裴靜 趙斌 吳欣怡

市場上的各種氣體檢測儀都是獨(dú)立工作的，而且只能對一種氣體進(jìn)行檢測。在聽聞一些氣體粉塵類爆炸事故后，我們科技創(chuàng)新社團(tuán)萌生了制作可隨意選擇檢測氣體種類、適時報(bào)警處理以及能遠(yuǎn)程監(jiān)控的氣體檢測儀的想法。

一、設(shè)計(jì)要求與原理

本檢測儀可將采集的電化學(xué)傳感器信號轉(zhuǎn)換成可視化數(shù)值，并通過報(bào)警參數(shù)進(jìn)行報(bào)警，實(shí)現(xiàn)氣體探測、報(bào)警與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交換的功能。本檢測儀是主要用于居家、商業(yè)餐飲、工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)室等非防爆場合氣體泄漏的固定式檢測儀表，不具備定量和定性的分析功能。該檢測儀通過遙控器非接觸式操作，通過三級目錄進(jìn)行切換。

電路結(jié)構(gòu)框架圖如圖1所示。軟件程序部分主要分成初始化和循環(huán)運(yùn)行兩部分。

初始化工作主要包括CPU外設(shè)初始化、MODBUS初始化、指示燈初始化以及電流環(huán)初始化。循環(huán)運(yùn)行體程序流程圖見圖2。

二、設(shè)計(jì)與制作

（一）硬件制作

本設(shè)計(jì)使用電子CAD軟件PROTEL DXP軟件設(shè)計(jì)電路，使用STC宏晶公司的型號為STC8F2K60S4的芯片，該芯片提供了豐富的數(shù)字外設(shè)接口與模擬外設(shè)。使用封裝形式為LQFP48的STM32F030×6芯片驅(qū)動LCD。電路信號采用光耦隔離。遙控器使用CD9148芯片組成的發(fā)射電路，紅外線接收頭接收的信號由CD9149芯片組成的電路進(jìn)行處理。檢測傳感器選配氧氣檢測頭和氟化氫檢測頭。作品外殼使用3D打印技術(shù)打印，定位打孔后，外部貼上打印好的作品表面紙。

設(shè)計(jì)好電路后，在網(wǎng)絡(luò)平臺上選擇商家代加工，供貨周期為20天左右，數(shù)塊PCB板加工制作聯(lián)通SMT安裝，成本不到200元。加工好的電路板見圖3，成品見圖4。

（二）軟件編程

本設(shè)計(jì)的軟件開發(fā)環(huán)境Keil5 C51 V5.25.3、STC-ISP V6.88、Visual Studio Code V1.52.1。用C51語言在Keil uVision5軟件中開發(fā)。通過STC-ISP在線下載調(diào)試。

三、功能與使用說明

本設(shè)計(jì)具有預(yù)警、報(bào)警和故障三級繼電器觸點(diǎn)輸出功能。開機(jī)后進(jìn)入30秒的自檢與預(yù)熱的檢測模式。通過遙控器按“開機(jī)”鍵，輸入正確的密碼，按“OK”鍵，進(jìn)入設(shè)置、標(biāo)定、測試模式。

（一）子菜單“氣體參數(shù)設(shè)置”下的有關(guān)功能菜單

1.檢測氣體種類的選擇

按“▲”或“▼”鍵進(jìn)入“氣體名稱設(shè)置”，按“OK”鍵進(jìn)入“氣體名稱設(shè)置”第三級目錄，按“▲”或“▼”鍵選擇氣體名稱，按“OK”鍵保存設(shè)置，再次按“OK”鍵確認(rèn)。

2.小數(shù)點(diǎn)、量程、單位的選擇

各種氣體的顯示要求和檢測范圍不同，與檢測氣體選擇并級的還有小數(shù)點(diǎn)、量程、單位的選擇，這時都可以按“▲”“▼”“OK”鍵事先選擇后確定。

（二）“一級報(bào)警值設(shè)置”菜單（二級報(bào)警設(shè)置值菜單與之相同）

進(jìn)入“一級報(bào)警值設(shè)置”后， 按“▲”或“▼”鍵設(shè)置“一級報(bào)警值”，按“OK”鍵保存設(shè)置，再次按“OK”鍵確認(rèn)，按“返回”鍵返回。

（三）其他同級目錄設(shè)置

其他同級別的目錄設(shè)置為零點(diǎn)標(biāo)定、標(biāo)定濃度、標(biāo)氣標(biāo)定、電流環(huán)校準(zhǔn)、濃度測試、通信地址等。

