开 题 报 告

 

第二篇：基于单片机的气体检测系统设计与实现

?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

俞俊资，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：１０００一０６８２（２０１０）０４—００４４一０３

Ｄｅｓｉｇｎａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｇａｓｄｅｔｅｃｔｉｎｇ

ＹＵ

ｓｙｓｔｅｍ

ｂａｓｅｄ

ｏｎ

ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏ¨ｅｒ

Ｊｕｎｙｕｎ，ＹＡＮＧＪｉａｎｈｕａ，ＴＡＮＧｚｈｏｎｄｉｎ，ＣＵｌＢｏ

（ｃｏｆ如酽∥ＡⅡ协，加ｔ加，胁玎＾叫档招ｒ凡助咖ｅ如疵甜肌觇瑚妙，觚’口ｎ７１００ｒ７２，劬ｉ舳）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｍａｉｎｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｓｏｆｈａｒｅ，ａｎｄｔｈｅｅｎｔｉｒｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆＣＯ，Ｈ２Ｓ，ＣＨ２Ｏ

ｔｅｍ

ｃａｎ

ａ

ｋｉｎｄｏｆｇａｓｔｅｓｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄ

ｏｎ

ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．Ｐｏｉｓｏｎｇａｓｃｏｎｔａｉｎｅｄ

ｂｅｍｅａｓｕｒｅｄｂｙｔｈｉｓ

ｒｅｌｉａｂｌｅ．

ｓｙｓｔｅｍ．ｎｅｓｙｓｔｅｍｗａｓｃｏ丌ｅｃｔｅｄｂｙｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｔｉｏｎ．１１１ｅｓｙｓ—

ｓｃｅｎｅ

ｉｓ

ｓｍａｌｌ，ｃｈｅ印ａｎｄ

Ｉｔｉｓｍａｉｎｌｙａｐｐｌｉｅｄｉｎｓｏｍｅｉｎｄｕｓｔｒｙ

ｐｏｓｉｔｉｏｎｍｏｎｉｔｏ而ｎｇ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏＩｌｅｒ；ｐｏｉｓｏｎｇａｓ；ｔｅｓｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍ

Ｏ

引言

随着我国经济发展，工业也得到了迅速的发展，

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。

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。

２系统硬件电路设计

作为一个典型的智能检测系统…，它应包括数据的采集、变换、处理等环节，硬件设计主要包括

１气体检测装置总体结构

该装置的总体结构如图ｌ所示。

ｌ‘蹴鬻Ｋ勰路№壶］咽ｎ高１汀可

图１

气体检测装置总体结构

收稿日期：２０１０—Ｏｌ一２５向为检测技术与自动化装置。

甲

ｃＰｕ的选型，传感器的选择，Ａ／Ｄ转换芯片的选择，电源电路、显示电路、报警断电控制电路以及红外遥

Ｉ调胛电路一转换电路Ｈ！箪！！Ｈ堡堡塑仝Ｉ

控和上传通信电路等的设计。

２．１

ＣＰＵ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ＡＲ９Ｓ５１［引。

２．２电化学传感器选择及调理电路设计

由图１可以看出，该气体检测系统由电化学传

作者简介：俞俊赞（１９８４），男，浙江新吕人，硕士研究牛，研究方

万方数据

２０１０年第４期

工业仪表与自动化装置

?４５?

电化学传感器［３１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、硫化氢及甲醛的检测，故选择Ｃｏ／ＣＦ一２００、Ｈ２Ｓ／Ｍ—１００、ＣＨ２０／Ｃ—１０这３种电化学传感器。

２．２．１

电化学传感器性能指标ｃ０／ｃＦ一２００电化学传感器主要性能参数：测量范围。一２００ｐｐｍ；输出信号（５００±１００）ｎＡ／ｐｐｍ；分辨率０．１

ｐｐｍ。

Ｈ：Ｓ／Ｍ一１００电化学传感器主要性能参数：测量范围。一１００ｐｐｍ；输出信号（７００士１４０）ｎＡ／ｐｐｍ；分辨率Ｏ．１

ｐｐｍ。

ｃＨ：ｏ／ｃ一１０电化学传感器主要性能参数：测量范围ｏ～１０ｐｐｍ；输出信号（一８００±２００）ｎＡ／ｐｐｍ；分辨率０．０５

ｐｐｍｏ

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，ＩＣ：必须具有一个低的偏移（如＜１００ｐＶ），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。

