矿用便携式多参数检测仪的研究与设计

【摘要】本文设计了一款便携式多参数检测仪，能同时采集瓦斯、一氧化碳、氧气、硫化氢气体及环境温度、湿度、压力等多种环境参量实时信息，并通过液晶显示。此便携多参数检测仪不仅可任意以单独产品使用，还可以通过无线接口接入PDA、井下单兵救援系统中，提供实时环境参量信息。

【关键词】矿用便携式；多参数检测仪；研究；设计

1.引言

为了更好的保障煤矿井下的安全生产，国家明确要求相关工作人员必须配备便携瓦斯检测仪，但在煤矿井下除了甲烷气体外，还存在一氧化碳、硫化氢等有毒气体，随时可能威胁到井下工作人员的生命安全，因此对井下一氧化碳、硫化氢等有毒气体的检测越来越引起矿方的重视；同时由于传统的在线式一氧化碳、硫化氢等传感器只能固定的检测某一点的环境参数，不能随时随地保证工作人员处于安全环境，无法为井下工作人员提供及时的预警信息，而便携多参数检测仪可以实时的为井下工作人员提供所处环境的各个参数，更好的保证工作人员的生命安全。

2.系统硬件设计

本便携式多参数检测仪以EFM32TG232处理器为核心，可以实时检测环境空气中甲烷、一氧化碳、氧气、硫化氢四种环境气体的浓度；同时具有时间、温度、湿度、压力和电池电量的采集功能，并在CPU控制下通过液晶模块进行显示，同时可以通过无线接口对外通信。如图1为系统原理框图，该系统主要由CPU处理及采集模块、显示模块、通信模块等部分组成。

图1 系统原理框图

2.1 信号处理及采集模块设计

为了满足系统对甲烷、一氧化碳、氧气、硫化氢、压力、湿度及电池电量各种信号的采集功能，本文选用选用Energy Micro公司的处理器EFM32TG232作为控制器，EFM32TG232具备8路12位A/D、RTC功能、同时具有低功耗功能。信号处理及采集模块主要包括甲烷测量模块、一氧化碳及硫化氢测量模块、氧气测量模块、压力、湿度及电池电量测量模块。

2.1.1 甲烷检测模块

甲烷探头电路原理图如图2所示，是由两个传感器敏感元件和两支固定的电阻组成的惠斯通电桥。敏感元件在表面上浸涂了铂族金属催化剂，成为黑元件（a），另一元件无催化剂，为参比元件b（白元件）。黑白元件的铂丝是桥路电阻，又是加热器，使催化剂在高温下产生催化作用，两固定电阻R1、R2，与黑白元件电阻相匹配。无甲烷气体时，桥路平衡，输出信号为零；有甲烷气体时，在黑元件表面进行催化氧化，放出热量，使温度升高，电阻升高，而白元件电阻值不变，此时桥路不平衡，输出一定电压信号，且输出的信号与CH4气体含量成正比，通过采集电桥电压可以计算出当前环境中甲烷的实际浓度。

图2 甲烷测量原理图

2.1.2 一氧化碳、硫化氢信号采集模块

一氧化碳、硫化氢探头传感元件具有相同的原理、信号大小，都采用电化学原理，由工作电极WE、辅助电极CE和参考电极RE，当含有的被测气体扩散CO/H2S进入传感器时，被测气体中的在工作电CO/H2S电极上发生电化学氧化反应，根据斐克扩散定律，在WE-CE之间形成电流I，通过对电流进行取样、放大后输出到单片机ADC中进行采集。CO/H2S传感元件信号处理及采集电路如图3所示。

图3 一氧化碳/硫化氢探头处理电路

图4 氧气探头放大处理电路

2.1.3 氧气传感元件采集处理模块

氧气传感器采用英国ALPHA公司的O2-A2型氧气传感元件。由于氧气传感器元件为电流信号，且电流信号很小为μA级，因此为了提高测量信号的精度和稳定性，需要选择共模抑制比高、增益大和温漂小的信号放大器。本文采用AD公司的运放芯片AD8269实现信号的放大。如图4为氧气传感器探头信号采集电路。

2.1.4 压力及湿度采集模块

压力和湿度采集元件输出均为标准电压信号，通过分压后直接输入到处理器ADC采集端口，其中压力采集芯片采用飞思卡尔公司的MPX4250；湿度采用霍尼韦尔公司的HIH-400。

2.2 显示模块设计

为了更好的实现人机交互界面，多参数检测仪采用128*64图形点阵液晶显示。该液晶显示器，采用LED背光显示，适用于各种仪器仪表、工业控制、办公自动化等领域。采用并行模式向LCD模块写入显示数据，在并行模式下LCD驱动时序图如图5所示。

图5 LCD模块并行写数据时序图

图6 nRF2401通信应用电路

图7 系统软件流程设计

2.3 无线通信模块

为了增强该多参数检测仪的使用范围，本多参数检测仪增加了无线通信功能，这样该多参数检测仪除了作为单一产品应用外，还可以与煤矿PDA设备、井下单兵救援系统实现无线通信，接入其它系统中。如图6为nRF2401无线通信应用电路，该模块的核心器件是NRF2401，其电路简单，除去耦电容及工作晶振外，ANT1和ANT2引脚输出平衡的RF信号到天线，其中ANT2输出信号经过LC串联及并联电路选频滤波后，再经天线传出；且该信号又经过电感返回至ANT1，构成内部PA电路的反馈。另外，POWER-nREF、CE-nREF、CS-nREF、DR1-nREF、CLK1-nREF和DATA-nREF是6个功能接口，分别与CPU的6个I/O口相连。

3.系统软件设计

系统软件采用C语言模块化设计。主要实现信号采集、数字滤波处理、人机界面处理、参数设置、通信处理等功能。在信号采集处理方面采用连续采集方式，依次完成对甲烷、一氧化碳、氧气、硫化氢、压力、湿度等信号的采集；为了减少外部干扰带来了误差，采用中值滤波法进行滤波后得到最终环境参量，然后在CPU的控制下通过液晶模块实现各个环境参量的显示，同时实现与外部设备实现无线通信。如图7所示为系统软件流程图。

4.结语

该矿用便携式多参数检测仪既可以同时测量甲烷、一氧化碳、氧气、硫化氢等四种环境气体参数，又可以检测温度、湿度、压力等常规参量；既可以作为单一产品使用，又可以通过无线接口与接入PDA、单兵系统中。具有功能齐全、操作简单、携带方便、测量精度高、稳定可靠等优点。

参考文献

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项目来源：天地（常州）自动化股份有限公司科研基金项目（项目编号：13SY001）。

作者简介：王鸿建（1983―），男，河南驻马店人，硕士研究生，主要从事煤矿监测系统、矿用传感器的研究与开发。