一氧化碳气体质量浓度智能检测仪的研究与设计_图文

1、2009年 第3期仪表技术与传感器Instrum ent T echn i que and Sensor 2009 N o 3 基金项目:河南省自然科学基金(0511010800收稿日期:2008-02-26 收修改稿日期:2008-12-19一氧化碳气体质量浓度智能检测仪的研究与设计冯冬青1,王晓侃1,2(1.郑州大学信息与控制研究所,河南郑州 450001;2.河南机电学校,河南郑州 450002摘要:为了准确测量空气中一氧化碳的含量,研究设计了利用P I C16F877单片机控制的一氧化碳气体质量浓度智能检测仪,用传感器进行一氧化碳质量浓度采集,通过M PLA B 软件编程建立线性模型实

2、现显示、控制报警等功能,并用模块法进行系统调试。设计了多种报警方式,当气体质量浓度达到预置的报警值时,将依据报警的级别不同,发出不同频率的声、光报警信号。该仪器具有智能化、低功耗、高精度、操作简便等特点。关键词:一氧化碳;气体检测;单片机;智能中图分类号:TP212 文献标识码:A 文章编号:1002-1841(200903-0037-03Research and D esign of Carbon M onoxi de Concentration Intelligent D etectorFE NG Dong qi ng 1,WANG X iao kan 1,2(1.Institu te o

3、f Infor mat i on and Con tro,l Zh engzhou Un i versity ,Z hen gzh ou 450001,Ch i na ;2.H enan M echan ical and E lectrica l S choo,l Z hengzhou 450002,ChinaAbstract :In orde r to accurate l y m easure t he concentration o f carbon monox ide in the a ir ,t h is paper desi gned an i nte lli gent detec

4、to r o f carbon m onox i de concentration wh ich controll ed by P IC16F877m i crocontro ller .MG S1100sensor was used for carbon m onox i de concen trati on co ll ec tion .L i near m ode lwas bu ilt to rea lize d isplay ,contro l an a l arm t hrough so ft w are progra mm i ng ,mod u l e m ethod w as

5、 used to i m p l em ent sy stem debugg i ng .The i nstru m entm ay establi sh m any leve ls of a l ar m i ng ,when the gas concen trati on reached t he preset a lar m value ,it can rea li ze different frequenc i es of sound and ligh t a lar m s i gna l based on the a l ar m i ngleve.l The i nstru m

6、ent has the features o f i nte lli gence ,low po w er ,h i gh prec i s i on and s i m p l e opera ti on .K ey word s :carbon m onox i de ;gas de tecti on ;m icro contro ller ;i nte lli gent 0 引言为了有效地进行燃气生产中的质量监控和气体成分分析及对民用燃气泄漏的检测和报警,科研人员很早就致力于研究可燃气体的检测方法和控制方法,研制各种气体检测和分析仪器,用于环境监测、生产过程中的监控及气体成分分析、气体泄

7、漏报警等1-2。文中借助系统模型,介绍了P IC16F877单片机控制一氧化碳气体检测仪的硬件电路设计和软件实现。1 系统硬件设计1 1 系统硬件总体框图的设计设计中,一氧化碳气体质量浓度检测控制系统是通过单片机编程实现对一氧化碳气体浓度的采集、显示、控制、报警等一系列功能的系统。具体控制过程是:一氧化碳气体传感器直接与环境中的被测气体反应,产生线性变化的微弱电流信号,该信号经滤波放大后转换为电压信号送给单片机,经过模数转换、模型运算等处理,直接在液晶屏上显示出被测气体的质量浓度。且该仪器可设置二级报警,当气体质量浓度达到预置的报警值时,将依据报警级别的不同,发出不同频率的声、光报警信号。还具

