基于單片機(jī)和傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)多參數(shù)氣體檢測(cè)儀的應(yīng)用方案

井下作業(yè)環(huán)境中氧氣、二氧化碳、一氧化碳、硫化氫及甲烷濃度的高低，直接影響到煤礦的安全生產(chǎn)和礦工的生命安全。同時(shí)，隨著各種天然氣、煤制氣、液化氣的開(kāi)發(fā)和使用，各種可燃性氣體散發(fā)在工作場(chǎng)所和人們生活中，因此連續(xù)、直接檢測(cè)工作環(huán)境和生活環(huán)境中有毒氣體、可燃性氣體有著極其重要的意義。目前，氣體檢測(cè)大多采用單氣體檢測(cè)方式，即每測(cè)量一種氣體需要攜帶一種測(cè)量?jī)x表。研制能用一種儀器同時(shí)檢測(cè)多種不同氣體是氣體檢測(cè)儀的發(fā)展趨勢(shì)，即進(jìn)行多參數(shù)測(cè)量，多種氣體檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種氣體種類(lèi)的識(shí)別和濃度的判斷，從而更全面地反映被測(cè)氣體在特定環(huán)境中所顯示的特性。

本文介紹基于AT89S51單片機(jī)控制的多參數(shù)氣體檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。

1 多參數(shù)氣體檢測(cè)儀的功能及測(cè)量原理

1.1系統(tǒng)功能

系統(tǒng)的功能如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能框圖

由圖1可知，系統(tǒng)由8個(gè)功能模塊構(gòu)成：進(jìn)氣過(guò)濾系統(tǒng)（包括采樣泵、濾膜、氣室、進(jìn)出氣管路）、傳感器及信號(hào)處理單元（紅外傳感器、電化學(xué)傳感器）、主控電路板（微處理器、通訊接口、數(shù)據(jù)管理等）、LCD顯示屏、人機(jī)對(duì)話單元（組合功能鍵、指使燈板）、供電單元（直流穩(wěn)壓電源、電池組、穩(wěn)壓電路）以及時(shí)鐘輸入單元。

1.2系統(tǒng)檢測(cè)原理

系統(tǒng)檢測(cè)原理如圖2所示。

圖2系統(tǒng)檢測(cè)原理圖

紅外氣體傳感器和電化學(xué)傳感器分別對(duì)氧氣、一氧化碳、二氧化碳、硫化氫和甲烷五種氣體進(jìn)行檢測(cè)。其中，二氧化碳和甲烷采用紅外傳感器檢測(cè)，氧氣、一氧化碳、硫化氫由電化學(xué)傳感器檢測(cè)。被測(cè)氣體通過(guò)兩類(lèi)傳感器時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)放大、A/D轉(zhuǎn)換后，由微處理器AT89S51進(jìn)行采集、計(jì)算、數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生濃度結(jié)果數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行超限比較，當(dāng)被測(cè)氣體的濃度超過(guò)儀器設(shè)定的報(bào)警限時(shí)，儀器產(chǎn)生聲光報(bào)警，并在顯示屏上顯示報(bào)警狀態(tài)、故障狀態(tài)、時(shí)間參數(shù)等數(shù)據(jù)信息，同時(shí)保存數(shù)據(jù)結(jié)果。

在進(jìn)氣過(guò)濾系統(tǒng)中，至少需要1個(gè)I/O端口來(lái)控制采樣泵的工作;在傳感器及信號(hào)處理單元，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路把傳感器產(chǎn)生的關(guān)于氣體濃度的有關(guān)信息轉(zhuǎn)化為單片機(jī)能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，選擇8路輸入的ADC0809芯片;在顯示模塊中，采用KS0713液晶顯示器，需要單片機(jī)提供3個(gè)I/O控制端口;時(shí)鐘的顯示系統(tǒng)采用DS12887芯片與單片機(jī)進(jìn)行通訊，需要1個(gè)中斷輸入和1個(gè)I/O控制端口;由于系統(tǒng)要存儲(chǔ)至少500組測(cè)試信息，而且AT89S51單片機(jī)只有128KB的RAM，我們外擴(kuò)8K的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264;由于系統(tǒng)可以設(shè)定報(bào)警的限值和變更時(shí)間，則需要5個(gè)鍵盤(pán)接口，來(lái)控制設(shè)置、上升、下降、右移和打印，用到5個(gè)I/O接口;由于AT89S51單片機(jī)接口有限，利用8255A對(duì)I/O接口進(jìn)行擴(kuò)展。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路主要包括：傳感器及信號(hào)處理部分、A/D轉(zhuǎn)換部分、時(shí)鐘校準(zhǔn)輸入部分、I/O擴(kuò)展（鍵盤(pán)輸入、微型打印輸出）、液晶顯示系統(tǒng)、聲光報(bào)警系統(tǒng)以及吸氣泵的控制。

2.1 傳感器采樣電路設(shè)計(jì)

