一氧化碳氣體質量濃度智能檢測儀的研究與設計_圖文

1、2009年 第3期儀表技術與傳感器Instrum ent T echn i que and Sensor 2009 N o 3 基金項目:河南省自然科學基金(0511010800收稿日期:2008-02-26 收修改稿日期:2008-12-19一氧化碳氣體質量濃度智能檢測儀的研究與設計馮冬青1,王曉侃1,2(1.鄭州大學信息與控制研究所,河南鄭州 450001;2.河南機電學校,河南鄭州 450002摘要:為了準確測量空氣中一氧化碳的含量,研究設計了利用P I C16F877單片機控制的一氧化碳氣體質量濃度智能檢測儀,用傳感器進行一氧化碳質量濃度采集,通過M PLA B 軟件編程建立線性模型實

2、現(xiàn)顯示、控制報警等功能,并用模塊法進行系統(tǒng)調試。設計了多種報警方式,當氣體質量濃度達到預置的報警值時,將依據(jù)報警的級別不同,發(fā)出不同頻率的聲、光報警信號。該儀器具有智能化、低功耗、高精度、操作簡便等特點。關鍵詞:一氧化碳;氣體檢測;單片機;智能中圖分類號:TP212 文獻標識碼:A 文章編號: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 引言為了有效地進行燃氣生產(chǎn)中的質量監(jiān)控和氣體成分分析及對民用燃氣泄漏的檢測和報警,科研人員很早就致力于研究可燃氣體的檢測方法和控制方法,研制各種氣體檢測和分析儀器,用于環(huán)境監(jiān)測、生產(chǎn)過程中的監(jiān)控及氣體成分分析、氣體泄

7、漏報警等1-2。文中借助系統(tǒng)模型,介紹了P IC16F877單片機控制一氧化碳氣體檢測儀的硬件電路設計和軟件實現(xiàn)。1 系統(tǒng)硬件設計1 1 系統(tǒng)硬件總體框圖的設計設計中,一氧化碳氣體質量濃度檢測控制系統(tǒng)是通過單片機編程實現(xiàn)對一氧化碳氣體濃度的采集、顯示、控制、報警等一系列功能的系統(tǒng)。具體控制過程是:一氧化碳氣體傳感器直接與環(huán)境中的被測氣體反應,產(chǎn)生線性變化的微弱電流信號,該信號經(jīng)濾波放大后轉換為電壓信號送給單片機,經(jīng)過模數(shù)轉換、模型運算等處理,直接在液晶屏上顯示出被測氣體的質量濃度。且該儀器可設置二級報警,當氣體質量濃度達到預置的報警值時,將依據(jù)報警級別的不同,發(fā)出不同頻率的聲、光報警信號。還具

8、有自檢、電池欠壓指示、調零和標定等功能。由于P IC 系列單片機具有價格低、速度快、功耗低、體積小等特點,并采用R ISC 技術,且P IC 系列單片機有內(nèi)置A /D 轉換功能,芯片內(nèi)部設有EEPROM,可使質量濃度設定值方便地寫入及讀出。選擇P IC16F877芯片可簡化硬件電路和軟件編程。其整體硬件電路結構框圖3如圖1所示。圖1 一氧化碳檢測儀硬件結構圖1 2 一氧化碳氣體傳感器電路的設計一氧化碳氣體傳感器電路主要由一氧化碳氣體傳感器和低電壓低功耗C M OS 運放tlv2324構成,其功能是將傳感器的弱電流信號放大為電壓信號,在氣體傳感器的線性輸出范圍內(nèi),電路輸出電壓隨氣體質量濃度線性變

9、化。測量質量濃度的元件可以選擇集成一氧化碳氣體傳感器MG S1100。該傳感器為電壓輸出型氣敏傳感器,電路內(nèi)部已校準,并采用內(nèi)部補償。其輸出電壓與質量濃度成正比,無需校準,精度可達0 625mg /m 3.并且一氧化碳氣體傳感器M GS1100具有一氧化碳靈敏度范圍比較大、濕度低推薦可靠性操作模式、長期運行穩(wěn)定、活性炭過濾器選擇性的增強、體積小的特點。TLV 2324是采用低壓單電源的裝置,特別適合放大超低功率系統(tǒng),使設備供應電流消耗降到最低。具體電路設計實現(xiàn)如圖2所示。38Instru m ent T echn i que and SensorM a r 2009 圖2 一氧化碳氣體檢測控制

