阅读说明：本技术 三合一传感器气体浓度检测方法以及三合一传感器 (Three-in-one sensor gas concentration detection method and three-in-one sensor ) 是由 张伟 于 2019-08-15 设计创作，主要内容包括：本发明涉及三合一传感器气体浓度检测方法,包括：S1、分别获取第一气体检测信号、第二气体检测信号和第三气体检测信号；S2、基于所述第一气体检测信号、所述第二气体检测信号和所述第三气体检测信号分别解析出所述第一气体浓度、第二气体浓度和第三气体浓度的高位、低位和小数点位数值；S3、分别基于所述第一气体浓度、第二气体浓度和第三气体浓度的高位、低位和小数点位数值计算所述第一气体浓度、所述第二气体浓度和所述第三气体浓度。本发明还涉及一种三合一传感器。实施本发明的三合一传感器气体浓度检测方法以及三合一传感器,能够实现井下现场的各种气体成分的精确监测。(the invention relates to a gas concentration detection method of a three-in-one sensor, which comprises the following steps: s1, respectively acquiring a first gas detection signal, a second gas detection signal and a third gas detection signal; s2, respectively analyzing high-order, low-order and decimal point position values of the first gas concentration, the second gas concentration and the third gas concentration based on the first gas detection signal, the second gas detection signal and the third gas detection signal; s3, calculating the first gas concentration, the second gas concentration and the third gas concentration respectively based on the high position, low position and decimal point values of the first gas concentration, the second gas concentration and the third gas concentration. The invention also relates to a three-in-one sensor. The three-in-one sensor gas concentration detection method and the three-in-one sensor can realize accurate monitoring of various gas components in the underground site.)

三合一传感器气体浓度检测方法以及三合一传感器

技术领域

本发明涉及气体检测领域，更具体地说，涉及一种三合一传感器气体浓度检测方法以及三合一传感器。

背景技术

煤矿井下现场的各种信息的收集对于安全生产十分重要，尤其是甲烷、一氧化碳、氧气的浓度等环境参数，更是与安全息息相关。随着对煤矿生产安全的日益重视，各种气体传感器广泛用于煤矿井下现场的气体浓度采集。然而，现有技术的气体传感器，通常采用单个探头的形式，因此无法对混合气体进行检测识别，并显示气体浓度。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种能够实现井下现场的各种气体成分的精确监测的三合一传感器气体浓度检测方法以及三合一传感器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种三合一传感器气体浓度检测方法，包括：

S1、分别获取第一气体检测信号、第二气体检测信号和第三气体检测信号；

S2、基于所述第一气体检测信号、所述第二气体检测信号和所述第三气体检测信号分别解析出所述第一气体浓度、第二气体浓度和第三气体浓度的高位、低位和小数点位数值；

S3、分别基于所述第一气体浓度、第二气体浓度和第三气体浓度的高位、低位和小数点位数值计算所述第一气体浓度、所述第二气体浓度和所述第三气体浓度。

在本发明所述的三合一传感器气体浓度检测方法中，所述步骤S2进一步包括：

S21、通过IC2通信协议循环读取所述第一气体检测信号、所述第二气体检测信号和所述第三气体检测信号；

S22、根据校验字节检验所述第一气体检测信号、所述第二气体检测信号和所述第三气体检测信号。

在本发明所述的三合一传感器气体浓度检测方法中，所述步骤S22进一步包括：

S221、根据所述第一气体检测信号、所述第二气体检测信号和所述第三气体检测信号的第一字节数据判断所述第一气体检测信号、所述第二气体检测信号和所述第三气体检测信号是否有效；

S222、根据所述第一气体检测信号、所述第二气体检测信号和所述第三气体检测信号的第二字节数据判断所述第一气体检测信号、所述第二气体检测信号和所述第三气体检测信号的读取地址是否正常。

