小型礦用智能型CO監測儀研制及應用

摘 要：CO屬于有毒有害和易燃易爆氣體，很多礦山均有CO監測需求，市售的CO監測儀無法滿足智能化監測需求。采用STM32單片機作為控制中心，利用嵌入式開發技術，研制一種集成溫度、濕度和氣壓傳感器的小型化CO監測儀。監測儀輸出CAN總線信號以增強抗干擾性，設計CAN總線轉換器以滿足數據傳輸要求；針對離線監測需求，設計兼容CAN總線的插卡式數據記錄儀；開發配套的測控軟件。監測儀具有體積小、量程范圍寬、可網絡化集群布設的特點。測試結果表明，測量結果相對偏差小于±3.5%，可滿足礦山和其他狹窄空間的CO監測需求。

關鍵詞：STM32；嵌入式開發；小型智能型CO監測儀；CAN總線；測控軟件；嵌入式

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）05-00-05

0 引 言

CO屬有毒有害氣體，當空氣中CO濃度較高時會對人體健康產生危害，嚴重者會昏迷甚至生命終結[1-3]。CO與空氣混合的爆炸極限約為12%～74%（體積分數），當遇到電火花時會發生爆炸，危害極其嚴重[4-5]。因此很多礦山都有CO監測的需求[6]。CO監測一般分為兩種：一種是手持式，這種方式無法記錄數據，且量程較小；另外一種是在線式，但體積較大，無法滿足鉆孔等特殊位置的監測需求，并且測量對象單一。針對這些問題，本文設計了一種尺寸和體積遠小于市場上同類產品的小型智能化CO監測儀，不僅集成了溫濕壓傳感器，還具有體積小、量程范圍寬、可網絡化集群布設的特點，具有較高的實用價值。

1 CO監測儀研制

在分析傳統CO監測方法的基礎上，本文確定了小型數字化的CO測控技術路線。監測系統主要分為硬件部分和軟件部分。系統的工作流程為：STM32芯片采集傳感器的數據并進行處理后發送至CAN總線，由插卡式數據記錄儀記錄或者經CAN信號轉換器轉換為網絡信號后發送至計算機，由計算機軟件處理后顯示。系統最多可接入64路總線節點，每個節點最多可接63個監測儀，可實現對多個位置的CO濃度實時監測。系統總體技術路線如圖1所示。

1.1 硬件研制

硬件設計主要包括監測儀電路設計、封裝結構機械設計、CAN信號[7]轉換器、插卡式數據記錄儀。

1.1.1 監測電路

監測儀電路板用于承載CO傳感器、溫濕壓傳感器、單片機、顯示屏等電子器件，并建立電氣連接。為保證監測儀小型化，電路板也應盡可能小型化，電路板小型化也面臨著很多難點，主要是散熱和干擾問題。針對這些問題，通過優化設計布局、精選電子元器件和降低功耗的方式解決。

選用STM32單片機[8]作為嵌入式控制中心，CO傳感器選用摻入了金屬氧化物的TGS5342[9-10]，溫濕壓傳感器選用BME280，集成運放選用TLV521，多路開關選用TS5A3359，顯示屏選用UG-2832HSWEG04，CAN總線收發器選用SN65HVD230芯片[7]，網絡收發選用W5500芯片[11]。將CO傳感器輸出的弱電流調理為電壓信號后，由STM32單片機負責A/D轉換并計算CO濃度。多路開關用于切換放大倍數，使低濃度數據有更好的分辨率。CO濃度和溫濕壓數據將顯示在OLED屏上，同時發送到CAN總線，邏輯圖和電路圖如圖2所示。

1.1.2 封裝結構機械設計

封裝結構是保證監測儀小型化的關鍵，為減小CO監測儀體積，專門對封裝結構進行了設計。重點是根據電路板、CO傳感器和顯示屏等元器件，考慮氣體擴散和防護，設計出了封裝結構。

封裝結構主要由電纜鎖緊頭、上下蓋和容器等組成。傳感器、電路板及顯示屏封裝于主體容器內，上下蓋與主體容器用螺絲固定。上蓋裝配電纜鎖緊頭，用于電纜固定；下蓋布設多個小孔，使氣體能夠順利進入容器。封裝結構效果和實物如圖3所示。

1.1.3 CAN信號轉換器

監測儀輸出沒有采用4～20 mA的模擬信號而是采用了CAN總線信號，因為CAN總線信號具有實時性強、傳輸距離遠、抗干擾能力強、節點在錯誤嚴重情況下可自動退出總線等優點，特別適合工業上各測控單元互聯，被認為是最有前途的現場總線協議[7]。

普通計算機不具備CAN總線接口，為了將CO監測儀連接到計算機，制作了網絡轉換器，實現CAN總線信號至網絡信號的轉換。其中STM32單片機作為控制中心，CAN總線收發器選用SN65HVD230芯片，網絡收發選用W5500芯片，繼電器選用HFE20。CAN信號轉換器除了實現CAN總線信號和網絡信號轉換外，還實現一路電源或者信號的通斷控制，當前端監測儀或者系統出現異常時可以遠程控制重啟。邏輯圖和電路圖如圖4所示。

1.1.4 插卡式記錄儀

市面上的插卡式記錄儀（無紙記錄儀）一般只支持電流等模擬信號，不支持CAN總線信號，因此專門研制了插卡式記錄儀滿足離線記錄數據需求。記錄儀掛接在CAN總線上，由STM32單片機采集CAN總線上的監測儀數據。電路本身保持準確時鐘，由超級電容作為后備電源[7]，保證系統掉電數日后時鐘不丟失。采集到的數據連同時間一起保存在存儲卡上，邏輯圖和電路圖如圖5所示。一個監測儀按周期1 s記錄時，1 GB的存儲卡可記錄5年的數據。