冠。蒯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

万方数据

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Ｒ洲转换成

电压信号，再经过集成运算放大器Ｉｃ。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：

％。，＝≯?ＥＲ．

“州

（１）

其中：尺ｈ。是精密电阻值，Ｒ。舢是反馈电阻值。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。

２．３

Ａ／Ｄ芯片的选择

对一氧化碳来说，环境中浓度到１０ｐｐｍ，人会

意识不清，行动迟缓，当到３０ｐｐｍ，将会导致视觉和

听力障碍。对于硫化氢来说，当浓度在５０一１００

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，０．１ｐｐｍ时对人体就会产生危害，Ｏ．６ｐｐｍ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ＡＤｃ０８０９【４１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

Ｔｃｌ６０２Ａ［５３上面。其与单片机连接电路如图３所示。

ＡＴ８９Ｓ５ｌ

ＴＣｌ６０２ＡＰ３．７ＲＳ

Ｐ３．６

ＲＷ

Ｐ３．５

ＶＤ

Ｐ１．ＯＰ１．１詈ＶＤ。

Ｐ１．２Ｄ２Ｐ１．３Ｄ３Ｖ０

Ｐ１．４Ｄ４叫

Ｐ１．５Ｄ５Ｐ１．６Ｄ６ＶＳＳＰ１．７

Ｄ７

图３Ｔｃｌ６０２Ａ与Ａ鸭９Ｓ５１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Ｌ／

－４６?

工业仪表与自动化装置２０Ｊｏ年第４期

Ｏ口直接进行扫描。因其简单，电路图不再画出。

２．６

ＵＳＢ接口电路

ＰＤＩｕｓＢＤｌ２旧１完全符合ｕｓＢｌ．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。ＰＤＩｕｓＢＤｌ２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。

Ｖｎｎ

—

坐

Ａ

ｗ

舞飞～

严攀爹

’：

图４ＰＤＩｕｓＢｌ２与Ａ髓９Ｓ５ｌ的典犁配置方式

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Ａ１＇８９ｓ５ｌ的任何Ｉ／Ｏ引脚，通过它来区分输入到ＰＤＩＵｓＢＤｌ２的是命令还是数据；Ａ倦９Ｓ５ｌ的Ｐ｜０口直接与ＰＤＩＵｓＢＤｌ２的数据总

线相连；ＣＬＫＯｕＴ时钟输出直接为Ａ髑９ｓ５ｌ提供时

钟输入。

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图５所示。

图５系统软件流程图

万方数据

４实验

实验的主要目的是验证电化学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一５的ＴＥＦＬＯＮ采样袋，利用静态配气法一１配置０、５、１０、１５、２０、２５、３０ｐｐｍ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５ｓ采集一次，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３０ｐｐｍ，当稳定后，调整Ｒｃ‰使得圪。的值在４．５Ｖ，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：

Ｉ

浓度值ｐｐｍＯ５ｌＯ１５２０

２５

３０ｌ

实际值Ｖ

Ｏ．０５Ｏ．８Ｉ１．５６

１．７３

３．０４３．８９

４．５

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４５０ｎＡ／ｐｐｍ。硫化氢和甲醛检测实ｎＡ／ｐｐｍ

和一７００ｎＡ／ｐｐｍ，依据上述实际线性输出值对单片结论

该文设计的气体检测系统可实现一氧化碳、硫

ｐｐｍ，０—１００ｐｐｍ，０～ｌ

（下转第１００页）

３软件设计

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。如验同上，得出对应实际线性输出分别为６００

机处理参数进行调整。

５

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。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。

?ｌＯＯ?工业仪表与自动化装置

表３欠压保护试验

２０１０年第４期

¨ｃ／Ｏｓ一Ⅱ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、内存管理和任务间的通信与同步等基本功能＂１。

