便攜式CO氣體檢測儀的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

引言

便攜式CO氣體檢測儀能夠?qū)Νh(huán)境內(nèi)的CO氣體進(jìn)行有效檢測和控制,并及時(shí)發(fā)出報(bào)警信息,對(duì)保障作業(yè)人員以及生產(chǎn)設(shè)備安全具有重要意義。

1檢測儀工作原理

本文檢測儀主要以MSP430單片機(jī)為核心,包括傳感器、A/D轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)處理模塊和聲光報(bào)警模塊等。檢測儀主要借助電化學(xué)式傳感器對(duì)環(huán)境內(nèi)的CO實(shí)施檢測,完成檢測后對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和變換,并通過單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理,將完成處理的濃度值借助顯示電路于顯示屏區(qū)域顯示,從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。該檢測儀將濃度值和所設(shè)報(bào)警值進(jìn)行超限比較,如果所檢測氣體的濃度值大于所設(shè)報(bào)警閾值標(biāo)準(zhǔn),就會(huì)出現(xiàn)聲光報(bào)警信號(hào)。

2硬件設(shè)計(jì)

對(duì)于檢測儀硬件部分,主要包括主電路與采集電路等,其中主電路主要用于對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)與查看本地?cái)?shù)據(jù)、超限報(bào)警和傳輸無線數(shù)據(jù)等,而采集電路主要是對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集與轉(zhuǎn)換。

2.1主電路

在主電路中,主要包括電源管理電路、開關(guān)機(jī)電路、充電電路、電池電壓的檢測電路、CPU模塊電路等。電源管理電路主要提供工作電壓以及參考電壓,電池使用可充電的鋰電池類型:開關(guān)機(jī)電路主要提供電子開關(guān),使檢測儀實(shí)現(xiàn)軟關(guān)機(jī)效果:充電電路中充電的插頭為圓孔類型,能夠直接進(jìn)行供電電池的充電,在檢測儀完成充電后能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)切斷功能:電池電壓的檢測電路主要是對(duì)電池電壓進(jìn)行檢測:CPU模塊電路主要負(fù)責(zé)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。檢測儀所用MSP430類型單片機(jī)有16位的總線帶FIash功能,滿足工業(yè)級(jí)運(yùn)行要求,并且還配置時(shí)鐘芯片和存儲(chǔ)芯片等,可靠性良好,功耗低。另外通過DS18B20溫度傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)溫度采集,通過藍(lán)牙模塊和Pc機(jī)實(shí)施通信,能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行傳輸與打印。

2.2采集電路

在CO傳感器中,其采集電路分為恒定電壓、兩級(jí)放大、參考電壓和電壓跟隨器4部分。其中,恒定電壓主要是為CO傳感器提供恒定電壓:兩級(jí)放大主要是被測氣體進(jìn)入到傳感器內(nèi),于恒電位環(huán)境條件下發(fā)生氧化還原反應(yīng)后,把濃度變化進(jìn)行相應(yīng)輸出電流的轉(zhuǎn)換:參考電壓主要是對(duì)恒定電壓以及兩級(jí)運(yùn)放部分提供參考電壓:電壓跟隨器主要提高電路的性能,在CO傳感器電路中接入電壓跟隨器,則電壓跟隨器輸入和輸出的電壓具有相同的相位,由于電壓跟隨器輸入的阻抗很大,而輸出的阻抗很小,因此可將其當(dāng)作阻抗轉(zhuǎn)換電路,能夠提升原電路帶負(fù)載的能力。

3軟件設(shè)計(jì)

檢測儀軟件設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)采集處理與人機(jī)交互兩大部分模塊。在數(shù)據(jù)采集處理模塊中,又包括了AD采集的子程序、系統(tǒng)的標(biāo)定、參數(shù)的儲(chǔ)存程序、溫度傳感的子程序、數(shù)據(jù)的濾波算法和時(shí)鐘的子程序等:而人機(jī)交互模塊主要有LCD顯示、按鍵、UsB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及聲光報(bào)警等子程序。

3.1數(shù)據(jù)采集處理模塊

在數(shù)據(jù)采集處理模塊中,傳感器所采集的微弱電信號(hào)通過放大和濾波被送入單片機(jī)內(nèi),進(jìn)而借助單片機(jī)所自帶的A/D轉(zhuǎn)換電路對(duì)模數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,之后再通過數(shù)據(jù)濾波獲取具有較好穩(wěn)定性的電壓信號(hào)。由于本系統(tǒng)能夠?qū)Χ鄥?shù)實(shí)施檢測,則單片機(jī)模擬的輸入結(jié)果較易遭受分布的電容、信號(hào)線、地址線以及電源線等干擾,進(jìn)而出現(xiàn)波動(dòng)性,這種誤差導(dǎo)致的串入具有顯著的隨機(jī)性和難以預(yù)測性,因此需要在總體統(tǒng)計(jì)以及測量次數(shù)上進(jìn)行削弱,而誤差削弱主要有濾波電路和數(shù)字濾波算法兩種方式。本系統(tǒng)通過濾波電路以及數(shù)字濾波的算法結(jié)合方式進(jìn)行設(shè)計(jì),從而削弱隨機(jī)誤差,獲取準(zhǔn)確、可靠的數(shù)據(jù)。