在本发明所述的三合一传感器气体浓度检测方法中，所述步骤S22进一步包括：

S223、基于所述第一气体检测信号、所述第二气体检测信号和所述第三气体检测信号是否有效和/或读取地址是否正常产生报警信号。

在本发明所述的三合一传感器气体浓度检测方法中，所述步骤S3进一步包括：

S31、将所述第一气体检测信号、所述第二气体检测信号和所述第三气体检测信号的第三字节数据和第四字节数据分别转换成第一气体浓度高位数据、第一气体浓度低位数据、第二气体浓度高位数据、第二气体浓度低位数据、第三气体浓度高位数据、第三气体浓度低位数据；

S32、将所述第一气体检测信号、所述第二气体检测信号和所述第三气体检测信号的第五字节数据分别转换成第一气体浓度小数点位数据、第二气体浓度小数点位数据和第三气体浓度小数点位数据；

S33、基于所述第一气体浓度高位数据、所述第一气体浓度低位数据和所述第一气体浓度小数点位数据计算所述第一气体浓度，基于所述第二气体浓度高位数据、所述第二气体浓度低位数据和所述第二气体浓度小数点位数据计算所述第二气体浓度，基于所述第三气体浓度高位数据、所述第三气体浓度低位数据和所述第三气体浓度小数点位数据计算所述第三气体浓度。

在本发明所述的三合一传感器气体浓度检测方法中，在所述步骤S33中：

所述第一气体浓度＝(所述第一气体浓度高位数据*256+所述第一气体浓度低位数据)*5/(10^N1)，其中N1为所述第一气体浓度小数点位数据；

所述第二气体浓度＝(所述第二气体浓度高位数据*256+所述第二气体浓度低位数据)/(10^N2)，其中N2为所述第二气体浓度小数点位数据；

所述第三气体浓度＝(所述第三气体浓度高位数据*256+所述第三气体浓度低位数据)/(10^N3)，其中N3为所述第三气体浓度小数点位数据；

其中，第一气体为甲烷，第二气体为一氧化碳，第三气体为氧气。

在本发明所述的三合一传感器气体浓度检测方法中，进一步包括:

S41、将所述第一气体浓度、所述第二气体浓度、所述第三气体浓度在三合一传感器的显示模块进行显示；

S42、将所述第一气体浓度、所述第二气体浓度、所述第三气体浓度传送给网络平台；

S43、将所述第一气体浓度、所述第二气体浓度、所述第三气体浓度通过握手协议发送到防爆矿用电动车的整车综合控制器；和/或

S44、将所述第一气体浓度、所述第二气体浓度、所述第三气体浓度与标准第一气体浓度、标准第二气体浓度、标准第三气体浓度进行比较，并基于比较结果生成报警信号。

在本发明所述的三合一传感器气体浓度检测方法中，所述步骤S43进一步包括：

S431、所述三合一传感器上电之后向所述整车综合控制器发送握手数据；

S432、所述整车综合控制器在接收到所述握手数据之后，向所述三合一传感器发送握手命令；

S433、所述三合一传感器接收到所述握手命令之后停止发送握手数据以表示握手成功并向所述整车综合控制器发送所述第一气体浓度、所述第二气体浓度、所述第三气体浓度。

本发明解决其技术问题采用的另一技术方案是，构造一种三合一传感器，包括三合一探头集成模块和控制模块，所述三合一探头集成模块包括第一传感器探头、第二传感器探头和第三传感器探头以及探头信号处理电路，所述控制模块包括微处理器以及存储在所述微处理器上的计算机程序，所述微处理器与所述探头信号处理电路通信连接，所述程序被所述微处理器执行时实现根据权利要求1-8中任意一项权利要求所述的三合一传感器气体浓度检测方法。

在本发明所述的三合一传感器中，进一步包括分别与所述微处理器通信连接的声光报警模块、显示模块、存储模块和电源模块。

实施本发明的三合一传感器气体浓度检测方法以及三合一传感器，能够实现井下现场的各种气体成分的精确监测。进一步地，通过循环读取和数据转换验证，可以对各种气体成分进行更精准的浓度计算。再进一步的，通过握手协议与整车控制器进行通信，可以更好进行数据的传递。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明的三合一传感器气体浓度检测方法的第一实施例的流程图；