1.1.5 監測系統主要指標

最終研制出的小型CO監測儀功耗為0.1 W，尺寸為φ2.5 cm×4 cm，體積約20 cm3；而市售傳感器尺寸一般為26 cm×16 cm×10 cm，體積約1 000 cm3。測量范圍可在（0～1 000）×10-6 m3/m3、（0～5 000）×10-6 m3/m3和（0～10 000）×10-6 m3/m3之間自動切換，測量分辨率為1×10-6 m3/m3，響應時間小于30 s。研制監測儀與市售監測儀的對比如圖6所示。

1.2 軟件開發

1.2.1 嵌入式軟件

CO監測儀及其配套設備的嵌入式軟件均基于自研的嵌入式操作系統XXOS編寫。XXOS是專門針對STM32系列單片機而開發，它提供了基于STM32單片機的設備驅動程序庫，為應用程序提供了可靠的實時多任務環境，簡化和規范了應用程序，降低了嵌入式軟件開發的復雜度和難度。嵌入式軟件存儲并運行在STM32單片機上，驅動STM32單片機實現特定功能，層次結構如圖7所示。

嵌入式軟件根據實現功能的不同而有所區別，主要實現傳感器的數據讀取和處理，控制串行通信、CAN總線和網絡通信，驅動外圍設備，存儲相關參數和數據。

1.2.2 參數控制軟件

監測儀和配套設備生產組裝完，需要將嵌入式程序寫入單片機，并對總線地址、IP地址等信息進行設置。軟件借助以太網與XXOS通信，可以查看CAN網絡節點通信狀態、任務棧空間使用，控制CAN節點復位和跳轉，設置用戶參數，在線改寫用戶程序或值班程序。軟件界面如圖8所示。

1.2.3 數據采集與顯示軟件

軟件采用網絡化技術實現對監測儀的控制和通信。每路CAN總線可連接多個CO監測儀，網絡轉換器將CAN總線信號轉換為網絡信號，軟件通過網絡可接收多路CAN總線數據。軟件接收到數據后，顯示數據、繪制曲線，并將數據存儲為文件。軟件優化了總線通信程序，監測儀未收到命令時主動發送數據與軟件通信，收到命令時再按照傳統的通信方式通信，這樣大大縮短了數據通信周期。以總線上連接64個

CO監測儀為例，采用傳統的通信方式獲取全部監測儀數據需要的時間大約為3 000 ms，現在只需要100 ms。軟件界面如圖9所示。

2 實驗驗證

應用CO監測系統前需要驗證其穩定性和可靠性。本文設計了溫濕度和氣壓對傳感器的影響實驗，測試了監測儀的示值誤差，同時該系統在某礦山得到實際應用。

2.1 溫濕度和氣壓對傳感器的影響

溫濕度實驗在恒溫恒濕箱里進行，恒溫恒濕箱提供-20～45 ℃、10%～98%RH的環境。在上述環境中，CO監測儀在空氣中和體積分數為2 300×10-6 m3/m3的標氣中的示值變化小于量程的0.1%。

氣壓變化對監測儀影響比較明顯。圖10中將監測儀放在798×10-6 m3/m3的標氣中，氣壓從700 kPa增加到1 500 kPa，監測儀數值從700×10-6 m3/m3增加到1 450×10-6 m3/m3，其變化近似成線性。但在具體的某一個工作現場中，氣壓變化較小，一般小于3 kPa，監測儀示值變化小于量程的0.1%，該影響可以在不確定度評定中考慮。

監測儀集成了溫濕壓傳感器，不僅可以提供現場的溫濕壓數據，也可以保證CO濃度數據的準確性。

2.2 測試考核

采用濃度分別為919×10-6 m3/m3、2 467×10-6 m3/m3和9 631×10-6 m3/m3的CO標準氣體對小型化監測儀進行測試，測量結果見表1所列。結果表明：監測儀的偏差小于3.5%，優于電化學傳感器國家標準中10%的偏差要求。測試過程中曲線變化一致，說明監測儀的一致性較好。

2.3 應用測試

在某礦山布設了5個CO監測儀，其中監測點2因工作需要位于直徑40 mm、深20 m的鉆孔中（該處監測點是市售監測儀無法安裝的），測量結果如圖11所示。在工作現場CO監測儀、CAN總線轉換器、測控軟件、供電和遠程傳輸均工作穩定，獲取了大量有效數據，這表明CO監測儀現場應用是成功的。CO濃度變化來自于礦車作業，從圖中可以看出部分測點的CO濃度長時間超過了16×10-6 m3/m3（國標推薦值20 mg/m3換算成現場工況條件下的體積分數為16×10-6 m3/m3），人員如果在該環境下長期工作具有一定的危險性，因此通過監測CO濃度進行現場示警是有必要的，礦山可根據監測結果進一步改善空氣質量。

3 結 語

本文立足嵌入式技術，通過STM32單片機、CAN總線技術和網絡技術，實現了對CO濃度的實時監測。實驗證明，本文系統具有可靠性高、體積小、量程范圍寬、可網絡化集群布設的優點，且具有遠程監控的功能。系統創新性地采用CAN總線作為通信協議，不僅增強了抗干擾性，而且不會因為故障傳感器影響系統通信。該成果可應用于礦山、化工、鋼鐵、冶金和大氣環境監測等行業，具有廣泛的應用前景。

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作者簡介：劉現收（1983—），男，河南濮陽人，高級工程師，就職于西北核技術研究所，研究方向為測量技術與儀器。

收稿日期：2023-05-07 修回日期：2023-06-05