便携甲烷一氧化碳测定器的研究与设计

为了提高煤矿井下工作人员的安全，提出了以STM32F103VET6微控制器为核心的新型便携式甲烷一氧化碳测定器，采用催化原理和电化学原理对多种甲烷、一氧化碳进行同时检测，运用RFID技术实现对外通信，将采集信息通过无线方式发出。详细阐述了测定器的功能与原理，给出了系统原理框图、部分电路连接图和部分软件流程图。又进行硬件和软件设计，并做了试验，验证了新型多气体检测仪具有很好的检测性能和应用价值。

1.引言

目前，气体检测已经由单气体检测方式发展到多气体检测方式[1]，但传统的气体检测仪有功能简单、测量精度低、传感器寿命短等缺陷。本文设计了一种基于ATxmega64D4的新型便携式二合一测定器，采用了高精度的气体传感器，不仅具有多种气体同时检测、存储、显示、报警等基本功能，还设有无线通信的功能，能和矿井井下的无线网络通信（如人员定位系统的位置监测分站[2]），又能应用到煤矿井下安全避险“六大系统”[3]的紧急避险系统[4]中，提高了检测仪的实用性。

2.系统硬件设计

本便携式多参数检测仪以ATxmega64D4处理器为核心，可以实时检测环境空气中甲烷、一氧化碳两种环境气体的浓度;同时具有时间、温度、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、一氧化碳及电池电量各种信号的采集功能，本文选用选用ATxme-ga64D4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、一氧化碳测量模块、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 一氧化碳采集模块

一氧化碳采用电化学原理，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进入传感器时，被测气体中的 在工作电CO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传感元件信号处理及采集电路如图3所示。

图3 一氧化碳探头处理电路

2.2 显示模块设计

为了更好的实现人机交互界面，采用OLED液晶进行显示。该液晶显示器， 采用OLED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OLED模块写入显示数据，在并行模式下OLED驱动时序图如图5所示。

图5 OLED模块并行写数据时序图

2.3 无线通信模块

图6 nRF2401通信应用电路

为了增强该二合一测定器的使用范围，本测定器增加了无线通信功能，这样该该测定器，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.软件设计

软件主要实现信号采集、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、电量等信号的采集;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为系统软件流程图。

图7 系统软件流程设计

4.结语

该二合一测定器既可以同时测量甲烷、一氧化碳、电池电量等;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

[1]周伟，孙弋.煤矿井下应急救援无线通讯系统研究[M].西安：西安科技大学，2007.

[2]汤其建.煤矿安全[M].长沙：国防工业出版社，2012.

[3]左伯莉，刘国宏.化学传感器原理及应用[M].北京：电清华大学出版社，2007.

[4]国家安全生产监督管理总局国家煤矿安全监察局关于建设完善煤矿井下安全避险“六大系统”的通知（安监总煤装[2010]146号）[Z].国家安全监管总局.2010，8，24

项目名称：甲烷一氧化碳二合一变送器（项目编号：14SY003-03）。

作者简介：王鸿建（1983D），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。