基于微控制器的便携式多气体检测仪研制

欧阳健强 李建 杨文龙 吴富姬

摘要：为预防矿山中毒窒息事故的发生，研制基于微控制器的便携式多气体检测仪，将微处理器、气体传感器、显示屏、按键、集成电路集成仪器。经应用，解决矿山面临的安全困扰。

关键词：微控制器;便携;多气体;检测仪

中图分类号：TH832 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）12-0137-02

1 研究背景、目的意义

目前，金属开采地下矿山与非金属开采地下矿山的事故时有发生，安全生产方面形势极其严峻。为了有效的预防中毒窒息事故的发生，当前矿山生产主要采取的应对措施之一是配备便携式气体检测报警仪，作业工人入矿山井下采场等工作场所时，检测有毒气体与有害气体浓度。为了有效规范矿山行业发展，预防事故发生，国家安全生产监督管理局也出台了安全生产行业标准对佩带气体检测仪下井做出强制要求。本文研究与设计一种基于微控制器和电化学传感器的便携式多氣体检测仪，可应用于金属非金属地下矿山的主要有毒有害气体浓度检测。当作业工人佩带此便携式多气体检测仪进入采场等场所作业时，如遇到有毒气体、有害气体的浓度数值超标，该便携式多气体检测仪能发出报警信号，告知人员及时撤离，可有效预防事故的发生。

2 检测仪硬件设计与实现

多气体检测仪硬件电路主要由充电电路、电压转换电路、运算放大电路、液晶屏显示电路、语音播报电路、按键电路、报警指示电路、核心芯片电路等组成。气体传感器选用电化学气体传感器，该传感器具有尺寸小巧，快速响应及恢复，可适应极端温度和湿度环境的特点。使用AD8607、LT6001、LM358等作为传感器信号放大芯片。三路气体传感器的微弱电信号经过运算放大电路放大后进入核心信号处理器的ADC（模拟数字转换器）接口，气体的浓度数据信号经处理后通过液晶屏幕模块进行显示。充电电路采用TP4056芯片为锂电池提供恒流或者恒压方式充电，充电的电流为1A，并具有过充保护。供电电源为3.7V电压等级可充电式锂离子电池，电池经转换电路后为核心处理器及各电路供电。同时，电路具有5位按键，用于开机，参数设置和语音播报等功能。有2个LED指示灯，一个用于报警指示（红色频闪），一个用于充电指示（充电时红色，充满时绿色）。一个蜂鸣器用于报警发声。液晶（LCD）显示屏的作用是显示气体浓度参数及其他人与检测仪的交互界面。用户可通过按键触发语音播报功能，该功能通过语音合成芯片将气体浓度数据转换为语音数据，并通过扬声器播报。核心信号处理器使用STM32F1系列芯片，具有睡眠模式、待机模式和停机模式等几种低功耗模式。液晶显示屏使用点阵液晶屏，该液晶屏自带字库IC，同时具有低功耗的特点。中文播报式语音处理器使用语音芯片，该芯片采用异步串口（UART）的通讯模式，接收等待进行合并播放的文本信息，实现由文本信息到语音数据的转化。

3 检测仪软件设计

本检测仪的软件采用模块化的设计结构进行编程，软件主要包含气体浓度信号采集软件、显示软件、按键软件、报警软件、语音播报软件、实时时钟软件、存储软件等多个模块组成。软件总体架构如图1所示。本检测仪软件基于KEIL μVision4软件开发环境平台进行模块化编写，软件各模块结构合理、语句精炼，可充分体现硬件的效能。

