通配式气体检测仪

裴静 赵斌 吴欣怡

市场上的各种气体检测仪都是独立工作的，而且只能对一种气体进行检测。在听闻一些气体粉尘类爆炸事故后，我们科技创新社团萌生了制作可随意选择检测气体种类、适时报警处理以及能远程监控的气体检测仪的想法。

一、设计要求与原理

本检测仪可将采集的电化学传感器信号转换成可视化数值，并通过报警参数进行报警，实现气体探测、报警与远程数据交换的功能。本检测仪是主要用于居家、商业餐饮、工业生产环境、实验室等非防爆场合气体泄漏的固定式检测仪表，不具备定量和定性的分析功能。该检测仪通过遥控器非接触式操作，通过三级目录进行切换。

电路结构框架图如图1所示。软件程序部分主要分成初始化和循环运行两部分。

初始化工作主要包括CPU外设初始化、MODBUS初始化、指示灯初始化以及电流环初始化。循环运行体程序流程图见图2。

二、设计与制作

（一）硬件制作

本设计使用电子CAD软件PROTEL DXP软件设计电路，使用STC宏晶公司的型号为STC8F2K60S4的芯片，该芯片提供了丰富的数字外设接口与模拟外设。使用封装形式为LQFP48的STM32F030×6芯片驱动LCD。电路信号采用光耦隔离。遥控器使用CD9148芯片组成的发射电路，红外线接收头接收的信号由CD9149芯片组成的电路进行处理。检测传感器选配氧气检测头和氟化氢检测头。作品外壳使用3D打印技术打印，定位打孔后，外部贴上打印好的作品表面纸。

设计好电路后，在网络平台上选择商家代加工，供货周期为20天左右，数块PCB板加工制作联通SMT安装，成本不到200元。加工好的电路板见图3，成品见图4。

（二）软件编程

本设计的软件开发环境Keil5 C51 V5.25.3、STC-ISP V6.88、Visual Studio Code V1.52.1。用C51语言在Keil uVision5软件中开发。通过STC-ISP在线下载调试。

三、功能与使用说明

本设计具有预警、报警和故障三级继电器触点输出功能。开机后进入30秒的自检与预热的检测模式。通过遥控器按“开机”键，输入正确的密码，按“OK”键，进入设置、标定、测试模式。

（一）子菜单“气体参数设置”下的有关功能菜单

1.检测气体种类的选择

按“▲”或“▼”键进入“气体名称设置”，按“OK”键进入“气体名称设置”第三级目录，按“▲”或“▼”键选择气体名称，按“OK”键保存设置，再次按“OK”键确认。

2.小数点、量程、单位的选择

各种气体的显示要求和检测范围不同，与检测气体选择并级的还有小数点、量程、单位的选择，这时都可以按“▲”“▼”“OK”键事先选择后确定。

（二）“一级报警值设置”菜单（二级报警设置值菜单与之相同）

进入“一级报警值设置”后， 按“▲”或“▼”键设置“一级报警值”，按“OK”键保存设置，再次按“OK”键确认，按“返回”键返回。

（三）其他同级目录设置

其他同级别的目录设置为零点标定、标定浓度、标气标定、电流环校准、浓度测试、通信地址等。

四、实验测试

我们将氧气作为检测对象，通过双手抱握检测头、对着手窝内呼气的方式降低局部环境中的氧气含量。设置一级报警值为19.5，报警动作为指示灯亮，非自锁动作（环境检测值再次高于此值时，指示灯熄灭）。二级报警值为18.0，报警动作为继电器动作，自锁动作（环境检测值高于此值时不解除动作）。

五、主要创新点

（一）可检测气体种类多

本检测仪的内部软件已预置嵌入设计二十多种气体的检测程序，更换检测传感器并选择相应的气体工作界面，即可检测相关气体含量。适用范围广，可用于检测餐馆、工厂、商场等场所的气体排放情况。

（二）无接触式遥控操作

由于气体检测通常在高位或密闭场所进行，工作人员操作不便，有些检测场合还不允许使用电磁设备。本设备有关操作可通过无线遥控器完成，操作人员可避开有危险的密闭空间，且无需在现场进行校正（受环境因素影响，现场校正数据可能不准）。

（三）传感器维保方便且经济

本仪器可对比校准信息，若发现检测数据有偏差，通过修正数值和清洗保养传感器来确保检测结果准确，避免盲目更换传感器。

（四）可实现多级预警

操作模式中设置了两级报警，一级报警是信息提醒，二级报警是动作处理。动作报警包括通过中间继电器切断有关电路（常闭触点）、启动应急处理系统（常开触点）、切断有关工种电路并启动紧急处理系统。

（五）构建多点电路的兼容性好

有两种电路构造方式可供选择：若检测距离相近，可通过工业以太网组网实现远程控制;若检测距离较远（200米以上），可通过模拟量电流环路测量技术实现远程监控。〔本文系江苏省第五期职教教学改革一般课题《中职校活页式教材开发与应用研究》（课题编号ZYB201）成果〕

专家点评

通配式气体检测仪是一件集成式的创新作品。这个作品的出现，体现了作者对自己专业的热爱和对科技创新的追求。特别是他们能以一物多用的方式解决多种气体检测的问题，富有开放性的思路。同时，他们通过设计要求与原理、设计与制作、功能与使用方法等一系列的探索与实践过程，找到了比较适合解决问题的方式，对其职业发展与创新成长都很有帮助。

在此提出几个值得商榷的问题：其一，“本检测仪的内部软件已预置嵌入设计二十多种气体的检测程序……”哪些是常用的？哪些是很少用的？即便操作简单，也有必要进行科学的数据分析。不然，会让人产生累赘和技术堆砌之感。其二，每位同学对自己所做的工作、项目得到老师或相关人员的帮助等方面，都应在文本中表达出来。这种知识产权意识和良好的科研态度，是我们开展活动的核心要素。我们必须扣好科技创新人生的第一粒扣子。

譚迪熬 中国发明协会院士专家咨询工作委员会首任专家，中国发明协会中小学创造教育分会会长，科技创新教育特级教师，教育部国培计划专家库专家。