8、有自检、电池欠压指示、调零和标定等功能。由于P IC 系列单片机具有价格低、速度快、功耗低、体积小等特点,并采用R ISC 技术,且P IC 系列单片机有内置A /D 转换功能,芯片内部设有EEPROM,可使质量浓度设定值方便地写入及读出。选择P IC16F877芯片可简化硬件电路和软件编程。其整体硬件电路结构框图3如图1所示。图1 一氧化碳检测仪硬件结构图1 2 一氧化碳气体传感器电路的设计一氧化碳气体传感器电路主要由一氧化碳气体传感器和低电压低功耗C M OS 运放tlv2324构成,其功能是将传感器的弱电流信号放大为电压信号,在气体传感器的线性输出范围内,电路输出电压随气体质量浓度线性变

9、化。测量质量浓度的元件可以选择集成一氧化碳气体传感器MG S1100。该传感器为电压输出型气敏传感器,电路内部已校准,并采用内部补偿。其输出电压与质量浓度成正比,无需校准,精度可达0 625mg /m 3.并且一氧化碳气体传感器M GS1100具有一氧化碳灵敏度范围比较大、湿度低推荐可靠性操作模式、长期运行稳定、活性炭过滤器选择性的增强、体积小的特点。TLV 2324是采用低压单电源的装置,特别适合放大超低功率系统,使设备供应电流消耗降到最低。具体电路设计实现如图2所示。38Instru m ent T echn i que and SensorM a r 2009 图2 一氧化碳气体检测控制

10、系统硬件电路原理图在正常情况下,电路加电后,数码管应点亮并显示数字。但显示数字不一定是一氧化碳传感器采集进来的质量浓度值。需要进行电路调整和质量浓度校正4。1 2 1 标度转换标度转换的作用是将质量浓度信号(00FFH 转换为对应的质量浓度值,一边送显示值或预设定值在相同量纲下进行比较。线性标度转换式为A x =(A m -A 0 (N x -N 0/(N m -N 0+A 0式中:A x 为实际测量的质量浓度;N x 为经A /D 转换的质量浓度量;A m =100,A 0=0;N m =256,N 0=0,A 0=0。该系统线性测量范围为0125m g /m 3,A /D 转换为10位,所

11、以实际测量质量浓度为A x =(100-0 (N x -0/(256-0+0=100 N x /256。1 2 2 质量浓度校正质量浓度校正是为了使显示质量浓度正好是采集质量浓度值。系统质量浓度范围为0125mg /m 3,用数字表测量M G S1100引脚2输出电压为0 26V,故调整滑动变阻器R P1使数码管显示数值为 26!即可。质量浓度调整好后,可对质量浓度控制参数进行设定。具体方法是:按下AN1系统复位,此时数码管显示当前质量浓度值,即一氧化碳气体传感器采集进来的质量浓度实际值,按下AN2功能转换,当前数码管显示为上次设定的质量浓度值。此时LED 灯亮,可以通过增加或减少键来重新设定

12、质量浓度。利用AN 3、AN 4调出所要的新的质量浓度值,再按下AN 1,所设定的值即被存入存储器,电路恢复到工作状态。在设定过程中,如果显示数值不需要修改,可不必调 +!、 -!键,直接按AN1进入下一个程序即可。1 3 键盘控制电路的设计键盘采用软件查询和外部中断相结合的方法来设计,低电平有效。系统共用到4个按键,由于按键较少,所以选择了独立式按键,即直接用I/O 口线构成单个按键。每个独立式按键占用一根I /O 线,每根I/O 线上的按键的工作状态不会影响其他I /O 口线上的按键的工作状态,其电路如图2所示。AN 1复位键是系统复位。AN 2是功能转换键,按键按下(LED 亮时,显示质

13、量浓度设定值;按键升起(LED 不亮时,显示当前质量浓度值。AN 3是减1键,设定质量浓度逐次减1;AN 4是加1键,设定质量浓度逐次加1。1 4 A /D 转换基准电压的设计A /D 转换是将模拟的电压或电流信号与参与电压或电流信号相比较得到一个相应的过程。P I C 的A /D 转换结果为10位,可设置18个A /D 转换通道,必须通过对ADCON 0和AD CON 12个寄存器的设定来控制A /D 转换。A /D 转换基准电压由微功率低噪声电压参考二极管LM 385通过精密电位器分压得到,分压为2V.其硬件电路图2所示6-7。1 5 声光报警电路的设计系统的声、光报警电路由发光二极管和低

