便携式CO气体检测仪的设计与应用

引言

便携式CO气体检测仪能够对环境内的CO气体进行有效检测和控制,并及时发出报警信息,对保障作业人员以及生产设备安全具有重要意义。

1检测仪工作原理

本文检测仪主要以MSP430单片机为核心,包括传感器、A/D转换模块、信号处理模块和声光报警模块等。检测仪主要借助电化学式传感器对环境内的CO实施检测,完成检测后对信号进行放大和变换,并通过单片机对信号进行处理,将完成处理的浓度值借助显示电路于显示屏区域显示,从而实现人机交互。该检测仪将浓度值和所设报警值进行超限比较,如果所检测气体的浓度值大于所设报警阈值标准,就会出现声光报警信号。

2硬件设计

对于检测仪硬件部分,主要包括主电路与采集电路等,其中主电路主要用于对信号数据进行处理、存储与查看本地数据、超限报警和传输无线数据等,而采集电路主要是对信号进行采集与转换。

2.1主电路

在主电路中,主要包括电源管理电路、开关机电路、充电电路、电池电压的检测电路、CPU模块电路等。电源管理电路主要提供工作电压以及参考电压,电池使用可充电的锂电池类型:开关机电路主要提供电子开关,使检测仪实现软关机效果:充电电路中充电的插头为圆孔类型,能够直接进行供电电池的充电,在检测仪完成充电后能够自动实现切断功能:电池电压的检测电路主要是对电池电压进行检测:CPU模块电路主要负责对信号进行处理。检测仪所用MSP430类型单片机有16位的总线带FIash功能,满足工业级运行要求,并且还配置时钟芯片和存储芯片等,可靠性良好,功耗低。另外通过DS18B20温度传感器能够实现温度采集,通过蓝牙模块和Pc机实施通信,能够对数据进行传输与打印。

2.2采集电路

在CO传感器中,其采集电路分为恒定电压、两级放大、参考电压和电压跟随器4部分。其中,恒定电压主要是为CO传感器提供恒定电压:两级放大主要是被测气体进入到传感器内,于恒电位环境条件下发生氧化还原反应后,把浓度变化进行相应输出电流的转换:参考电压主要是对恒定电压以及两级运放部分提供参考电压:电压跟随器主要提高电路的性能,在CO传感器电路中接入电压跟随器,则电压跟随器输入和输出的电压具有相同的相位,由于电压跟随器输入的阻抗很大,而输出的阻抗很小,因此可将其当作阻抗转换电路,能够提升原电路带负载的能力。

3软件设计

检测仪软件设计主要包括数据采集处理与人机交互两大部分模块。在数据采集处理模块中,又包括了AD采集的子程序、系统的标定、参数的储存程序、温度传感的子程序、数据的滤波算法和时钟的子程序等:而人机交互模块主要有LCD显示、按键、UsB的数据存储以及声光报警等子程序。

3.1数据采集处理模块

在数据采集处理模块中,传感器所采集的微弱电信号通过放大和滤波被送入单片机内,进而借助单片机所自带的A/D转换电路对模数进行转换,之后再通过数据滤波获取具有较好稳定性的电压信号。由于本系统能够对多参数实施检测,则单片机模拟的输入结果较易遭受分布的电容、信号线、地址线以及电源线等干扰,进而出现波动性,这种误差导致的串入具有显著的随机性和难以预测性,因此需要在总体统计以及测量次数上进行削弱,而误差削弱主要有滤波电路和数字滤波算法两种方式。本系统通过滤波电路以及数字滤波的算法结合方式进行设计,从而削弱随机误差,获取准确、可靠的数据。

为了得到CO具体浓度值,需要对其系统实施标定,主要通过最小二乘法实现。在对系统实施标定时,要把标定值在FIash内进行存储,防止下次开机会重新标定,进而系统能按照FIash内所存储的标定值和温度值进行浓度值的计算。此浓度值并非实际气体浓度值,环境温度会对气体传感器输出产生很大影响,因此还要对其输出的结果进行温度补偿。温度补偿主要是按照相应的补偿方程,将不同的浓度值所对应的输出值进行修正处理,同时还要进行温度传感子程序的设定,此系统主要采用DS18B20类型温度传感器。

3.2人机交互模块

对于系统人机交互模块功能,主要是通过LCD对气体浓度和其他测试的信息进行显示,在CO气体浓度大于报警限值时,发出声光报警信号:通过按键对仪表进行操作,达到界面切换、系统标定和开关机等效果:在测试现场还能对检测数据进行存储,离开现场后,把存储的数据借助USB传送至PC机。

在LCD显示的子程序中,该系统所用LCD显示为液晶屏,型号为JD-T1800,其编程关键为接口协议,JD-T1800液晶屏所用控制器是ST7735S,主要采用的传输方式是三线制串行传输。在按键子程序中,按键主要是便于用户对系统进行标定和界面切换。在按键的子程序执行中,首先要在保证按键被按下后,为了避免按键由于抖动造成影响,要进行一段延时的程序执行,然后再对按键重新进行检测,读出其键值,在按键松开后,就会跳出其按键的子程序,进而执行处理程序。本系统内按键端口是低电平,待检测另一端口是低电平状态,表示其按键已经按下。

在USB数据存储的子程序中,其所支持的通信方式包括人机的接口类、虚拟化的串口类、个人化医疗通信的设备类、大容量性存储的设备类和多种通信形式混合类等。本文系统主要通过TI官网所提供的USB开发性功能函数,在设计中不必对USB的协议进行透彻理解,降低了USB开发难度。在测试现场,这种USB模块不能够直接使用,需要单片机先把所采集数据进行缓存,所以要设置合适的缓存区。由于仪器每3s就进行一次检测数据的输出,则一天内10h就会输出12000个检测数据,至少超过47kB的存储空间。而本系统Flash的存储空间是128kB内存,可以把其中64kB当作缓存区开发。在离开测试现场后,把USB接口和PC机连接,就能够读取Flash内所存储检测的数据,并把所获取的数据借助HID通信方式传输给PC机。

4结语

本文对便携式C0气体检测仪硬件、软件的设计与应用进行了深入分析,希望能够为相关检测仪的设计提供帮助,进一步提升气体检测仪器的应用价值。