基于单片机的气体检测系统设计与实现

1、44工业仪表与自动化装置2010 年第 4 期基于单片机的气体检测系统设计与实现俞俊赟，杨建华，唐忠林，崔博( 西北工业大学 自动化学院，西安 710072)摘要: 介绍了基于单片机的气体检测系统设计方案，阐述了系统结构、硬件组成和软件设计，实 现了对一氧化碳、硫化氢和甲醛 3 种毒害气体的实时检测，并通过实验校准验证。该系统具有体积 小、成本低、工作可靠等特点，适用于现场环境安全检测。关键词: 单片机; 毒害气体; 检测系统中图分类号: tp206文献标志码: a文章编号: 1000 0682( 2010) 04 0044 03design and implementation of gas

2、 detecting systerm based on microcontrolleryu junyun，yang jianhua，tang zhonglin，cui bo( college of automation，northwestern polytechnical university，xian 710072，china)abstract: this paper mainly introduces the principle，the design of hardware and software，and the entire application process of a kind

3、of gas testing system based on microcontroller poison gas contained co，h2 s，ch2 o can be measured by this system the system was corrected by experimentation the sys- tem is small，cheap and reliable it is mainly applied in some industry scene position monitoringkey words: microcontroller; poison gas;

4、 testing system0引言随着我国经济发展，工业也得到了迅速的发展， 但在工业生产过程中排放的废水、废气、废渣以及城 市垃圾对环境造成了污染。其中，由于空气污染所 造成的经济损失和人群的发病率是最高的，原因都 是由于空气中毒害气体含量超过其最小允许浓度而 造成的。该文设计实现了对一氧化碳、硫化氢和甲 醛等 3 种毒害气体的检测系统，可实时显示现场气 体浓度，起到安全示警的作用。感器信号调理电路，a / d 转换电路，单片机控制电 路，键盘输入，液晶显示电路及 usb 接口电路组成。 首先，电化学传感器将检测到的气体浓度转换成相 应大小的模拟信号，经 a / d 转换电路转换成数字信

5、号，由键盘输入控制单片机将数据采集的采用值进 行选择和处理运算，并将气体浓度值进行显示、保 存，并通过 usb 接口电路上传到上位机( pc) 进行 实时监控。2系统硬件电路设计11气体检测装置总体结构作为一个典型的智能检测系统，它应包括数该装置的总体结构如图 1 所示。图 1 气体检测装置总体结构由图 1 可以看出，该气体检测系统由电化学传收稿日期: 2010 01 25作者简介: 俞俊赟( 1984) ，男，浙江新昌人，硕士研究生，研究方 向为检测技术与自动化装置。据的采集、变 换、处 理等环节，硬件设计主要包括 cpu 的选型，传感器的选择，a / d 转换芯片的选择， 电源电路、显示电

6、路、报警断电控制电路以及红外遥 控和上传通信电路等的设计。2 1cpu 的选择该文设计的气体浓度测量装置采用单片机构成 的具有判断、运算和控制能力及存储、显示功能的智 能仪表，它所处理的信息量和复杂程度不是太大，采 用 8 位单片机足可满足设计要求，在此选择了 at- mel 公 司 的 coms 工 艺 的 低 功 耗 单 片 机 at89s512。2 2电化学传感器选择及调理电路设计2010 年第 4 期工业仪表与自动化装置45电化学传感器3 与被测气体发生电化学反应 并产生与气体浓度成正比的电信号，再加上必要的 信号调理，就可以完成气体实时连续检测。该系统 主要实现对一氧化碳、硫化氢及甲

7、醛的检测，故选择 co / cf 200、h2 s / m 100、ch2 o / c 10 这 3 种电 化学传感器。2 2 1电化学传感器性能指标co / cf 200 电化学传感器主要性能参数: 测 量范围 0 200 ppm; 输出信号( 500 100) na / ppm; 分辨率 0 1 ppm。h2 s / m 100 电化学传感器主要性能参数: 测 量范围 0 100 ppm; 输出信号( 700 140) na / ppm; 分辨率 0 1 ppm。ch2 o / c 10 电化学传感器主要性能参数: 测 量范围 0 10 ppm; 输出信号 ( 800 200 ) na /