14、电压蜂鸣器构成,分别由P IC 单片机的2个端口控制。发光二极管LED 具有体积小、抗冲击和抗震性能好、可靠性高、寿命长、工作电压低、功耗小、响应速度快等优点,常用于显示系统的工作状态,有益于控制系统的设计和维护。当该部分工作时,整机的工作电流将增加为未报警状态时的电流的数倍,消耗的功率会比较大,因此采用了分时供电的方法,通过单片机控制该部分电源的通断,即质量浓度达到报警时才给其供电;另外,用单片机输出的周期脉冲报警信号控制振荡器的起停,用振荡器输出信号控制蜂鸣器和发光二极管,振荡器可以用TTL 门电路构成的多谐振荡器。采用这2种方法可降低该部分电路的功耗。设计中,LED 发光二极管的工作电流

15、为520mA,最大不超过50mA,第3期冯冬青等:一氧化碳气体质量浓度智能检测仪的研究与设计39否则会烧坏器件。为了获得良好的发光效果,LED工作电流控制在1015mA较为合理。在图2所示的硬件电路图中,D口的RD4、RD5、RD6、RD7接声、光报警电路,其中D口的RD5RD7分别接质量浓度过高、相等、过低的LED。当气体检测仪检测质量浓度低于设定值时,绿灯亮;当气体质量浓度达到某一设定值时,黄灯亮;当高于设定值时,红灯亮并发出报警信号。1 6 液晶显示电路的设计显示电路采用液晶LCD,主要是因为液晶电路功耗低、体积小。系统仅有2位显示,每位显示数字有一个独立的I/O地址,故可采用2位数码管

16、组成的静态显示电路,如图2所示。采用静态显示可以由单片机直接显示输出结果,不需要用软件或CPU来维持显示,而且可以由锁存器将显示数据保持住,一直驱动显示。因此减轻了CPU的负担,并使其显示可靠且亮度较高;同时使单片机软件编程简化。该方法的优点是采用串行通信模式,占用单片机的资源较少,只需时钟线、数据线和几根控制线与单片机的端口相连,使用器件少,接口简单,成本相对较低,比较适用于实时自动控制。显示模块用到单片机输入/输出口共10个端口,虽用8个端口就可以显示任意位数的数字,但软件编程较麻烦,而且延时选择要合适,否则显示会极不稳定,数码管上数字闪烁不定。因为系统上电路共用到2位数码显示,单片机输出

17、/输入口较充足,故采用10端口接法,若显示位数超过2位就必须用8个端口的动态显示。系统可以对质量浓度进行设定和更改,待显示质量浓度值稳定后,按下AN2键,此时数码显示上次设定质量浓度值,判断是否进入更改程序的绿色发光二极管应该被点亮。若发现绿色发光二极管点亮,则可以对质量浓度进行重新设定。按递减键(AN3或递增键(AN4来改变质量浓度值,直到得到想要的设定值。然后,按下更改键(AN2,质量浓度设定值就被写入EEPROM。同时绿色发光二极管熄灭。此时,数码管显示数值是当前质量浓度采集值。如不加绿色发光二极管,就无法判断数码管上显示的质量浓度值是当前采集质量浓度值还是自己设定的值。另外对按键进行去

18、抖动处理,就会经常读取稳定状态的数据,使按键灵敏。设定好质量浓度后,对设定值和采集质量浓度值进行比较,比较结果通过发光二极管显示出来,不需手动操作,通过编程自动实现。该设计选择EEPROM完成数据的读取和写入。2 一氧化碳气体检测仪软件设计软件部分包括建立传感器的线性模型、控制软件的流程和算法实现。2 1 传感器线性模型的建立测试软件部分首先需要建立传感器的线性模型,模型参数的选择影响测量的精度,特别是传感器放大电路的增益。如果增益过小,测量的分辨率就会减小;增益过大,又容易引入干扰,所以要根据传感器的参数折中考虑。随使用时间的增长,传感器的参数会发生变化。为了保证仪器测量的准确度,使用一段时