图2是本发明的三合一传感器的第一实施例的原理框图；

图3是本发明的三合一传感器的第二实施例的原理框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是本发明的三合一传感器气体浓度检测方法的第一实施例的流程图。如图1所示，在步骤S1中，分别获取第一气体检测信号、第二气体检测信号和第三气体检测信号。在本发明的优选实施例中，可以采用三合一探头集成模块进行检测。例如，在本发明的一个优选实施例中，所述三合一探头集成模块可以包括氧气探头、甲烷探头和一氧化碳探头、探头信号处理电路(例如PCB线路板)。所述氧气探头、甲烷探头、一氧化碳探头分别连接到所述PCB线路板。所述氧气探头、甲烷探头和一氧化碳探头可以采用进口高精密工业级传感器探头，其可以包括传感器探头气室与探头敏感元件，工作时被测环境中的氧气、甲烷、一氧化碳三种气体以扩散方式进入传感器探头气室与探头敏感元件发生反应并转换成三种气体相应的标准电信号，即甲烷气体检测信号、一氧化碳气体检测信号和氧气气体检测信号，这些数据可以通过TTL串口输出。

在步骤S2中，基于所述第一气体检测信号、所述第二气体检测信号和所述第三气体检测信号分别解析出所述第一气体浓度、第二气体浓度和第三气体浓度的高位、低位和小数点位数值。

在本发明的一个优选实施例中，可以将所述甲烷气体检测信号、一氧化碳气体检测信号和氧气气体检测信号进行滤波放大等预处理操作，然后将其进行A/D转换，然后传送给控制模块，例如STM32F107单片机进行数据处理分析，并通过EEPR OM存储模块进行存储。

在本发明的优选实施例中，所述步骤S2进一步包括：S21、通过IC2通信协议循环读取所述第一气体检测信号、所述第二气体检测信号和所述第三气体检测信号；S22、根据校验字节检验所述第一气体检测信号、所述第二气体检测信号和所述第三气体检测信号。

在本发明的进一步的优选实施例中，可以采用标准IC2时序(100KHz～400KHz)，MSB优先发送。在本实施例中，第一气体检测信号，即甲烷气体检测信号的I2C读取地址为32；第二气体检测信号，即一氧化碳气体检测信号的I2C读取地址为34；第三气体检测信号，即氧气气体检测信号的I2C读取地址为36。对于每种气体，每次读取10个字节的数据，循环读取，大约每秒读取一次，读取的数据分别为IICDATAROM[0]，IICDATAROM[1]，……IICDATAROM[9]。本领域技术人员知悉，在本发明的其他优选实施例中，还可以选择其他类型的气体进行检测，并且第一气体检测信号、第二气体检测信号和第三气体检测信号与甲烷气体、一氧化碳气体和氧气气体的读取地址可以互换。在本发明的进一步的优选实施例中，如前所述，采用标准IC2时序循环读取甲烷、一氧化碳和氧气的I2C读取地址的数据，分别获取三种气体10个字节的数据。如果读取不到数据或者I2C读取过程报错，置位I2C读取错误标志字节，采用显示器显示错误信息，并进行声光报警。

在本发明的进一步的优选实施例中，I2C读取数据正常后，判断每次读取的数据第一个字节是否等于0xb1，即IICDATAROM[0]是否等于0xb1，如果IICDATAROM[0]不等于0xb1，说明I2C读取传感器该气体浓度出错或者数据无效，置位无效数据标志字节，显示错误信息，并进行声光报警。当读取的每一种气体检测信号的第一个字节等于0xb1后，判断读取的第二个字节是否等于该气体的I2C读取地址，即判断甲烷气体检测信号的IICDATAROM[1]是否等于32，一氧化碳气体检测信号的IICDATAROM[1]是否等于34，氧气气体检测信号的IICDATAROM[1]是否等于36，如果不相等，置位相应气体的无效数据标志字节，显示器显示错误信息，并进行声光报警。