8、度的瞬变。传感器在存储时，必须将敏感极和参考极短接， 只有在准备使用时才能将短接线去除。在使用中， 当仪器关闭时为了保持传感器处于“准备工作”状 态，必须将参考极和敏感极短接在一起，否则传感器 需要一个很长的启动时间。在电路中使用一个场效 应管 j fet 或一个联动开关，使得 2 个电极在电路 电源切断时保持短接。当被短接后，要注意避免将 传感器暴露于活性气体或溶解的蒸汽中。敏感极的输出电流通过精密电阻 rload 转换成 电压信号，再经过集成运算放大器 ic1 及与它相连 的几个电阻所构成的典型反相比例放大电路放大调 理后，最后得到一个稳态信号。反相比例放大电路 的输出为:rgainppm

9、; 分辨率 0 05 ppm。vout = rloodvs( 1)2 2 2电化学传感器调理电路上述电化学气体传感器的测量电路如图 2 所 示。计数极( ce) 的作用是构成电化学电路的完整 回路，其电动势与敏感极 ( we) 和参考极 ( re) 相 关，而不是由电路所固定的。在默认条件下，电解液 池( 以下简称电池) 只流过很小的电流，计数极将接 近电池的输出电压。当检测气体时，电池电流增大， 计数极电动势的极化作用与参考极电动势相关。图 2 电化学气体传感器的测量电路计数极极化很慢，即使传感器信号稳定，计数极 还会持续漂移，而电池电流则会很快稳定。在启动 时，ic2 必须具有一个低的偏移

10、( 如 100 pv) ，否则 运算放大器将会使传感器产生偏移。接着传感器要 用相当长的时间才能从短路状态稳定下来。rload 上的压降在任何情况下都必须限制到小于 10 mv，负载电阻小能加快传感器的响应。文中推 荐一个较小值，以便于在电路噪声和响应时间之间 找到一个较好的平衡点，在有些情况下还能降低湿其中: rload 是精密电阻值，rgian 是反馈电阻值。如果 气体的检测范围已知，那么通过调整这 2 个电阻的 大小，可以改变电化学传感器的输出电压值的范围。 2 3a / d 芯片的选择对一氧化碳来说，环境中浓度到 10 ppm，人会 意识不清，行动迟缓，当到 30 ppm，将会导致视觉

11、和 听力障 碍。 对于硫化氢来 说，当 浓 度 在 50 100 ppm 时人会慢性中毒，恶心胸闷，长时间会导致窒 息。对于甲醛来说，0 1 ppm 时对人体就会产生危 害，0 6 ppm 时会刺激眼睛，引起咽喉不适。根据上 述检测浓度，选择 8 位的 adc08094作为 a / d 转换 芯片足可满足要求。2 4液晶显示电路电信号经调理电路后输出给单片机的 a / d 转换 端口，经计算和处理后以 ppm 显示在液晶显示模块 tc1602a5上面。其与单片机连接电路如图 3 所示。图 3 tc1602a 与 at89s51 典型连接电路2 5键盘输入键盘控制选用最简单的控制，即对单片机的

12、i /46工业仪表与自动化装置2010 年第 4 期o 口直接进行扫描。因其简单，电路图不再画出。2 6usb 接口电路pdiusbd126 完全符合 usb1 1 规范，内部封 装了 usb 串行接口引擎( sie) 、fifo 和并行接口， 并通过高速通用并行接口与微控制器进行通信，而 且支持本地 dma 传输。pdiusbd12 还集成了 soft- connect、goodlink、可编程时钟输出、低频晶振和终 端电阻等特性。所有这些特性都能使系统节省成 本，同时在外围设备上很容易实现更高级的 usb 功 能。连接电路如图 4 所示。图 4 pdiusb12 与 at89s51 的典型

13、配置方式图中采用单独地址 / 数据总线接口方式，ale 始终接低电平; a0 脚接 at89s51 的任何 i / o 引脚， 通过它来区分输入到 pdiusbd12 的是命令还是数 据; at89s51 的 p0 口直接与 pdiusbd12 的数据总 线相连; clkout 时钟输出直接为 at89s51 提供时 钟输入。3软件设计系统采用 usb 接口供电，首先进行初始化，扫 描是否有键按下，有键按下则依据设定选择采集通 道，如无则依初始设定操作，采样有害气体浓度并显 示，通过 usb 接口上传至主机，进行实时监控。如 图 5 所示。图 5 系统软件流程图4实验实验的主要目的是验证电化学