19、间后就要用标准气体重新标定仪器,采用简单的比例算法会导致参数改变后仪器无法重新标定,因此需要计算传感器电路部分的转换斜率,质量浓度可由斜率及A/D转换数据计算得到,而且标定时只要用标定程序改变存储在EEPROM中的斜率即可。其中斜率可以由传感器的参数、放大器的增益、A/D转换位数及参考电压等计算得出。2 2 算法实现及主程序流程图由传感器曲线和放大器增益计算得到的斜率一般为小数,而浮点计算程序比较复杂,所以,可以将斜率和采样数据同时放大1000倍,将浮点计算转化为定点计算。程序中包含定点乘法、定点除法、减法及二进制码转化为BCD码等一些常用算法。其主程序流程图如图3 所示。图3 主程序流程图3

20、 系统调试3 1 调试方法首先对系统进行系统复位(按一下AN1键,一氧化碳气体传感器M G S1100开始采集质量浓度,通过P I C16F877单片机内部的A/D转换功能及编写程序将采集的质量浓度值在数码管上显示出来,显示质量浓度值为实际质量浓度值。为了能显示出测量值,就要对其进行调整,先用万用表测量一氧化碳传感器2脚电压,然后调节滑动变阻器RP1,使显示数字值为所测电压值的1000倍。系统调试框图如图4所示3,5。显示部分由2位数码管组成,显示精度不够,很容易使显示数值在相邻2个数字之间来回变动,造成显示的不确定性,也会影响到后面的比较结果。因此,采用四舍五入法处理后,显示数字的值相对较稳

21、定,即数值基本固定在一个数字上。(下转第42页42 Instru m ent T echn i que and Sensor M a r 2009和反转数据在不同的时间点传输到仪器总线。相应地,遥传短节中的单片机在2个不同的时间点采集数据,累加40m s内流量正转数和反转数,通过计算便可得到在这40m s内流量的绝对值及方向。对于温度和压力参数的测量,温度和压力的测量接口电路集成到1支仪器中。2参数共用一个总线传输模块,它们在不同的时间点使用该模块,其参数处理采用压频转换器件AD650。由于温度参数的频率范围可达20k H z,采用仪器总线数据传输格式是不能传送数据的。设计中提出了以位!传输温

22、度频率数据的新方法。该方法以1m s作为数据传输的时间单位,数据每125 s传输1位,每8个125 s输出一个8位数据。在温度测量接口电路中可对温度频率信号进行计数,每计满1m s,则把这8位计数值在8个125 s的特定时间点以位!的形式输出。遥传短节中的单片机采用移位法以1m s为周期接收8位频率计数值,随后对数据进行40m s累加,如此循环。对于压力参数测量,由于其频率小于8k H z,不需像温度参数那样以位!传输,其接口电路和数据处理都较简单。3 新型遥传测井仪的软件设计遥传测井仪的软件设计就是2片P IC单片机的程序设计。注意在单片机对频率脉冲计数时,为避免脉冲信号丢失,计数器值每次累

23、加而不清空,本次计数器值与上次计数器值的差值即为本次脉冲的计数值。另外,对于流量参数,单片机对接收到的2道数据处理后应把其12位数据的最高位定义为流量方向位,而对于温度参数,单片机需对从接口电路送来的8位计数值进行移位接收,以获得其1m s内的频率计数值。还应注意P I C单片机的看门狗定时问题,避免单片机频繁复位。4 结束语新型遥传测井仪的设计采用了新方法,克服了传统遥传测井仪的缺点。最后经过和地面系统相连接进行实验,表明其功耗低、可靠性高、实际可行,能够代替传统遥传测井仪在油田数控测井中推广使用。参考文献:1993.技术与传感器,2005(6:8-9.油仪器,2001(5:43-45.2002:26-30.5 李学海.P I C单片机实用教程.北京:北京航空航天大学出版社,2002.(上接第39页图4 系统调试方框图3 2 系统调试中的问题与解决方法系统调试阶段会遇到一些问题,如只将振荡电路接至O SC1,而将V SS接地或悬空,将导致P I C16F877单片机工作不正常。解决方法是将振