基于ARMv7-M架构的矿用多参数气体检测仪的设计

梁晓军，陈光柱

(成都理工大学核技术与自动化工程学院，四川成都 610059)



基于ARMv7-M架构的矿用多参数气体检测仪的设计

梁晓军，陈光柱

(成都理工大学核技术与自动化工程学院，四川成都 610059)

针对目前矿用气体检测仪只能检测单一气体并且测量气体浓度范围较窄等问题，设计了基于ARMv7-M架构的矿用多参数气体检测仪。此多参数气体检测仪采用STM32处理器以及内外自动切换功能的电源供电模式，将采集到的甲烷、二氧化碳、氧气、一氧化碳的浓度以及环境温度和电源电压值进行数据处理并发送到液晶显示器进行显示。当气体浓度超限或电源电压欠压时检测仪声光报警。经实验测试结果表明该多参数气体检测仪具有自校准功能、精度高、检测范围广、稳定性好、响应速度快和抗干扰能力强等优良性能。

STM32；多参数检测仪；自动切换电源；声光报警；自校准

0 引言

在煤矿安全生产过程中，经常需要同时监测同一地点的各个生产参数。目前煤矿下所用的传感器一般是一种传感器连接一根电缆，且只能测量一个参数[1]，如果同一地点要测多个参数就要敷设多根电缆，这样导致工人现场维护和安装都不方便[2]，使用成本较高。针对该问题，本文设计了一种矿用多参数检测仪，可同时测量井下的甲烷、二氧化碳、氧气、一氧化碳多种气体的含量和环境温度，经试验验证该多参数气体检测仪具有自校准和温度补偿的功能以及精度高、检测范围广、稳定性好、响应速度快和抗干扰能力强等特点，可以很好地解决当前传感器在使用上出现的测量气体单一、测量范围小、维护成本高等问题。

1 多参数气体检测仪硬件设计

由于该检测仪属于矿用产品设备，所以要考虑其工作环境的特殊性以及使用上的安全性，为此多参数气体检测仪采用了抗干扰设计和本安电路的设计。抗干扰设计主要考虑到电磁干扰方面，主要从降低脉冲群和浪涌对传感器的影响、PCB布局布线，采取FIR低通滤波器以及加强传感器的故障自诊断的设计[3-4]。本安电路设计主要遵循标准GB3836．4-2010进行检测仪的低功耗的设计，以及本安与非本安电路的隔离设计。

1．1 检测仪工作原理

多参数检测仪以基于ARMv7-M架构的STM32F103C8T6为核心处理芯片，由甲烷和二氧化碳二合一测量电路、氧气测量电路、一氧化碳测量电路、RS485通信电路、LCD显示电路、按键电路以及声光报警等电路组成，检测仪硬件设计的原理图如图1所示。

图1 多参数气体检测仪的组成

1．2 电源电路

由于检测仪为矿用产品，为了避免断电影响检测仪的工作而构成安全隐患，为此设计了具有自动切换内外电源模块功能的电源。当有外电源输入时，则由外电源给检测仪供电并同时给内置镍氢电池组充电；当外电源断电时，则由内置镍氢电池组供电。电源电路的原理图如图2所示。

图2 电源电路图

当有外电源时，由外接5 V本安电源供给给自动切换电源，并同时给镍氢锂电池组充电，镍氢锂电池组经过电源充电管理芯片实现给镍氢锂电池组进行智能充电；之后经过DC/DC变换电路升压至5 V，最后经线性稳压电路输出3．3 V给检测系统供电。自动切换电路使用PMOS管实现内外电源自动切换供电。

1．3 甲烷和二氧化碳测量电路

甲烷和二氧化碳二合一测量电路选用的是非色散红外防爆二合一传感器，此传感器是基于非色散红外吸收(NDIR)原理，利用比尔-朗格红外吸收定律实现精确测量的。非色散红外传感器保持了红外传感器的温度自补偿、稳定性、抗干扰性、免维护和长寿命等优点，而且避免了传统红外原理检测器的光学部件暴露在空气中，受灰尘或水雾等物质覆盖光学部件造成的运行故障或误报警。

多参数检测仪采用非色散红外二合一传感器，由于非色散红外二合一传感器的通信数字端口采用TTL电平通信，故可通过STM32的USART端口与传感器的数字输出端口直接通信，传感器的工作电压为3～5 V，工程应用上一般采用3．3 V供电。甲烷和二氧化碳气体测量电路如图3所示。

图3 甲烷和二氧化碳测量电路

1．4 氧气测量电路

多参数气体检测仪选用电化学传感器，此传感器能够检测氧气浓度的范围为1%～25%，具有大于0．2%(体积分数)的灵敏度。由于此传感器在空气中输出的电流在0．1 mA左右，所以在送入STM32的ADC采集之前要进行放大和抗干扰处理，以保证检测仪有较高的准确度和灵敏度。在氧气采集电路中采用两级放大电路，因为反馈电阻值不能过大，否则会使电路的输出的线性范围小，调零和稳零变得很困难，并且较大反馈电阻值与分布电容和负载电容产生相移进而产生自激振荡[5]。氧气测量电路的原理图如图4所示。

图4 氧气测量电路

其中，R40为输入限流保护电阻；R42和C20用来滤去测量信号中的尖峰噪声；C18、R38以及C19、R39组成的反馈补偿网络以避免电路中产生的相移所产生的自激震荡。

