多點(diǎn)無線氣體成分檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

楊 威,唐 杰,李 輝

（邵陽學(xué)院電氣工程系，湖南邵陽，422000）

多點(diǎn)無線氣體成分檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

楊 威,唐 杰,李 輝

（邵陽學(xué)院電氣工程系，湖南邵陽，422000）

利用單片機(jī)和PC機(jī)實(shí)現(xiàn)氣體成分的實(shí)時(shí)檢測（包括二氧化硫、一氧化氮、氮氧化合物等），將各點(diǎn)氣體傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)單片機(jī)處理以后利用無線傳輸傳送到PC機(jī)，實(shí)現(xiàn)氣體濃度采集、多點(diǎn)測量和上位機(jī)顯示功能，可以實(shí)時(shí)監(jiān)視氣體成分和濃度情況，使得人們能夠更加直觀、方便的了解各種氣體成分濃度情況。項(xiàng)目實(shí)施取得的成果具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

無線傳輸；氣體成分；單片機(jī)；上位機(jī)

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷加快，大氣污染日趨嚴(yán)重。酸雨、有毒物質(zhì)污染、臭氧層耗竭、溫室效應(yīng)增強(qiáng)是近十幾年來由大氣污染及污染效應(yīng)引發(fā)的嚴(yán)重的環(huán)境問題，因此設(shè)計(jì)氣體成分檢測系統(tǒng)，并分析大氣中的有害氣體成分，具有重要現(xiàn)實(shí)意義和一定的應(yīng)用前景。國內(nèi)外已有不同類型的氣體成分檢測儀投入使用，并且取得了一定的成效。然而，傳統(tǒng)的氣體成分檢測方案大多是單點(diǎn)氣體數(shù)據(jù)采集分析，能夠?qū)崿F(xiàn)多點(diǎn)檢測氣體成分的氣體檢測系統(tǒng)并不多見，且不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的氣體成分采集檢測系統(tǒng)將利用單片機(jī)良好的新功能實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣成分實(shí)時(shí)精確采集，利用單片機(jī)和PC機(jī)無線通訊實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，使采集到的氣體量能夠智能化的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1 總體方案設(shè)計(jì)

研究和實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容包括單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)、氣體檢測電路、A/D采集電路、無線收發(fā)電路、液晶顯示設(shè)計(jì)、藍(lán)牙串口通訊電路等。各路從機(jī)系統(tǒng)都配有氣體傳感器、A/D及無線發(fā)送模塊，從機(jī)系統(tǒng)的A/D采集各路氣體傳感器輸出數(shù)據(jù),傳送到STC89C52從單片機(jī)，各路從單片機(jī)將采集到的氣體濃度數(shù)據(jù)經(jīng)無線模塊發(fā)送出去，主單片機(jī)系統(tǒng)的無線接收模塊接收從機(jī)系統(tǒng)發(fā)出的數(shù)據(jù)，主單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心處理部件，無線接收模塊接收到的數(shù)據(jù)由主單片機(jī)集中處理后顯示到液晶顯示屏中，同時(shí)通過藍(lán)牙串口模塊將氣體濃度數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，通過上位機(jī)軟件在上位機(jī)上顯示，實(shí)現(xiàn)氣體成分實(shí)時(shí)監(jiān)視。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

選用STC89C52作為系統(tǒng)控制芯片，該芯片采用Flash存貯器技術(shù)，降低了制造成本，其軟件、硬件與MCS-51完全兼容，且采用高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，超低功耗很適合于電池供電的小型控制系統(tǒng)，還具有超強(qiáng)抗干擾，體積小，成本低等優(yōu)點(diǎn)。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)由電源電路、復(fù)位電路和晶振電路組成。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)主要用于數(shù)據(jù)的處理及傳輸，是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件。

圖1 系統(tǒng)框圖

2.2 氣體檢測電路

系統(tǒng)采用德國速麗德公司的傳統(tǒng)電化學(xué)式氣體傳感器，靈敏度和分辨率極高，是一款高精度氣體傳感器。氣體檢測電路圖如圖2所示。電化學(xué)傳感器的工作原理是允許氣體通過薄膜擴(kuò)散到傳感器內(nèi)，并與工作電極（WE）相互作用。傳感器參考電極（RE）提供反饋，以便通過改變輔助反電極（CE）上的電壓保持WE引腳的恒定電位。放大器U1-A從CE引腳吸取足夠的電流，以便在傳感器的WE和RE引腳間保持0 V電位。RE引腳連接到U2-A的反相輸入；因此其中無電流流動(dòng)。這意味著電流從WE引腳流出，隨氣體濃度呈現(xiàn)線性變化。跨阻放大器U1-B將傳感器電流轉(zhuǎn)換為與氣體濃度成正比的電壓。

圖2 氣體檢測電路

2.3 A/D采集電路

本次設(shè)計(jì)使用的PCF8591是具有I2C總線接口的8位A/ D及D/A轉(zhuǎn)換器。有4路A/D轉(zhuǎn)換輸入，1路D/A模擬輸出，可采集多路氣體濃度數(shù)據(jù)。在與單片機(jī)的信息傳輸過程中僅靠時(shí)鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA就可以實(shí)現(xiàn)。 A/D采集氣體檢測電路的輸出電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量再傳送給從單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。其接口電路如圖3所示。