在步骤S3中，分别基于所述第一气体浓度、第二气体浓度和第三气体浓度的高位、低位和小数点位数值计算所述第一气体浓度、所述第二气体浓度和所述第三气体浓度。

在本发明的优选实施例中，所述步骤S3进一步包括：S31、将所述第一气体检测信号、所述第二气体检测信号和所述第三气体检测信号的第三字节数据和第四字节数据分别转换成第一气体浓度高位数据、第一气体浓度低位数据、第二气体浓度高位数据、第二气体浓度低位数据、第三气体浓度高位数据、第三气体浓度低位数据；S32、将所述第一气体检测信号、所述第二气体检测信号和所述第三气体检测信号的第五字节数据分别转换成第一气体浓度小数点位数据、第二气体浓度小数点位数据和第三气体浓度小数点位数据；S33、基于所述第一气体浓度高位数据、所述第一气体浓度低位数据和所述第一气体浓度小数点位数据计算所述第一气体浓度，基于所述第二气体浓度高位数据、所述第二气体浓度低位数据和所述第二气体浓度小数点位数据计算所述第二气体浓度，基于所述第三气体浓度高位数据、所述第三气体浓度低位数据和所述第三气体浓度小数点位数据计算所述第三气体浓度。

优选的，所述第一气体浓度＝(所述第一气体浓度高位数据*256+所述第一气体浓度低位数据)*5/(10^N1)，其中N1为所述第一气体浓度小数点位数据；所述第二气体浓度＝(所述第二气体浓度高位数据*256+所述第二气体浓度低位数据)/(10^N2)，其中N2为所述第二气体浓度小数点位数据；所述第三气体浓度＝(所述第三气体浓度高位数据*256+所述第三气体浓度低位数据)/(10^N3)，其中N3为所述第三气体浓度小数点位数据。

下面进一步以甲烷，一氧化碳和氧气来进行说明如下。

将IC2读取到的甲烷气体检测信号的第三字节和第四字节数据，由16进制数据转换为10进制数据，即气体浓度的高位和低位字节数据后，分别赋值给甲烷气体检测信号的IICDATAROM[2]和IICDATAROM[3]。同理，将IC2读取到的一氧化碳气体检测信号的第三字节和第四字节数据，由16进制数据转换为10进制数据，即气体浓度的高位和低位字节数据后，分别赋值给一氧化碳气体检测信号的IICDATAROM[2]和IICDATAROM[3]。将IC2读取到的氧气气体检测信号的第三字节和第四字节数据，由16进制数据转换为10进制数据，即气体浓度的高位和低位字节数据后，分别赋值给氧气气体检测信号的IICDATAROM[2]和IICDATAROM[3]。

在本优选实施例中，进一步的，将IC2读取到的甲烷气体检测信号的第五字节数据，由16进制数据转换为10进制数据，即气体浓度的小数点位数据后，分别赋值给甲烷气体检测信号的IICDATAROM[4]。将IC2读取到的一氧化碳气体检测信号的第五字节数据，由16进制数据转换为10进制数据，即气体浓度的小数点位数据后，分别赋值给一氧化碳气体检测信号的IICDATAROM[4]。将IC2读取到的氧气气体检测信号的第五字节数据，由16进制数据转换为10进制数据，即气体浓度的小数点位数据后，分别赋值给氧气气体检测信号的IICDATAROM[4]。