10、系統(tǒng)硬件電路原理圖在正常情況下,電路加電后,數(shù)碼管應點亮并顯示數(shù)字。但顯示數(shù)字不一定是一氧化碳傳感器采集進來的質量濃度值。需要進行電路調整和質量濃度校正4。1 2 1 標度轉換標度轉換的作用是將質量濃度信號(00FFH 轉換為對應的質量濃度值,一邊送顯示值或預設定值在相同量綱下進行比較。線性標度轉換式為A x =(A m -A 0 (N x -N 0/(N m -N 0+A 0式中:A x 為實際測量的質量濃度;N x 為經(jīng)A /D 轉換的質量濃度量;A m =100,A 0=0;N m =256,N 0=0,A 0=0。該系統(tǒng)線性測量范圍為0125m g /m 3,A /D 轉換為10位,所

11、以實際測量質量濃度為A x =(100-0 (N x -0/(256-0+0=100 N x /256。1 2 2 質量濃度校正質量濃度校正是為了使顯示質量濃度正好是采集質量濃度值。系統(tǒng)質量濃度范圍為0125mg /m 3,用數(shù)字表測量M G S1100引腳2輸出電壓為0 26V,故調整滑動變阻器R P1使數(shù)碼管顯示數(shù)值為 26!即可。質量濃度調整好后,可對質量濃度控制參數(shù)進行設定。具體方法是:按下AN1系統(tǒng)復位,此時數(shù)碼管顯示當前質量濃度值,即一氧化碳氣體傳感器采集進來的質量濃度實際值,按下AN2功能轉換,當前數(shù)碼管顯示為上次設定的質量濃度值。此時LED 燈亮,可以通過增加或減少鍵來重新設定

12、質量濃度。利用AN 3、AN 4調出所要的新的質量濃度值,再按下AN 1,所設定的值即被存入存儲器,電路恢復到工作狀態(tài)。在設定過程中,如果顯示數(shù)值不需要修改,可不必調 +!、 -!鍵,直接按AN1進入下一個程序即可。1 3 鍵盤控制電路的設計鍵盤采用軟件查詢和外部中斷相結合的方法來設計,低電平有效。系統(tǒng)共用到4個按鍵,由于按鍵較少,所以選擇了獨立式按鍵,即直接用I/O 口線構成單個按鍵。每個獨立式按鍵占用一根I /O 線,每根I/O 線上的按鍵的工作狀態(tài)不會影響其他I /O 口線上的按鍵的工作狀態(tài),其電路如圖2所示。AN 1復位鍵是系統(tǒng)復位。AN 2是功能轉換鍵,按鍵按下(LED 亮時,顯示質

13、量濃度設定值;按鍵升起(LED 不亮時,顯示當前質量濃度值。AN 3是減1鍵,設定質量濃度逐次減1;AN 4是加1鍵,設定質量濃度逐次加1。1 4 A /D 轉換基準電壓的設計A /D 轉換是將模擬的電壓或電流信號與參與電壓或電流信號相比較得到一個相應的過程。P I C 的A /D 轉換結果為10位,可設置18個A /D 轉換通道,必須通過對ADCON 0和AD CON 12個寄存器的設定來控制A /D 轉換。A /D 轉換基準電壓由微功率低噪聲電壓參考二極管LM 385通過精密電位器分壓得到,分壓為2V.其硬件電路圖2所示6-7。1 5 聲光報警電路的設計系統(tǒng)的聲、光報警電路由發(fā)光二極管和低

14、電壓蜂鳴器構成,分別由P IC 單片機的2個端口控制。發(fā)光二極管LED 具有體積小、抗沖擊和抗震性能好、可靠性高、壽命長、工作電壓低、功耗小、響應速度快等優(yōu)點,常用于顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài),有益于控制系統(tǒng)的設計和維護。當該部分工作時,整機的工作電流將增加為未報警狀態(tài)時的電流的數(shù)倍,消耗的功率會比較大,因此采用了分時供電的方法,通過單片機控制該部分電源的通斷,即質量濃度達到報警時才給其供電;另外,用單片機輸出的周期脈沖報警信號控制振蕩器的起停,用振蕩器輸出信號控制蜂鳴器和發(fā)光二極管,振蕩器可以用TTL 門電路構成的多諧振蕩器。采用這2種方法可降低該部分電路的功耗。設計中,LED 發(fā)光二極管的工作電流