本文以測(cè)量CO的電化學(xué)傳感器采樣電路設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。CO傳感器是由北京康派爾科貿(mào)發(fā)展公司生產(chǎn)的7E/F三電極電化學(xué)傳感器，該型傳感器輸出線性范圍寬，線性穩(wěn)定，額定輸出為0.1uA/ppm， 最小分辨率為0.5ppm，測(cè)量的最小范圍和最大范圍分別為0-20ppm和0-1000ppm。CO的測(cè)量范圍是0-150mg/m︿3，CO的最大測(cè)量范圍轉(zhuǎn)換為ppm是：Ymax=150/1.25=120（ppm）

轉(zhuǎn)換為傳感器輸出的最大電流為：Imax=0.1＊120=12（uA）

輸出的電流分辨率為：Ii=0.1＊0.5=0.05（uA）

由此可得出其檢測(cè)精度為：ε= 0.5ppm/120ppm＊100%=0.42%

2.2 A/D及時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

采用ADC0809作為A/D轉(zhuǎn)換器芯片。

系統(tǒng)要對(duì)環(huán)境的氣體質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)并記錄，記錄信息中各種氣體的濃度是一個(gè)關(guān)鍵的信息，在記錄數(shù)據(jù)的同時(shí)，必須保存有關(guān)時(shí)間的信息，以便用戶對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并采取正確的應(yīng)對(duì)措施。系統(tǒng)擴(kuò)展了一片DS12887來(lái)為系統(tǒng)提供一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)。

2.3 顯示電路設(shè)計(jì)及I/O擴(kuò)展

系統(tǒng)采用KS0713液晶顯示器。

KS0713液晶模塊具有24個(gè)指令控制字。通過(guò)寫(xiě)入不同的控制字，設(shè)置液晶顯示器的初始條件以及各種運(yùn)行條件，以實(shí)現(xiàn)液晶顯示器的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行模式。

I/O擴(kuò)展采用8255A芯片。

利用I/O擴(kuò)展芯片8255A，連接鍵盤(pán)和微型打印機(jī)。8255A設(shè)置為工作方式0，5個(gè)鍵盤(pán)輸入接PA0-PA4，作為輸入口;打印機(jī)的數(shù)據(jù)端口接至8255A的PB口，作為輸出口，打印機(jī)的狀態(tài)信號(hào)輸入給PC0，打印機(jī)忙時(shí)BUSY=1。打印機(jī)的數(shù)據(jù)輸入采用選通控制，將PC4接至打印機(jī)的STB端，當(dāng)STB有負(fù)跳變時(shí)數(shù)據(jù)輸入。

2.4 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

采用NPN型三極管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，當(dāng)端口電壓為高時(shí)，負(fù)載的電壓能夠達(dá)到最大。系統(tǒng)中用到的抽氣泵性能十分的良好，它只需直流+5V便可以可靠的工作。對(duì)于發(fā)光二極管需要10-20mA的電流，其結(jié)型壓降和三極管的發(fā)射極壓降都為0.7V，則其分壓電阻的分壓值為3.6V，由此可得其阻值大概在180-360歐之間，本設(shè)計(jì)采用310歐的電阻做其分壓電阻。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用模塊化方式編制，系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

鍵盤(pán)掃描子程序流程圖如圖4所示。

圖4 鍵盤(pán)掃描子程序流程圖

AT89S51復(fù)位后運(yùn)行其內(nèi)部程序，選擇第一種氣體的模擬通道并啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，把轉(zhuǎn)換結(jié)果送單片機(jī)，同樣方法依次啟動(dòng)另四種氣體的轉(zhuǎn)換，由于每一次轉(zhuǎn)換至少需要100us的轉(zhuǎn)換時(shí)間，所以在下一種氣體的轉(zhuǎn)換過(guò)程中把上一種氣體的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)與程序中設(shè)定的超限值進(jìn)行比較，若超出其范圍則進(jìn)行聲光報(bào)警，若在其范圍內(nèi)則等待下一組測(cè)量結(jié)果，最后一組數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束后更新顯示器上的氣體濃度信息，再把5組測(cè)量數(shù)據(jù)連同其氣體種類(lèi)及時(shí)間信息寫(xiě)入外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。

4.結(jié)束語(yǔ)

多參數(shù)氣體檢測(cè)儀的研制，解決了目前國(guó)內(nèi)只能檢測(cè)到單一氣體的問(wèn)題，檢測(cè)精度小于±5%（滿量程）。在軟件設(shè)計(jì)中采取了自檢程序和數(shù)字濾波程序設(shè)計(jì)，使得檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步優(yōu)化，增強(qiáng)了檢測(cè)儀的抗干擾的能力。質(zhì)量輕、維護(hù)、維修、攜帶方便，也可以在線固定點(diǎn)采樣監(jiān)測(cè)氣體濃度。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：采用電化學(xué)原理多參數(shù)選擇組合的方法，能夠同時(shí)檢測(cè)氧氣、二氧化碳、一氧化碳、硫化氫和可燃?xì)怏w的濃度，解決了目前只能檢測(cè)到單一氣體的問(wèn)題。根據(jù)不同的行業(yè)要求，不同的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)不同的檢測(cè)參數(shù)可以更換不同的傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)不同種類(lèi)的氣體，對(duì)不同氣體可以設(shè)定不同的監(jiān)測(cè)濃度和分辨率。

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