通过如下公式计算甲烷、一氧化碳和氧气的气体浓度

甲烷气体浓度＝甲烷气体检测信号的(IICDATAROM[2]*256+IICDATAROM[3])*5/10^N1，其中N1＝IICDATAROM[4]；

一氧化碳气体浓度＝一氧化碳气体检测信号的(IICDATAROM[2]*256+IICDATAROM[3])//10^N2，其中N2＝ICDATAROM[4]；

氧气气体浓度＝氧气气体检测信号的(IICDATAROM[2]*256+IICDATAROM[3])*10^N3，其中N3＝IICDATAROM[4]。

在本发明的进一步的优选实施例中，可以将甲烷气体浓度、一氧化碳气体浓度和氧气气体浓度在三合一传感器的显示模块进行显示、传送到EEPR OM存储模块进行存储，传送给网络平台，和/或通过握手协议发送到防爆矿用电动车的整车综合控制器。

优选地，例如可以将甲烷气体浓度、一氧化碳气体浓度和氧气气体浓度通过I/O模块自检或远程调校，通过LED显示模块进行显示和声光报警，实现井下实时数字显示，也可以通过WIFI或者3G/4G网络信号实时传送到网络平台。

优选地，还可以将甲烷气体浓度、一氧化碳气体浓度和氧气气体浓度通过远程监控平台，按照网络通讯协议进行判断和解析,将最终数据进行过滤和转换，并通过井下的WIFI或者3G/4G网络将数据进行信号输出，发往井下监控分站及地面中心站，实现联网检测。

例如，所述三合一传感器上电之后向所述整车综合控制器发送握手数据；所述整车综合控制器在接收到所述握手数据之后，向所述三合一传感器发送握手命令；所述三合一传感器接收到所述握手命令之后停止发送握手数据以表示握手成功并向所述整车综合控制器发送所述甲烷气体浓度、一氧化碳气体浓度和氧气气体浓度。例如在所述防爆矿用电动车上电开机之后，所述整车综合控制器如果在设定时间(例如五分钟内)没有收到三合一传感器发送的握手数据，表示握手失败，将显示握手失败的报警信息。握手协议和数据是通过CAN总线协议实现，CAN总线速率为250KBps。

在本发明的进一步的优选实施例中，可以将甲烷气体浓度、一氧化碳气体浓度和氧气气体浓度与标准甲烷气体浓度、标准一氧化碳气体浓度、标准氧气气体浓度进行比较，当其中至少一者大于对应的标准气体浓度时，生成报警信号，例如声光报警信号。

实施本发明的三合一传感器气体浓度检测方法以及三合一传感器，能够实现井下现场的各种气体成分的精确监测。进一步地，通过循环读取和数据转换验证，可以对各种气体成分进行更精准的浓度计算。再进一步的，通过握手协议与整车控制器进行通信，可以更好进行数据的传递。

图2是本发明的三合一传感器的第一实施例的原理框图。如图2所示，本发明的三合一传感器包括三合一探头集成模块100和控制模块200。如图2所示，所述三合一探头集成模块包括第一传感器探头(甲烷探头110)、第二传感器探头(一氧化碳探头120)和第三传感器探头(氧气探头130)以及探头信号处理电路140。所述控制模块200包括微处理器210以及存储在所述微处理器上的计算机程序210。所述微处理器210与所述探头信号处理电路140通信连接，所述计算机程序210所述微处理器210执行时实现上述的三合一传感器气体浓度检测方法。基于本发明的教导，本领域技术人员能够构造这样的计算机程序210，在此就不再类似了。

在本发明的优选实施例中，可以将三合一探头集成模块100和控制模块200设置在长方体结构的壳体中，该壳体由不锈钢冲压而成，抗冲击能力强。前后盖的合缝处为能防尘、防水的橡胶密封圈，下部设置甲烷探头110、一氧化碳探头120、氧气探头130。甲烷探头110、一氧化碳探头120、氧气探头130可以采用进口高精密工业级传感器探头，整机性能稳定，寿命长，调校周期长，可输出断电控制信号，控制信号的断电点可任意设定，并且具有故障自检功能，使用、维护方便。其可以包括传感器探头气室与探头敏感元件，工作时被测环境中的氧气、甲烷、一氧化碳三种气体以扩散方式进入传感器探头气室与探头敏感元件发生反应并转换成三种气体相应的标准电信号，即甲烷气体检测信号、一氧化碳气体检测信号和氧气气体检测信号，这些数据可以通过TTL串口输出。甲烷探头110、一氧化碳探头120、氧气探头130可以电连接所述探头信号处理电路140从而产生检测到的甲烷气体检测信号、一氧化碳气体检测信号和氧气气体检测信号。所述微处理器210与所述探头信号处理电路140通信连接，从而接收甲烷气体检测信号、一氧化碳气体检测信号和氧气气体检测信号并进行后续处理，进而生成所述甲烷气体浓度、一氧化碳气体浓度和氧气气体浓度。