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ＴＡｓＫｌ；３）显示、通信任务ＴＡｓ瞄。任务划分

如图２所示。

ＴＡＳＫＯ：

其中：ｕ。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

①，／ｏ几初始化：

②循环判断处理后的电网信息并执｝ＪＩ相心的操作。

１ＡＳＫｌ：

要求。

５

总结

该文介绍了基于ＡＲＭ７嵌入式操作系统的矿

①仞始化Ａ／Ｄ转化；

②对备通道的数据进行计算。

１－ＡＳＫ３：

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。利用仙Ｃ／ＯＳ一Ⅱ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

①ＬｃＤ显示：

②４８５／ｃＡＮ总线通信。

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

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］［２］

国家煤矿安全监察局．煤矿安全规程［ｓ］．２００５．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—８５．［３］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—６６．［４］

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）：１ｌ一１３．［５］

陈广大，杨方，戴凤龙．基于ＡＶＲ单片机的矿用低压隔爆馈电开关智能保护器的设计［Ｊ］．煤矿机械，２００８（５）：１２３一１２５．［６］

周立功．ＡＲＭ嵌入式系统基础教程［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２００５．［７］

其中：Ｉｅ代表馈电开关上整定的额定工作电流。

表２漏电闭锁保护试验

［美］拉伯罗斯．嵌入式实时操作系统斗Ｃ／ｏｓ一Ⅱ［Ｍ］．

邵贝贝，译．北京：北京航空航天大学出版社，２００３．

（上接第４６页）

参考文献：

［１］王召纯．自动检测技术［Ｍ］．北京：冶金工业出版社，

２００２．

［４］

吴建国．ＡＤＣ０８０９Ａ／Ｄ转换芯片的原理及应用［Ｊ］．电子制作，２００７（２）：４５—４６．

［５］

欧伟明．液晶显示模块Ｔｃｌ６０２Ａ与单片机的接口技术［Ｊ］．国外电子元器件，２００３（３）：５０一５２．

［２］李萍．Ａ髑９Ｓ５１单片机原理、开发与应用实例［Ｍ］．北

京：中国电力出版社，２００８．

［３］杨帮文．最新传感器实用手册［Ｍ］．北京：人民邮电出

版社，２００４．

［６］

广州周立功单片机发展有限公司．ＰＤＩｕｓＢｌ２一ｕＳＢ接口器件［ＤＢ／０Ｌ］．２０００．

［７］

１Ｓ０６１４４一１９９８

Ｇ舾ＡｎａｌｙｓｉｓＰｒｅｐａｒｔｉｏｎ０ｆＣａｌｉｂｒａｉｉｏｎ

Ｇ鹊Ｍｉｘｔｕ聪ｓｔａｔｉｃＶｏｌｕｍｅｔｒｉｅＭｅｔｈｏｄ［ｚ］．

万方数据

基于单片机的气体检测系统设计与实现

作者：

作者单位：

刊名：

英文刊名：

年，卷(期)：俞俊赟， 杨建华， 唐忠林， 崔博， YU Junyun， YANG Jianhua， TANG Zhonglin，CUI Bo西北工业大学,自动化学院,西安,710072工业仪表与自动化装置INDUSTRIAL INSTRUMENTATION & AUTOMATION2010(4)

参考文献(7条)

1.ISO 6144 -1998.Gas Analysis Prepartion of Calibration Gas Mixture Static Volumetrie Method

2.广州周立功单片机发展有限公司 PDIUSB12-USB接口器件 2000

3.欧伟明 液晶显示模块TC1602A与单片机的接口技术[期刊论文]-国外电子元器件 2003(03)

4.吴建国 ADC0809 A/D转换芯片的原理及应用 2007(02)

5.杨帮文 最新传感器实用手册 2004

6.李萍 AT89S51单片机原理、开发与应用实例 2008

7.王召纯 自动检测技术 2002

本文链接：http://d..cn/Periodical_gyybyzdhzz201004013.aspx