基于STM32的便携式矿用多气体检测仪的设计

徐大诏，李正明，刘　军

(1．江苏大学电气信息工程学院，江苏镇江　212013；2．江苏财经职业技术学院机械与电子工程系，江苏淮安　223003)

1　多气体检测仪的总体设计与工作原理

在多气体检测仪中，利用对应传感器分别把瓦斯气体浓度、氧气浓度、一氧化碳浓度、硫化氢浓度转换为相应大小的模拟电信号，再经信号调理电路把微弱的传感器电信号放大到伏特级，然后送入STM32F103处理器内部集成的ADC模块的输入端，经片内ADC模块把端口的电压模拟量转化成为STM32F103处理器可识别的数字量。STM32F103处理器把这些数字量进行数字处理后，将得到的各气体体积浓度送入OLCD进行显示，同时存入SD卡，以便实现对历史数据的分析[1]。当达到预警值的时候，则启动声光报警。按键主要是用来实现人机交互，比如时间的设定，预警值的修改。此外，通过扩展CAN总线接口，使得检测仪具备了远程通信的能力，以便与监控中心进行联络，实现实时数据传输。总体设计结构如图1所示。

图1　系统的总体设计

2　多气体检测仪的硬件电路设计

矿用多气体检测仪的硬件电路主要由微控制器最小硬件电路、信号采集与调理电路、人机交互电路、报警电路、SD卡存储电路、CAN总线接口电路和电源供电部分组成。

2．1微控制器的选择与最小硬件系统设计

系统采用STM32F103VET6型号的处理器，其内核工作频率可高达72 MHz，内置高速存储器，丰富的I/O端口和大量连接到两条内部APB总线的外设，包含3个16通道12位ADC、4个16位普通定时器、2个高级定时器和1个RTC，这个RTC是一个独立的定时器，在相应软件的配置下，可提供时间日历的功能。此外，还包含标准和先进的通信接口：3个SPI接口、2个I2C接口、5个USART接口、2个I2S接口、一个USB接口，一个SDIO接口和一个CAN接口[2]。由于其内部资源十分丰富，使得系统硬件电路体积大幅减小，可靠性提高。这也是选用此款控制芯片的主要原因。其最小硬件系统如图2所示。

图2　最小硬件电路图

2．2井下气体浓度采集电路的设计

根据我国大多数矿井的气体含量的分析，选择气体传感器的具体型号如下：MJC4/3．0L型催化元件瓦斯传感器、ME3-O2电化学氧气传感器、ME4-CO电化学一氧化碳传感器、ME4-H2S电化学硫化氢传感器。

MJC4/3．0L型催化元件瓦斯传感器体积小，价格合理；桥路输出电压呈线性，响应速度快；具有良好的重复性、选择性；元件工作稳定、可靠，并且能够抗H2S中毒。它由检测元件(黑元件)和补偿元件(白元件)配对组成电桥的两个桥臂，在瓦斯浓度为零的环境里，黑白元件的阻值都随着温度的变化而变化，此时电桥处于平衡状态，输出电压信号为零。当空气中的瓦斯浓度不为零时，黑元件吸收热量升温，使其阻值增大，从而使得电桥失去平衡，产生一个与甲烷浓度成正比的电压信号[3]。由于此电压信号为mV级信号，经过仪表放大器AD623放大以后，才能进入微控制器STM32F103的A/D转换模块。瓦斯传感器信号调理电路如图3所示。

其他3种传感器都为电化学气体传感器，它们都以恒定电位电解为基本工作原理，其输出端产生的电流与被检测气体浓度呈正比例变化，经过电流电压变换放大电路后才能送至STM32F103的A/D转换模块输入。在图3中，采用高精度运算放大器LMP7221，电路可使传感器工作电极WE和参考电极RE之间的电压恒定，从而保证气体浓度的变化与工作电极的电流成正比。加入场效应管后，如果电路工作时断电，可保证工作电极与参考电极短路，再次加电工作时，减少电化学传感器的启动时间。由于硫化氢、氧气传感器信号调理电路与CO类似，只是在电路调试时，对个别元件参数做少许调整。V瓦斯、VO2、VCO、VH2S分别表示4种气体经过调理电路进入STM32F103片内A/D模块的输入电压，如图3所示。

图3　井下气体浓度和温湿度采集电路

2．3井下温湿度采集电路的设计

为了采集井下环境的温湿度，设计采用了Sensirion公司最近推出的一种可以同时测量湿度和温度的集成传感器SHT11，将温湿度传感器、信号放大调理、A/D转换、I2C总线接口全部集成于一芯片，不需外围元件直接输出经过标定的相对湿度和温度的数字信号，具有精度高、成本低、体积小、接口简单等优点，可以有效弥补传统温湿度传感器的不足。传感器的数字输出是通过两线数字接口直接连到控制器PB6、PB7(I2C接口)上去，便于进行系统集成。温湿度采集电路如图3所示。