主流程软件采用循环模式运行，检测仪开机后软件启动并开始，软件首先进行各项相关数据的的初始化操作，随后开始进行各通道数据的采集，因为数据采用连续采集模式，采集间隔非常短，而数据经过放大后存在一定的波动，采用中位值平均滤波算法进行处理，处理完成的信号可直接用于显示输出。气体检测仪循环判断被检测数据是否超标，当检测到数据超标时，系统将执行报警提示模块子程序软件，如未超标，则执行播报按键检测程序。如检测到播报按键按下，系统将执行按键模块子程序软件，如未检测到播报按键按下，则执行设置按键检测程序。如检测到设置按键按下，系统将执行设置模块子程序软件，如未检测到设置按键按下，则重新进入采集程序模块，软件依次无限循环。

4 检测仪外观及结构设计与零部件加工

本研究针对便携式多气体检测仪进行了多套外观方案设计，经综合对比，选择一款采用上部放置侧面放置传感器，上部正面放置扬声器，中部放置指示灯及屏幕，下部放置按键的布局，传感器布局使用并排设计，透气孔采用圆形孔阵，按键采用十字形布局设计，并在产品的角位置设置包胶，具有一定的防摔保护作用，该设计总体结构紧凑合理，时尚稳重。

本研究使用先进的三维设计软件对产品的结构进行设计、零件装配及可行性验证，以提高产品的设计效率，压缩产品开发周期。经过多款结构设计对比，最终采用上部侧方放置传感器，中下部放置主电路板，其中显示屏位于中部，按键位于下部的布局结构，该结构布局紧凑合理，传感器位于前部侧面，人员手持该检测仪行走时，行走速度可对前侧面产生负压，该负压可助于传感器最快时间接触被测空气，及时反馈被测空气情况。显示屏及按键位于下部可较便于观测和操作。

经过三维软件对零件的装配及可行性验证后，可进入加工工序，便携式多气体检测仪需要加工的外壳模型主要分为三部分：前壳体，后盖，面板。为缩短产品成型时间及降低加个成本，本研究检测仪的前壳体及后盖采用3D打印技术加工，面板使用PC材料，采用CNC工艺加工而成。

5 检测仪的标定与测试

为了保证检测仪检测数据的准确性，需要对检测仪进行标定，本检测仪使用洁净空气作为零点标定基准，使用不同浓度的标准气体作为其它基准测点的标定基准。零点标定的目的确定检测仪标校斜率线的零点。本检测仪的零点标定方法是将检测仪暴露在洁净空气中，认为洁净空气中一氧化碳和二氧化氮的浓度值为0，认为氧气的浓度值为20.9%，以此气体环境来标定检测仪的零点。基准测点浓度，一氧化碳的标准气体浓度值为1000ppm，二氧化氮的标准气体浓度值为50ppm，氧气的标准气体浓度值为18.2%，以此气体环境来标定检测仪的基准测点。将检测仪与标定气帽连接，往标定气帽分别通标准气体，为了保证标准气体的渗透强度，标准气体的流量需>200升每分钟，标定时间需>5分钟。在气体标定实验平台的上位软件设定标准气体的流量，本标定使用的流量为500L/Min，标定时间为10分钟。

在完成檢测仪的标定工作之后，将对检测仪进行一系列的测试工作，以测试检测仪的精度、稳定性及耐久性等数据。本研究将对检测仪进行通标准气体测量精确度测试，电磁干扰测试及充放电测试等测试工作。检测仪在经过标定、通标气校验、干扰实验及充电放电实验等多个环境测试，检测仪总体表现较好。检测数据准确，误差小;在工频磁场干扰环境下表现稳定;锂电池工作稳定，待机时长超过设计需求。效果达到了预期的要求。

6 结语

目前，改检测仪经过试用和改进，已应用于矿山相关场所的气体环境安全检测。该检测仪采用微控制器、电化学气体传感器为核心，结合显示屏、按键、声光报警元件、锂电池等开发检测仪成套系统，运用三维设计软件设计产品结构，3D打印技术等加工产品外壳，检测仪得到了高效的开发并快速应用，经长期矿山现场试验反馈，达到了较好的应用效果，提高了地下矿山生产的安全水平。

参考文献

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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