14、传感器对于相应 气体的实际测量指标，并通过该指标设置单片机具 体处理参数，实验设备连接如图 6 所示。图 6 气体检测实验简图系统对一氧化碳的检测范围设定为 0 30 ppm，由于采用的一氧化碳电化学传感器的线性输 出理论值为( 500 100 ) na / ppm，下面以一氧化碳 检测实验为例，得出其实际线性输出值。选用美国 pl 公司生产的型号为 pl s 5 的 teflon 采样 袋，利用 静态配气 法7 配置 0、5、10、15、20、25、30 ppm 七个不同浓度值的一氧化碳进行测量，在入气 口 1 处接不同浓度的一氧化碳，调整流量计，利用真 空泵进行抽气，每 5 s 采集一次，

15、使电化学传感器充 分反应至稳定，取稳定后的 10 个测量值求均值，并 记录。首先测量 30 ppm，当稳定后，调整 rgian 使得 vout 的值在 4 5 v，一氧化碳每个浓度测量后，在入气口 2 处接氮气，对电化学传感器进行冲洗还原。一氧化碳电化学传感器的实际测量值如下:浓度值 ppm051015202530实际值 v0 050 811 561 733 043 894 5由上述实际测量值拟合出线性曲线，得出其实 际线性输出为 450 na / ppm。硫化氢和甲醛检测实 验同上，得出对应实际线性输出分别为 600 na / ppm 和 700 na / ppm，依据上述实际线性输出值对单

16、片 机处理参数进行调整。5结论该文设计的气体检测系统可实现一氧化碳、硫 化氢和甲醛的浓度测量，并通过实验的方法对该装 置进行了校准。系统对一氧化碳、硫化氢和甲醛的 检测 范 围 分 别 为 0 30 ppm，0 100 ppm，0 1 ppm。系统基本完成设计任务，但是也存在着诸多 有待改进之处，如可以选用分辨率更高的 a / d 转换 芯片，或采用较高档的单片机，其内置 a / d 转换及 通信模块还可进一步简化。( 下转第 100 页)100工业仪表与自动化装置2010 年第 4 期c / os 是一个免费的源代码公开的实时操 作系统，内核包含了任务调度、任务管理、时间管理、 内存管理和任

17、务间的通信与同步等基本功能7。根据系统的功能要求，将要完成的工作划分为 3 个任务: 1) 保护动作任务 task0; 2) 数据采集处理 任务 task1; 3 ) 显示、通信任务 task3。任务划分 如图 2 所示。图 2 系统任务划分4试验结果与分析该智能保护器研制成功后进行了一系列试验， 表 1 表 3 是结果分析。 表 1 过载延时保护试验 过载电流要求动作时间实际动作时间 1 20 ie0 2 1 h10 min1 50 ie90 180 s85 s2 00 ie45 90 s37 s4 00 ie14 45 s10 s 6 00 ie 8 14 s 6 s 其中: ie 代表馈

18、电开关上整定的额定工作电流。表 2 漏电闭锁保护试验表 3 欠压保护试验实际电压要求动作时间实际动作时间0 7ue0 5ue0 3ue5 s3 s1 s2 s 1 5 s0 7 s其中: ue 代表馈电开关上整定的额定工作电压。 从试验中可以发现，该智能保护器在检测到电网出现故障时能迅速做出反应，反应时间符合实际 要求。5总结该文介绍了基于 arm7 嵌入式操作系统的矿 用隔爆馈电开关智能保护器。在检测中应用了附加 直流电源检测漏电电阻原理和相敏保护原理提高了 检测的准确性。利用 c / os 操作系统使得设计 得以简化并提高了装置的实时性和稳定性。该保护器不仅保护功能齐全，而且显示信息丰 富，使用方法简单，工作可靠，应用于矿用馈电开关 中，满足了现代煤矿井下用电设备的需要，具有很好 的应用价值和前景。参考文献:1 国家煤矿安全监察局 煤矿安全规程s 20052 梁翼龙，孟润泉，宋建成 井下低压电网智能化综合保 护系统的研究j 电工技术，2001( 2) : 83 853 赵强，徐磊 矿井漏电保护方案的分析与探讨j 工 矿自动化，2006( 3) : 64 664 高俊岭 基于零序电流方向选择性漏电保护的研究 j 煤矿安全，2007( 6) : 11 1