塊PCB板加工制作聯通SMT安裝，成本不到200元。加工好的電路板見圖3，成品見圖4。

（二）軟件編程

本設計的軟件開發環境Keil5 C51 V5.25.3、STC-ISP V6.88、Visual Studio Code V1.52.1。用C51語言在Keil uVision5軟件中開發。通過STC-ISP在線下載調試。

三、功能與使用說明

本設計具有預警、報警和故障三級繼電器觸點輸出功能。開機后進入30秒的自檢與預熱的檢測模式。通過遙控器按“開機”鍵，輸入正確的密碼，按“OK”鍵，進入設置、標定、測試模式。

（一）子菜單“氣體參數設置”下的有關功能菜單

1.檢測氣體種類的選擇

按“▲”或“▼”鍵進入“氣體名稱設置”，按“OK”鍵進入“氣體名稱設置”第三級目錄，按“▲”或“▼”鍵選擇氣體名稱，按“OK”鍵保存設置，再次按“OK”鍵確認。

2.小數點、量程、單位的選擇

各種氣體的顯示要求和檢測范圍不同，與檢測氣體選擇并級的還有小數點、量程、單位的選擇，這時都可以按“▲”“▼”“OK”鍵事先選擇后確定。

（二）“一級報警值設置”菜單（二級報警設置值菜單與之相同）

進入“一級報警值設置”后， 按“▲”或“▼”鍵設置“一級報警值”，按“OK”鍵保存設置，再次按“OK”鍵確認，按“返回”鍵返回。

（三）其他同級目錄設置

其他同級別的目錄設置為零點標定、標定濃度、標氣標定、電流環校準、濃度測試、通信地址等。

四、實驗測試

我們將氧氣作為檢測對象，通過雙手抱握檢測頭、對著手窩內呼氣的方式降低局部環境中的氧氣含量。設置一級報警值為19.5，報警動作為指示燈亮，非自鎖動作（環境檢測值再次高于此值時，指示燈熄滅）。二級報警值為18.0，報警動作為繼電器動作，自鎖動作（環境檢測值高于此值時不解除動作）。

五、主要創新點

（一）可檢測氣體種類多

本檢測儀的內部軟件已預置嵌入設計二十多種氣體的檢測程序，更換檢測傳感器并選擇相應的氣體工作界面，即可檢測相關氣體含量。適用范圍廣，可用于檢測餐館、工廠、商場等場所的氣體排放情況。

（二）無接觸式遙控操作

由于氣體檢測通常在高位或密閉場所進行，工作人員操作不便，有些檢測場合還不允許使用電磁設備。本設備有關操作可通過無線遙控器完成，操作人員可避開有危險的密閉空間，且無需在現場進行校正（受環境因素影響，現場校正數據可能不準）。

（三）傳感器維保方便且經濟

本儀器可對比校準信息，若發現檢測數據有偏差，通過修正數值和清洗保養傳感器來確保檢測結果準確，避免盲目更換傳感器。

（四）可實現多級預警

操作模式中設置了兩級報警，一級報警是信息提醒，二級報警是動作處理。動作報警包括通過中間繼電器切斷有關電路（常閉觸點）、啟動應急處理系統（常開觸點）、切斷有關工種電路并啟動緊急處理系統。

（五）構建多點電路的兼容性好

有兩種電路構造方式可供選擇：若檢測距離相近，可通過工業以太網組網實現遠程控制;若檢測距離較遠（200米以上），可通過模擬量電流環路測量技術實現遠程監控。〔本文系江蘇省第五期職教教學改革一般課題《中職校活頁式教材開發與應用研究》（課題編號ZYB201）成果〕

專家點評

通配式氣體檢測儀是一件集成式的創新作品。這個作品的出現，體現了作者對自己專業的熱愛和對科技創新的追求。特別是他們能以一物多用的方式解決多種氣體檢測的問題，富有開放性的思路。同時，他們通過設計要求與原理、設計與制作、功能與使用方法等一系列的探索與實踐過程，找到了比較適合解決問題的方式，對其職業發展與創新成長都很有幫助。

在此提出幾個值得商榷的問題：其一，“本檢測儀的內部軟件已預置嵌入設計二十多種氣體的檢測程序……”哪些是常用的？哪些是很少用的？即便操作簡單，也有必要進行科學的數據分析。不然，會讓人產生累贅和技術堆砌之感。其二，每位同學對自己所做的工作、項目得到老師或相關人員的幫助等方面，都應在文本中表達出來。這種知識產權意識和良好的科研態度，是我們開展活動的核心要素。我們必須扣好科技創新人生的第一粒扣子。

譚迪熬 中國發明協會院士專家咨詢工作委員會首任專家，中國發明協會中小學創造教育分會會長，科技創新教育特級教師，教育部國培計劃專家庫專家。