2．4人机交互电路的设计

人机交互电路由显示电路和按键电路构成。显示电路用来显示矿井环境的实时信息，包括4种气体的浓度、当前时间(包括年、月、日)以及环境的温湿度。为了兼顾低功耗和井下显示醒目，显示电路采用了OLCD显示，而不是普通的液晶显示，OLCD是比液晶显示技术更为先进的新一代平板显示技术，是被业界公认为最具发展前景的下一代显示技术。它与液晶显示技术相比，具有超轻薄、高亮度、广视角、自发光、响应速度快、适应温度范围宽、抗震强、功耗低、可实现柔软显示等优越性能[4]，非常适合在矿井使用。选用VGG12864G-S002 OLCD显示模块，该模块可以直接与微处理器相连，接口电路简单，内置驱动升压电路，用户只需提供VDD(VDD=3.3 V)即可，使用方便。

按键电路既可以用来对各种气体浓度预警值的修改，又可实现对时间的设置。通过K1键实现修改项目的切换，K2键实现参数的增加，K3键实现参数的减小，K4键实现参数的保存。系统的人机交互电路如图4所示。

2．5SD卡存储电路

SD卡用来存储井下环境数据，通过读卡器把数据读入PC机，以便对数据做进一步的分析。SD卡有存储容量大、成本低、读写速度快的优点，正逐渐成为存储设备的主流。其访问方式有2种：SPI模式和SDIO模式。文中选用SPI模式，其接口电路如图4所示。

2．6报警电路

为了增强报警效果，检测仪采用声光同时报警的方式。声音报警采用电磁式有源一体5 V高分贝蜂鸣器 HYT-1205，该蜂鸣器体积小，耐高温，分贝高(达到85 dB)，通过控制STM32F103的PC11输出脉冲信号使其发声；发光报警采用超高亮度发光二极管，发光强度120 000～180 000 mcd，通过控制STM32F103的PC10输出脉冲信号使其闪烁，从而达到报警的效果。报警电路如图4所示。

2．7CAN总线接口电路

CAN总线接口可以实现检测仪与监控中心的远距离可靠通信，可以挂接到整个监控系统中。由于STM32F103内部集成了CAN控制器，因此采用STM32构成CAN总线硬件电路非常简单，只要扩展一片CAN驱动器即可。CAN驱动器的种类有很多种，这里采用MCP2551收发芯片。为了提高总线通信的稳定性和抗干扰能力，CAN控制器的RX和TX引脚并不直接连接到MCP2551上，而是通过高速光耦器件6N137隔离后再与MCP2551连接，从而实现了总线上各CAN节点间的电气隔离。其接口电路如图4所示。

图4　系统其他外围电路设计

3　多气体检测仪的软件设计

3．1系统软件主程序设计

系统程序利用STM32的固件函数库在RealView MDK环境下采用C语言编写，模块化设计，系统程序由初始化程序、数据采集与滤波子程序、显示与存储子程序、按键中断程序、CAN接口通信程序等组成。系统主程序流程图[5]如图5所示。

图5　系统主程序流程图

3．2井下气体浓度数据采集与滤波程序设计

在实际应用中，通过模拟量输入通道采集到的原始数据，有可能混杂了一些干扰噪声，通常需要进行数字滤波，从而提高数据采集的可靠性和准确性。因此，对ADC采样的数据要进行滤波处理。系统采用的是算数平均值滤波法。STM32F103内部集成了2个独立的12位ADC模块，它是一种逐次逼近型模拟数字转换器，有18个通道，可以测量16个外部和2个内部信号源，各通道的A/D转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行[6]。这就意味着STM32可以同时对多路模拟量通道进行快速采集。在这里用ADC连续采集4路模拟信号，并由DMA传输到内存。ADC配置为扫描并且连续转换模式，ADC的时钟配置为12 MHz．在每次转换结束后，由DMA循环将转换的数据传输到内存中。ADC可以连续扫描采集50次，然后求平均值。数据采集与滤波程序[7]流程图如图6所示。

4　仪器测试

在传感器数据的标定阶段，利用瓦斯、氧气、一氧化碳和硫化氢标准气体来测试传感器的检测精度和稳定性。表1给出了4种气体仪器检测数据与对应标准气体的比较结果，测试结果表明相对误差在要求的范围以内。同时，从仪器试用的情况来看，温湿度和时间的采集准确，4种气体检测可靠，达到了系统所要求的性能指标。

5　结束语

利用STM32F103VET6作为检测仪的控制器，能充分发挥其硬件资源丰富、数据处理与实时控制强的特点，使得仪器体积小、成本低、携带方便、存储容量大、工作稳定可靠，易于推广。该检测仪已经在一些煤矿中得到应用，使用结果表明工作稳定，检测数据准确。

图6　数据采集与滤波子程序流程图

参考文献：

[1]杨丽，范江波．基于STC12LE5608AD的便携式瓦斯检测报警仪的设计．煤矿机械，2011，32(9)：155-157．

[2]陈启军，余有灵，张伟，等．嵌入式系统及其应用．上海：同济大学出版社，2011：20-23．

[3]徐科军．传感器与检测技术．3版．北京：电子工业出版社，2011：202-260．

表1　仪器检测结果与标准气体比较

[4]刘军．例说STM32．北京：北京航空航天大学出版社，2011：134-149．

[5]朱高中．基于单片机的矿井瓦斯浓度监测系统的研究．仪表技术与传感器，2012(11)：95-97．

[6]彭刚，秦志强．基于ARM Cortex-M3的STM32系列嵌入式微控制器应用实践．北京：电子工业出版社，2011：213-220．

[7]瓮嘉民，陈志武．基于STM32F105的动态自动称重系统设计．仪表技术与传感器，2012(12)：111-113．