图3是本发明的三合一传感器的第二实施例的原理框图。如图3所示，本发明的三合一传感器包括三合一探头集成模块100和控制模块200。如图3所示，所述三合一探头集成模块100包括甲烷探头110、一氧化碳探头120和氧气探头130以及探头信号处理电路140。所述控制模块200包括微处理器210以及存储在所述微处理器上的计算机程序210。所述微处理器210与所述探头信号处理电路140通信连接，所述计算机程序210所述微处理器210执行时实现上述的三合一传感器气体浓度检测方法。

如图3所示，所述控制模块200进一步包括分别与所述微处理器210通信连接的报警模块270、LED显示模块230、接口模块240，调校模块250、存储模块260、电源模块280和输出模块290。在本发明的优选实施例中，所述报警模块包括高亮度红色发光管组成的报警灯组、压电陶瓷构成的声音报警模块以及三个四位八段红色数码管组成的显示窗。所述显示窗同时还用于构建所述LED显示模块230。通过调校模块250可以对传感探头的零点、精度及报警点采用矿用红外遥控器调节。该接口模块240可以包括I2C接口和I/O接口，进而与外部进行通信。所述电源模块280可以是外置5V电池或利用车载电源供电。所述输出模块290可以包括有线输出单元292和无线输出单元291，例如WIFI或者3G/4G网络信号实时传送到网络平台进行显示和存储，又例如CAN总线单元与整车综合控制器进行通信。所述微处理器210里可以采用STM32F107单片机，所述存储模块260可以是EEPR OM存储模块。进一步地，所述三合一传感器可接对讲功能和视频功能(有线接单兵系统或是蓝牙无线的方式接单兵系统)。

实施本发明的三合一传感器，能够实现井下现场的各种气体成分的精确监测。进一步地，通过循环读取和数据转换验证，可以对各种气体成分进行更精准的浓度计算。再进一步的，通过握手协议与整车控制器进行通信，可以更好进行数据的传递。

本发明的另一个实施例提供一种可机读存储器和/或存储介质，其内存储的机器代码和/或计算机程序包括至少一个代码段，由机器和/或计算机执行而使得该机器和/或计算机执行本申请中描述的三合一传感器气体浓度检测方法的各个步骤。

因此，本发明可以通过硬件、软件或者软、硬件结合来实现。本发明可以在至少一个计算机系统中以集中方式实现，或者由分布在几个互连的计算机系统中的不同部分以分散方式实现。任何可以实现本发明方法的计算机系统或其它设备都是可适用的。常用软硬件的结合可以是安装有计算机程序的通用计算机系统，通过安装和执行程序控制计算机系统，使其按本发明方法运行。

本发明还可以通过计算机程序产品进行实施，程序包含能够实现本发明方法的全部特征，当其安装到计算机系统中时，可以实现本发明的方法。本文件中的计算机程序所指的是：可以采用任何程序语言、代码或符号编写的一组指令的任何表达式，该指令组使系统具有信息处理能力，以直接实现特定功能，或在进行下述一个或两个步骤之后实现特定功能：a)转换成其它语言、编码或符号；b)以不同的格式再现。

虽然本发明是通过具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。另外，针对特定情形或材料，可以对本发明做各种修改，而不脱离本发明的范围。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。