四、實(shí)驗(yàn)測試

我們將氧氣作為檢測對象，通過雙手抱握檢測頭、對著手窩內(nèi)呼氣的方式降低局部環(huán)境中的氧氣含量。設(shè)置一級報(bào)警值為19.5，報(bào)警動作為指示燈亮，非自鎖動作（環(huán)境檢測值再次高于此值時，指示燈熄滅）。二級報(bào)警值為18.0，報(bào)警動作為繼電器動作，自鎖動作（環(huán)境檢測值高于此值時不解除動作）。

五、主要創(chuàng)新點(diǎn)

（一）可檢測氣體種類多

本檢測儀的內(nèi)部軟件已預(yù)置嵌入設(shè)計(jì)二十多種氣體的檢測程序，更換檢測傳感器并選擇相應(yīng)的氣體工作界面，即可檢測相關(guān)氣體含量。適用范圍廣，可用于檢測餐館、工廠、商場等場所的氣體排放情況。

（二）無接觸式遙控操作

由于氣體檢測通常在高位或密閉場所進(jìn)行，工作人員操作不便，有些檢測場合還不允許使用電磁設(shè)備。本設(shè)備有關(guān)操作可通過無線遙控器完成，操作人員可避開有危險(xiǎn)的密閉空間，且無需在現(xiàn)場進(jìn)行校正（受環(huán)境因素影響，現(xiàn)場校正數(shù)據(jù)可能不準(zhǔn)）。

（三）傳感器維保方便且經(jīng)濟(jì)

本儀器可對比校準(zhǔn)信息，若發(fā)現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)有偏差，通過修正數(shù)值和清洗保養(yǎng)傳感器來確保檢測結(jié)果準(zhǔn)確，避免盲目更換傳感器。

（四）可實(shí)現(xiàn)多級預(yù)警

操作模式中設(shè)置了兩級報(bào)警，一級報(bào)警是信息提醒，二級報(bào)警是動作處理。動作報(bào)警包括通過中間繼電器切斷有關(guān)電路（常閉觸點(diǎn)）、啟動應(yīng)急處理系統(tǒng)（常開觸點(diǎn)）、切斷有關(guān)工種電路并啟動緊急處理系統(tǒng)。

（五）構(gòu)建多點(diǎn)電路的兼容性好

有兩種電路構(gòu)造方式可供選擇：若檢測距離相近，可通過工業(yè)以太網(wǎng)組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制;若檢測距離較遠(yuǎn)（200米以上），可通過模擬量電流環(huán)路測量技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控?！脖疚南到K省第五期職教教學(xué)改革一般課題《中職?；铐撌浇滩拈_發(fā)與應(yīng)用研究》（課題編號ZYB201）成果〕

專家點(diǎn)評

通配式氣體檢測儀是一件集成式的創(chuàng)新作品。這個作品的出現(xiàn)，體現(xiàn)了作者對自己專業(yè)的熱愛和對科技創(chuàng)新的追求。特別是他們能以一物多用的方式解決多種氣體檢測的問題，富有開放性的思路。同時，他們通過設(shè)計(jì)要求與原理、設(shè)計(jì)與制作、功能與使用方法等一系列的探索與實(shí)踐過程，找到了比較適合解決問題的方式，對其職業(yè)發(fā)展與創(chuàng)新成長都很有幫助。

在此提出幾個值得商榷的問題：其一，“本檢測儀的內(nèi)部軟件已預(yù)置嵌入設(shè)計(jì)二十多種氣體的檢測程序……”哪些是常用的？哪些是很少用的？即便操作簡單，也有必要進(jìn)行科學(xué)的數(shù)據(jù)分析。不然，會讓人產(chǎn)生累贅和技術(shù)堆砌之感。其二，每位同學(xué)對自己所做的工作、項(xiàng)目得到老師或相關(guān)人員的幫助等方面，都應(yīng)在文本中表達(dá)出來。這種知識產(chǎn)權(quán)意識和良好的科研態(tài)度，是我們開展活動的核心要素。我們必須扣好科技創(chuàng)新人生的第一?？圩印?/p>

譚迪熬 中國發(fā)明協(xié)會院士專家咨詢工作委員會首任專家，中國發(fā)明協(xié)會中小學(xué)創(chuàng)造教育分會會長，科技創(chuàng)新教育特級教師，教育部國培計(jì)劃專家?guī)鞂＜摇?/p>