圖3 A/D接口電路

2.4 無線收發(fā)電路

nRF24L01是由NORDIC生產(chǎn)的工作在2.4GHz～2.5GHz的ISM 頻段的單片無線收發(fā)器芯片。無線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強(qiáng)型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器和解調(diào)器。輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過SPI接口進(jìn)行設(shè)置。幾乎可以連接到各種單片機(jī)芯片，并完成無線數(shù)據(jù)傳送工作。本系統(tǒng)把從單片機(jī)得到的氣體濃度數(shù)據(jù)經(jīng)nRF24L01傳送到主單片機(jī)。其電路如圖4所示。

圖4 無線收發(fā)電路

2.5 液晶顯示設(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用帶中文字庫的12864LCD與上位機(jī)配合顯示氣體濃度數(shù)據(jù)，12862LCD顯示屏適中，接于主單片機(jī)系統(tǒng)，使系統(tǒng)在不打開上位機(jī)的情況下也能得出濃度數(shù)據(jù)，能夠較為直觀的顯示濃度數(shù)據(jù)。

2.6 藍(lán)牙串口通訊電路

如今大多數(shù)電腦自帶藍(lán)牙系統(tǒng)（即便沒有自帶也可通過藍(lán)牙適配器使電腦具有藍(lán)牙通訊功能），系統(tǒng)通過藍(lán)牙串口模塊與上位機(jī)藍(lán)牙配對(duì)之后進(jìn)行串口通訊，和傳統(tǒng)串口通訊相比較省略了線路連接，整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)完全無線通訊。主單片機(jī)系統(tǒng)不必直接與上位機(jī)相連便可通訊，使系統(tǒng)更加靈活方便。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

一個(gè)完整的系統(tǒng)離不開高質(zhì)量的軟件支持。開機(jī)之后，上電復(fù)位，系統(tǒng)初始化。初始化完成后，進(jìn)行氣體濃度采集。采集完氣體濃度數(shù)據(jù)后通過無線模塊發(fā)送出去，然后判斷無線接收模塊是否接收到數(shù)據(jù)，如果無線接收模塊未接收到數(shù)據(jù)程序返回?zé)o線發(fā)送階段再次發(fā)送數(shù)據(jù)；若接收到數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)同時(shí)傳送到液晶顯示器和藍(lán)牙串口通訊，藍(lán)牙串口將數(shù)據(jù)送到上位機(jī)顯示。最后判斷藍(lán)牙串口發(fā)送是否完成，等待數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，程序返回氣體濃度采集階段，進(jìn)行新一輪的過程，如此無限循環(huán)，實(shí)現(xiàn)氣體成分實(shí)時(shí)監(jiān)控。程序流程圖如圖5所示。

上位機(jī)軟件由Visual Studio編寫，上位機(jī)界面如圖6所示。

圖5 主程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為驗(yàn)證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測試。將系統(tǒng)置于標(biāo)準(zhǔn)氣體中，對(duì)比系統(tǒng)測量值與標(biāo)準(zhǔn)值偏差量，結(jié)果如表1所示。

由表可知，本系統(tǒng)在實(shí)際測量中準(zhǔn)確度很高，運(yùn)行可靠。

圖6 上位機(jī)界面

5 結(jié)論

經(jīng)驗(yàn)證，本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)無線多點(diǎn)氣體的檢測，系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)、準(zhǔn)確度高，且使用方便靈活，結(jié)構(gòu)簡單，適用范圍廣，較好地適用于人為難以直接測量的場合。本項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的多種濃度參數(shù)進(jìn)行檢測實(shí)時(shí)監(jiān)控，能夠更加全面可靠地了解用大氣污染狀態(tài)。

表1 氣體濃度偏差量表

[1]郭天翔.新概念51單片機(jī)C語言教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[2]譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì)[M].第四版.北京.清華大學(xué)出版社，2010.

[3]Karli Watson, Christian Nagel. C#入門經(jīng)典[M].第五版.北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[4]陳杰.傳感器與檢測技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2002.

Design and experiment of multipoint wireless gas composition detection system

Yang Wei,Tang Jie,Li Hui
（Department of Electrical Engineering,Shaoyang University,Shaoyang,422000,China）

Using single chip microcomputer and PC to realize the gas composition of real-time detection (including sulfur dioxide, nitric oxide, nitrogen oxides, etc.), all point to the output of gas sensor signal by single chip after the use of wireless transmission sent to the PC, to realize the collection gas concentration, multi-point measurement and PC display function, can real-time monitoring the gas composition and concentration, make people more intuitive and convenient to understand all kinds of gas component concentration. Project implementation results have certain value for engineering application.

wireless transmission; gas composition; microcontroller; PC

TN98

A

楊威（1993-），男，江西省瑞金市，在讀本科，研究方向?yàn)镸CU應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)；

2015湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性試驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目（湘教通[2015]269號(hào))

唐杰（1975-），男，湖南省邵陽市，博士，教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)諧波抑制和無功功率補(bǔ)償。