15、為520mA,最大不超過50mA,第3期馮冬青等:一氧化碳氣體質量濃度智能檢測儀的研究與設計39否則會燒壞器件。為了獲得良好的發(fā)光效果,LED工作電流控制在1015mA較為合理。在圖2所示的硬件電路圖中,D口的RD4、RD5、RD6、RD7接聲、光報警電路,其中D口的RD5RD7分別接質量濃度過高、相等、過低的LED。當氣體檢測儀檢測質量濃度低于設定值時,綠燈亮;當氣體質量濃度達到某一設定值時,黃燈亮;當高于設定值時,紅燈亮并發(fā)出報警信號。1 6 液晶顯示電路的設計顯示電路采用液晶LCD,主要是因為液晶電路功耗低、體積小。系統(tǒng)僅有2位顯示,每位顯示數(shù)字有一個獨立的I/O地址,故可采用2位數(shù)碼管

16、組成的靜態(tài)顯示電路,如圖2所示。采用靜態(tài)顯示可以由單片機直接顯示輸出結果,不需要用軟件或CPU來維持顯示,而且可以由鎖存器將顯示數(shù)據(jù)保持住,一直驅動顯示。因此減輕了CPU的負擔,并使其顯示可靠且亮度較高;同時使單片機軟件編程簡化。該方法的優(yōu)點是采用串行通信模式,占用單片機的資源較少,只需時鐘線、數(shù)據(jù)線和幾根控制線與單片機的端口相連,使用器件少,接口簡單,成本相對較低,比較適用于實時自動控制。顯示模塊用到單片機輸入/輸出口共10個端口,雖用8個端口就可以顯示任意位數(shù)的數(shù)字,但軟件編程較麻煩,而且延時選擇要合適,否則顯示會極不穩(wěn)定,數(shù)碼管上數(shù)字閃爍不定。因為系統(tǒng)上電路共用到2位數(shù)碼顯示,單片機輸出

17、/輸入口較充足,故采用10端口接法,若顯示位數(shù)超過2位就必須用8個端口的動態(tài)顯示。系統(tǒng)可以對質量濃度進行設定和更改,待顯示質量濃度值穩(wěn)定后,按下AN2鍵,此時數(shù)碼顯示上次設定質量濃度值,判斷是否進入更改程序的綠色發(fā)光二極管應該被點亮。若發(fā)現(xiàn)綠色發(fā)光二極管點亮,則可以對質量濃度進行重新設定。按遞減鍵(AN3或遞增鍵(AN4來改變質量濃度值,直到得到想要的設定值。然后,按下更改鍵(AN2,質量濃度設定值就被寫入EEPROM。同時綠色發(fā)光二極管熄滅。此時,數(shù)碼管顯示數(shù)值是當前質量濃度采集值。如不加綠色發(fā)光二極管,就無法判斷數(shù)碼管上顯示的質量濃度值是當前采集質量濃度值還是自己設定的值。另外對按鍵進行去

18、抖動處理,就會經(jīng)常讀取穩(wěn)定狀態(tài)的數(shù)據(jù),使按鍵靈敏。設定好質量濃度后,對設定值和采集質量濃度值進行比較,比較結果通過發(fā)光二極管顯示出來,不需手動操作,通過編程自動實現(xiàn)。該設計選擇EEPROM完成數(shù)據(jù)的讀取和寫入。2 一氧化碳氣體檢測儀軟件設計軟件部分包括建立傳感器的線性模型、控制軟件的流程和算法實現(xiàn)。2 1 傳感器線性模型的建立測試軟件部分首先需要建立傳感器的線性模型,模型參數(shù)的選擇影響測量的精度,特別是傳感器放大電路的增益。如果增益過小,測量的分辨率就會減小;增益過大,又容易引入干擾,所以要根據(jù)傳感器的參數(shù)折中考慮。隨使用時間的增長,傳感器的參數(shù)會發(fā)生變化。為了保證儀器測量的準確度,使用一段時

19、間后就要用標準氣體重新標定儀器,采用簡單的比例算法會導致參數(shù)改變后儀器無法重新標定,因此需要計算傳感器電路部分的轉換斜率,質量濃度可由斜率及A/D轉換數(shù)據(jù)計算得到,而且標定時只要用標定程序改變存儲在EEPROM中的斜率即可。其中斜率可以由傳感器的參數(shù)、放大器的增益、A/D轉換位數(shù)及參考電壓等計算得出。2 2 算法實現(xiàn)及主程序流程圖由傳感器曲線和放大器增益計算得到的斜率一般為小數(shù),而浮點計算程序比較復雜,所以,可以將斜率和采樣數(shù)據(jù)同時放大1000倍,將浮點計算轉化為定點計算。程序中包含定點乘法、定點除法、減法及二進制碼轉化為BCD碼等一些常用算法。其主程序流程圖如圖3 所示。圖3 主程序流程圖3