1．5 一氧化碳测量电路

一氧化碳测量电路采用的检测元件为电化学一氧化碳传感器，此一氧化碳传感器是三电极系统，敏感电极和参考电极之间保持恒定的电压值可以达到去极化的效果和使测量气体浓度的范围加大。一氧化碳传感器检测一氧化碳的范围为0～2 000 ppm(1 ppm=10-6)，灵敏度为70 nA/ppm，故知一氧化碳要有很高的放大倍数才能够较为准确地检测到一氧化碳气体的浓度。一氧化碳测量电路如图5所示。

图5 一氧化碳测量电路

其中,R12起到消除OPA4336运放芯片的B运放漂移对A运放的干扰，以及能够起到过载自恢复的作用；R19和R23可以调整一氧化碳测量电路的输出值；Q13和R17起到了过电流保护的作用。

以上为多参数检测仪的关键电路的设计，报警电路、按键电路、显示电路、RS485通信接口的设计较简单。

2 多参数气体检测仪软件设计

多参数气体检测仪软件设计采用C语言模块化设计方法[6],主要实现数据采集、数据处理、数据显示、报警模块的判断以及参数设置等功能。在软件抗干扰方面采取了多项措施：首先在模拟信号采集方面采用了中位值滤波法(防脉冲干扰平均滤波法)，即去掉一个最大值和一个最小值，然后计算剩余数据的平均值，对于偶然出现的过冲脉冲性干扰，可消除由其引起的采样值偏差[7]。多参数气体检测仪软件的主程序流程图如图6所示。

图6 多参数气体检测仪主程序流程图

3 多参数气体检测仪实验测试

参数传感器能够检测待测环境中的甲烷、二氧化碳、氧气、一氧化碳参数及温度、电源电压，当环境中的气体的浓度超限或者电源电压欠压时，报警模块将及时进行声光报警。为测试多参数气体检测仪的性能，对此检测仪做如下实验：由于矿井真实环境不易获得，故本测试实验放在通常的室内进行，在本实验中用液化气体作为实验气体。由实验结果发现此多参数气体检测仪具有较高的灵敏度、精度以及能够及时声光报警。

经分析此检测仪的误差主要来源为：模拟电路误差和数字测量电路误差。模拟电路误差又由恒定电压源误差γ1、数模转换误差γ2和调理放大电路误差γ3组成；数字测量误差主要由传感器本身的误差以及在解析基于IEEE754标准的数字信号截断误差γ4组成(由于截断误差较小，可以忽略)。

γ3=1/212=0.000 244

则此多参数检测仪的理论误差值为

此为氧气检测的理论精度的分析，可见氧气检测电路具有较高的精度。

4 结论

该矿用多参数气体检测仪可以同时测量甲烷、二氧化碳、氧气、一氧化碳等多种气体的含量、环境温度、电源电压，具有集成度高、造价低以及节省了现场电缆的敷设并减少了日常维护成本等优点；整机在硬件和软件方面都进行了抗干扰设计，抗干扰能力强；采用ARM7芯片STM32可以省掉昂贵的A/D转换芯片以及E2PROM等外围器件，最大限度地利用芯片资源，使产品具有抗干扰能力；采用二合一非色散红外传感器一方面可以减小外围电路的设计，从而使开发的产品小巧美观，另一方面使检测仪具有较高的测量精度、灵敏度和具有温度自补偿、零点和灵敏度自校准的功能从而减少了维护成本给使用上带来方便。

[1] 周峰，梁威，魏宏飞．基于软判决信息融合的多参数瓦斯传感器的设计与实现．工矿自动化，2009(5)：56-59．

[2] 杨帆．基于MSP430F149的矿用多参数传感器的设计．工矿自动化，2010(7)：16-17．

[3] 张立斌，蒋泽，王启峰．矿用传感器的伪数据滤除方法．工矿自动化，2011(8)：1-3．

[4] 荆宜春，张全法，宋璐，等．提高甲烷气体探测器抗干扰能力的研究．仪表技术与传感器,2009(10):78-80．

[5] 陈国杰，徐志民．基于ICL7650程控微电流放大器的设计．佛山科学技术学院学报(自然科学版)，2001,19(4)：8-10．

[6] 谭浩强．C语言程序设计．北京：清华大学出版社,2005．

[7] 张俊．匠人手记：一个单片机工作者的实践与思考．北京:北京航空航天大学出版社，2008．

Design of Mine-used Multiple Parameters Gas DetectorBased on ARMv7-M Architecture

LIANG Xiao-jun,CHEN Guang-zhu

(College of Nuclear Technology and Automation Engineering,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China)

In view of the present mine gas detector can only detect single gas and the measurement range of gas concentration is relatively narrow,the design of mine multi-parameter gas detector based on ARMv7-M architecture was presented．The detector was built based on STM32 processor,with automatic switchover power supply mode．It collected the concentration of methane,carbon dioxide,oxygen and carbon monoxide,environment temperature and supply voltage values for data processing and display．When the gas concentration overran or the supply was undervoltage,the detector rang the sound & light alarm．Test results show that the multiple parameters gas detector has self-calibration function,high precision,wide range of detection,good stability,fast response speed and strong anti-jamming capability．

STM32；multiple parameters gas detector；automatic switching power；sound & light alarm;auto-calibration

成都理工大学优秀创新团队培育计划(KYTD201301)；贵州省教育厅2011年度自然科学科研课题(2011011)

2014-01-06 收修改稿日期：2014-10-10

TP29

A

1002-1841(2015)03-0022-03

梁晓军(1989—)，硕士研究生，研究方向为嵌入式，仪器仪表开发。E-mail：1059576875@qq．com