气体报警器检定用智能控制终端的设计与实现

郭波，张征，许思思

（山东省计量科学研究院，济南 250014）

气体报警器检定用智能控制终端的设计与实现

郭波，张征，许思思

（山东省计量科学研究院，济南 250014）

介绍了一种用于有毒有害气体报警器计量检定用手持控制终端的设计。通过对手持终端的软件、电源系统、无线通信系统和主控系统的研发，实现了无线控制报警器检定的操作，并可在手持终端上显示报警器的相关参数以及检定结果等内容。该手持终端提高了检定效率，避免了有害气体对检定人员的侵袭。

气体报警器；计量检定；控制终端

随着人们安全生产意识的增强，目前已在煤炭、石油、天然气的勘探开采以及化工等生产领域中大量安装和使用有毒有害气体检测报警器，以便及时采取措施，防范事故的发生。对这些气体报警器进行检定是保障其量值准确的基础。然而部分报警器安装的现场环境较为恶劣，有毒有害气体含量较高、粉尘和烟尘多、噪声大、环境温度高。不仅对检定人员的健康造成侵害，检定工作也因此容易出现疏漏，导致数据采集出错。近年来伴随各种新的自动化控制技术、数字信息技术的不断涌现和发展，计量器具的智能化检定已成为计量行业未来的发展趋势。

目前移动手持终端技术已应用于电力、水利、城建、检测及监测等领域［1-6］，但在气体报警器的计量检定领域的应用尚未见报道。在气体报警器检定时，利用移动手持终端技术可以使检定人员远离现场环境，避免身体遭受有毒、有害气体侵害，提高工作效率。因此笔者探讨了将移动手持终端技术应用于气体报警器的计量检定领域，以实现有毒有害气体报警器检定结果的准确性，并且使检定过程高效和无害化。

1 系统设计

1.1 整体设计

手持终端的作用是近距离内无线控制报警器检定装置执行相应操作，并在手持终端上显示报警器的相关参数以及检定结果等内容。该终端控制系统采用MCS-51系列单片机作为控制核心，选用迪文可触摸液晶屏，可进行触摸操作，方便美观，数据无线传输，携带方便，操作简单。

手持盒主要负责实时显示测量过程中的基本信息、示值误差、重复性和响应时间4部分，并能够远程控制检定装置进行配气、检定等一系列操作，这4部分分别为电源系统、无线通信系统、主控系统和显示系统，如图1所示。

终端的通信模式采用工作于2.4～2.5 GHz频段的无线通信模式。手持盒集成有USB接口、SD卡接口，显示部分采用5.6寸HIM高分辨率触摸屏。在手持盒上设置有测量所需要的诸多按键。采用5.6寸的触摸液晶屏，方便了操作人员的使用，如图2所示。

图1 无线手持终端组成

图2 手持终端及其按键展示

1.2 显示部分的软件设计

显示部分采用迪文工业串口屏。首先使用SysDef.exe软件，进行界面设计。界面设计完成后，将设计好的界面与配置信息下载到触摸屏。见图3

图3 配置信息下载

1.3 电源系统设计

系统24 V与5 V电源直接由开关电源供电，3.3 V电源需要进行电路设计。nRF24L01的工作电压在1.9～3.6 V之间，一般用3.3 V电压作为芯片工作电源电压。在这部分电路设计中，由于稳压电源提供5 V电压，只需要将5 V电压转化为3.3 V电压，采用稳压模块LM1117。它只有3个引脚，外接电路简单，只需要两个电容，就能够输出稳定的3.3 V电压，为nRF24L01提供3.3 V工作电源。

1.4 无线通信系统设计

无线芯片比较小，焊接起来很困难，因此本设计采用无线收发模块。无线收发模块nRF24L01与单片机的连接电路图如图4所示。

nRF24L01通过Enhanced Shock Burst TM收发模式进行无线数据发送，收发可靠，其外形尺寸小，需要的外围元器件也少，因而使用方便，在工业控制、消费电子等各个领域都具有广阔的应用前景。

图4 F24L01模块结构图

1.5 主控系统设计

主控系统主要包括时钟电路、复位电路。时钟电路用于产生单片机工作时所必需的时钟信号。时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量直接影响单片机系统的稳定性。时钟频率越大，单片机的程序执行速度越快，抗干扰性能越差；时钟频率越小，单片机的工作速度慢，抗干扰性能越好。要恰到好处地选择时钟频率对单片机工作效率尤为重要。

单片机各功能的运行都是以时钟频率为基准一拍一拍地工作。常用的时钟电路有两种工作方式，一种是内部时钟方式，另一种为外部时钟方式。为了方便单片机与无线传输模块nRF24L01之间的数据通信，选用外部时钟，选取外接12 MHz晶振。由于当晶体振荡器振荡频率在1～12 M之间取值时，两个微调电容的典型取值通常选择在30 pF左右，因此选择33 pF时钟电路，如图5所示。

复位电路必须确保系统上电时能够自动复位，在必要时还可以手动复位。在本设计中，复位电路采用最简单的上电复位加按键复位。在通电的瞬间，在RC电路充电过程中，RST端出现正脉冲保证引脚出现10 ms以上稳定的高电平，从而使单片机复位。

图5 时钟电路的设计

上电自动复位电路的基本功能：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为了确保可靠复位，见电源稳定后，还要经一定的延时才撤销复位信号以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。为了实现这种功能，本设计采用了一种RC定时电路。其时间常数τ=RC，系统上电时，C两端的电压为零，单片机的复位端的电平为高电平，单片机复位，经过4～5个τ后，C两端的电压约等于电源电压，单片机的复位端的电平为低电平，单片机退出复位状态。

手动复位电路采用的是按键复位电路。在按键按下时，单片机复位端的电平为高电平，单片机复位，在按键松开时，单片机复位端的电平为低电平，单片机退出复位状态。复位电路如图6所示。

2 结论

图6 复位电路

通过使用SysDef.exe软件、稳压模块LM1117和无线收发模块nRF24L01对控制终端进行了界面、电源系统和无线通信系统的设计，选用外部时钟、外接12MHz晶振、RC定时电路和手动复位电路对主控系统的时钟电路和复位电路进行了设计，实现了测量过程中的基本信息、示值误差、重复性和响应时间在控制终端的实时显示，并能够远程控制检定装置进行配气、检定等一系列操作。该手持终端提高了检定效率，避免了有害气体对检定人员的侵袭，具有很好的实用性。

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［4］孙建华，孙铁，姜静. 基于无线VPN的网络图像传输控制系统［J］.仪器仪表学报，2006，27(增刊): 637-638.

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［6］舒冬梅，王芬芬. 远程测控终端的设计［J］.仪器仪表学报，2003，24(增刊): 82-85.

Design and Implementation of Intelligent Control Terminal used for Verification of Gas Detection Alarm

Guo Bo， Zhang Zheng， Xu Sisi
(Shandong Institute of Metrology， Jinan 250014， China)

The design of control terminal used in metrology of poisonous gas detection alarm was described. Operation of wireless control of alarm verification was achieved by research of software，power systems，wireless communication systems and master control system of the control terminal. Alarm parameters and test results could also be displayed in the terminal. The control terminal could improve the test efficiency and avoid the impact of harmful gases on test personnel.

gas detection alarm; metrology; control terminal

O652.9

A

1008-6145(2014)04-0086-03

10.3969／j.issn.1008-6145.2014.04.026

联系人：郭波；E-mail: 18678787066@163.com

2014-04-23