為了得到CO具體濃度值,需要對(duì)其系統(tǒng)實(shí)施標(biāo)定,主要通過最小二乘法實(shí)現(xiàn)。在對(duì)系統(tǒng)實(shí)施標(biāo)定時(shí),要把標(biāo)定值在FIash內(nèi)進(jìn)行存儲(chǔ),防止下次開機(jī)會(huì)重新標(biāo)定,進(jìn)而系統(tǒng)能按照FIash內(nèi)所存儲(chǔ)的標(biāo)定值和溫度值進(jìn)行濃度值的計(jì)算。此濃度值并非實(shí)際氣體濃度值,環(huán)境溫度會(huì)對(duì)氣體傳感器輸出產(chǎn)生很大影響,因此還要對(duì)其輸出的結(jié)果進(jìn)行溫度補(bǔ)償。溫度補(bǔ)償主要是按照相應(yīng)的補(bǔ)償方程,將不同的濃度值所對(duì)應(yīng)的輸出值進(jìn)行修正處理,同時(shí)還要進(jìn)行溫度傳感子程序的設(shè)定,此系統(tǒng)主要采用DS18B20類型溫度傳感器。

3.2人機(jī)交互模塊

對(duì)于系統(tǒng)人機(jī)交互模塊功能,主要是通過LCD對(duì)氣體濃度和其他測試的信息進(jìn)行顯示,在CO氣體濃度大于報(bào)警限值時(shí),發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào):通過按鍵對(duì)儀表進(jìn)行操作,達(dá)到界面切換、系統(tǒng)標(biāo)定和開關(guān)機(jī)等效果:在測試現(xiàn)場還能對(duì)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ),離開現(xiàn)場后,把存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)借助USB傳送至PC機(jī)。

在LCD顯示的子程序中,該系統(tǒng)所用LCD顯示為液晶屏,型號(hào)為JD-T1800,其編程關(guān)鍵為接口協(xié)議,JD-T1800液晶屏所用控制器是ST7735S,主要采用的傳輸方式是三線制串行傳輸。在按鍵子程序中,按鍵主要是便于用戶對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定和界面切換。在按鍵的子程序執(zhí)行中,首先要在保證按鍵被按下后,為了避免按鍵由于抖動(dòng)造成影響,要進(jìn)行一段延時(shí)的程序執(zhí)行,然后再對(duì)按鍵重新進(jìn)行檢測,讀出其鍵值,在按鍵松開后,就會(huì)跳出其按鍵的子程序,進(jìn)而執(zhí)行處理程序。本系統(tǒng)內(nèi)按鍵端口是低電平,待檢測另一端口是低電平狀態(tài),表示其按鍵已經(jīng)按下。

在USB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的子程序中,其所支持的通信方式包括人機(jī)的接口類、虛擬化的串口類、個(gè)人化醫(yī)療通信的設(shè)備類、大容量性存儲(chǔ)的設(shè)備類和多種通信形式混合類等。本文系統(tǒng)主要通過TI官網(wǎng)所提供的USB開發(fā)性功能函數(shù),在設(shè)計(jì)中不必對(duì)USB的協(xié)議進(jìn)行透徹理解,降低了USB開發(fā)難度。在測試現(xiàn)場,這種USB模塊不能夠直接使用,需要單片機(jī)先把所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存,所以要設(shè)置合適的緩存區(qū)。由于儀器每3s就進(jìn)行一次檢測數(shù)據(jù)的輸出,則一天內(nèi)10h就會(huì)輸出12000個(gè)檢測數(shù)據(jù),至少超過47kB的存儲(chǔ)空間。而本系統(tǒng)Flash的存儲(chǔ)空間是128kB內(nèi)存,可以把其中64kB當(dāng)作緩存區(qū)開發(fā)。在離開測試現(xiàn)場后,把USB接口和PC機(jī)連接,就能夠讀取Flash內(nèi)所存儲(chǔ)檢測的數(shù)據(jù),并把所獲取的數(shù)據(jù)借助HID通信方式傳輸給PC機(jī)。

4結(jié)語

本文對(duì)便攜式C0氣體檢測儀硬件、軟件的設(shè)計(jì)與應(yīng)用進(jìn)行了深入分析,希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)檢測儀的設(shè)計(jì)提供幫助,進(jìn)一步提升氣體檢測儀器的應(yīng)用價(jià)值。