20、 系統(tǒng)調試3 1 調試方法首先對系統(tǒng)進行系統(tǒng)復位(按一下AN1鍵,一氧化碳氣體傳感器M G S1100開始采集質量濃度,通過P I C16F877單片機內(nèi)部的A/D轉換功能及編寫程序將采集的質量濃度值在數(shù)碼管上顯示出來,顯示質量濃度值為實際質量濃度值。為了能顯示出測量值,就要對其進行調整,先用萬用表測量一氧化碳傳感器2腳電壓,然后調節(jié)滑動變阻器RP1,使顯示數(shù)字值為所測電壓值的1000倍。系統(tǒng)調試框圖如圖4所示3,5。顯示部分由2位數(shù)碼管組成,顯示精度不夠,很容易使顯示數(shù)值在相鄰2個數(shù)字之間來回變動,造成顯示的不確定性,也會影響到后面的比較結果。因此,采用四舍五入法處理后,顯示數(shù)字的值相對較穩(wěn)

21、定,即數(shù)值基本固定在一個數(shù)字上。(下轉第42頁42 Instru m ent T echn i que and Sensor M a r 2009和反轉數(shù)據(jù)在不同的時間點傳輸?shù)絻x器總線。相應地,遙傳短節(jié)中的單片機在2個不同的時間點采集數(shù)據(jù),累加40m s內(nèi)流量正轉數(shù)和反轉數(shù),通過計算便可得到在這40m s內(nèi)流量的絕對值及方向。對于溫度和壓力參數(shù)的測量,溫度和壓力的測量接口電路集成到1支儀器中。2參數(shù)共用一個總線傳輸模塊,它們在不同的時間點使用該模塊,其參數(shù)處理采用壓頻轉換器件AD650。由于溫度參數(shù)的頻率范圍可達20k H z,采用儀器總線數(shù)據(jù)傳輸格式是不能傳送數(shù)據(jù)的。設計中提出了以位!傳輸溫

22、度頻率數(shù)據(jù)的新方法。該方法以1m s作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間單位,數(shù)據(jù)每125 s傳輸1位,每8個125 s輸出一個8位數(shù)據(jù)。在溫度測量接口電路中可對溫度頻率信號進行計數(shù),每計滿1m s,則把這8位計數(shù)值在8個125 s的特定時間點以位!的形式輸出。遙傳短節(jié)中的單片機采用移位法以1m s為周期接收8位頻率計數(shù)值,隨后對數(shù)據(jù)進行40m s累加,如此循環(huán)。對于壓力參數(shù)測量,由于其頻率小于8k H z,不需像溫度參數(shù)那樣以位!傳輸,其接口電路和數(shù)據(jù)處理都較簡單。3 新型遙傳測井儀的軟件設計遙傳測井儀的軟件設計就是2片P IC單片機的程序設計。注意在單片機對頻率脈沖計數(shù)時,為避免脈沖信號丟失,計數(shù)器值每次累

23、加而不清空,本次計數(shù)器值與上次計數(shù)器值的差值即為本次脈沖的計數(shù)值。另外,對于流量參數(shù),單片機對接收到的2道數(shù)據(jù)處理后應把其12位數(shù)據(jù)的最高位定義為流量方向位,而對于溫度參數(shù),單片機需對從接口電路送來的8位計數(shù)值進行移位接收,以獲得其1m s內(nèi)的頻率計數(shù)值。還應注意P I C單片機的看門狗定時問題,避免單片機頻繁復位。4 結束語新型遙傳測井儀的設計采用了新方法,克服了傳統(tǒng)遙傳測井儀的缺點。最后經(jīng)過和地面系統(tǒng)相連接進行實驗,表明其功耗低、可靠性高、實際可行,能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)遙傳測井儀在油田數(shù)控測井中推廣使用。參考文獻:1993.技術與傳感器,2005(6:8-9.油儀器,2001(5:43-45.2002:26-30.5 李學海.P I C單片機實用教程.北京:北京航空航天大學出版社,2002.(上接第39頁圖4 系統(tǒng)調試方框圖3 2 系統(tǒng)調試中的問題與解決方法系統(tǒng)調試階段會遇到一些問題,如只將振蕩電路接至O SC1,而將V SS接地或懸空,將導致P I C16F877單片機工作不正常。解決方法是將振