PID光離子氣體檢測儀研究及設計

常州鐵道高等職業技術學校軌道交通系　王衿燕

PID光離子氣體檢測儀研究及設計

常州鐵道高等職業技術學校軌道交通系王衿燕

光離子檢測技術具有靈敏度高，通用性強、能檢測多種VOC氣體和有毒氣體等優點，被廣泛應用于環境監測和工業氣體監測報警系統中。本文通過對光離子技術的研究，設計了一款光離子氣體檢測儀，該檢測儀以ADuc7060微處理器為核心，將PID氣體檢測元件輸出的微弱信號進行放大采集，采用oLED液晶進行顯示并通過RS485方式進行傳輸，同時為了提高儀器的靈敏度及使用壽命，本儀器采用泵吸的方式進行氣體檢測。

光離子；ADuc7060；oLED顯示；RS485

0　前言

紫外光光離子化檢測器具有精度高（ppb級），響應快，可以連續測試等優點，既可以應用于檢測極低濃度可揮發性有機物（VOC）氣體，也可檢測部分無機有毒氣體，如NH3，H2S，氯乙烯等。光離子化氣體傳感器可廣泛應用于航空和航天領域、戰場生化檢測、環境監測、安全檢查、化學化工、汽車、船舶、鐵路運輸等領域，尤其是在航天燃料泄漏檢測，戰場生化檢測、災區事故泄漏檢測、易燃易爆有機氣體檢測方面發揮著重要作用。隨著人們生活水平的提高，對環境質量及工業安全生產越來越重視，VOC氣體及有毒氣體的檢測顯得越來越重要，未來具有廣闊的市場前景。

1　PID原理分析

大部分氣體是都有其特定的電離能（IP），用電子伏特（eV）來表示，在電離室中通過真空紫外燈使電離樣品氣體成為帶電離子，在樣品氣體通過電離室時，所有電離能低于真空紫外燈光子能量的氣體均會被紫外燈電離成離子和電子，離子和電子通過外加電場的加速，向金屬電極板快速移動，在兩個電極之間產生可被微電流檢測器檢測到的電流信號（電流信號往往極其微弱，有時小于1pA）。如圖1為PID光離子原理工作的整個過程，被測氣體通過自由擴散或泵吸的方式進入離子化氣室，在氣室中，被特定能量（10.6eV）的紫外光電離出電子和離子，電子和離子在電場作用下，定向移動，形成微弱電流，最后通過對這些微弱電流進行放大輸出。

圖1　光離子化反應原理

光離子化檢測器離子化池中兩電極之間的電流i用下式計算

2　系統硬件設計

2.1系統整體方案設計

如圖2為光離子傳感器的硬件結構框圖，該傳感器主要包括PID光離子放大檢測電路、CPU控制采集模塊、RS485通信模塊、微泵驅動模塊、紅外接收模塊、oLED顯示模塊等。整個系統工作過程中，信號處理電路負責對PID元件輸出的微弱電流進行取樣、放大、輸出；通過ADI公司的ADu7060處理器進行采集，通過oLED液晶屏進行顯示，同時通過RS485通信接口及時將采集信息上傳至上位機，當檢測到環境中被測氣體超過限制時，進行聲光報警，提醒工作人員及時采取措施。

圖2　傳感器硬件結構框圖

2.2微處理器小系統設計

PID光離子傳感器具有較高的靈敏度，最小分別率為ppb級別，同時傳感器量程具有較廣的跨度，最高達到10000ppb以上，因此在進行采集信號時，需要保證在整個量程都具有較高的精度，為了能最大程度提高傳感器的采集精度，本系統選用ADI公司的微處理器ADu7060，該芯片具有2路差分24位AD，能很充分滿足系統采集精度。同時該系統具有SPI、UART等通信接口，能很好的完成對OLED顯示及RS485通信功能。

2.3微處理器外圍電路

CPU外圍電路主要包括RC復位電路、聲光報警電路、看門狗存儲電路、微泵驅動電路、紅外遙控電路等。RC復位電路能使主控芯片ADu7060進入復位狀態，通過上拉電阻與去耦電容完成；紅外接收電路采用HS0038B紅外接收頭，將HS0038B輸出端連接單片機外部中斷，這樣當紅外遙控器按鍵按下產生對應鍵值調制編碼，HS0038B紅外接收頭接收到該編碼解調輸出，微控制器可以對該輸出信號脈沖直接進行解碼，從而得到遙控器按鍵值，通過紅外遙控可以實現功能的選擇，參數的設置、傳感器標校等。看門狗存；儲電路采用外部存儲芯片CAT1161來完成，CAT1161運用低功耗CMOS 技術，在片內集成了帶硬件存儲寫保護的串行EEPROM 存儲器（16K）、節能型系統電源監控電路和一個看門狗定時器。聲光報警電路主要用于提醒用戶環境中被測氣體濃度超標，及時采取措施；氣體采用方式分為擴散方式和泵吸方式兩種，PID傳感器在工作過程中，紫外光會產生大量的臭氧離子，臭氧離子的強氧化性會使進入電離室的部分VOC分子氧化變成一些小分子物質，從而使其不能被紫外燈電離，會輸出信號變小，為了提高儀器的靈敏度，需要及時的將電離產生的臭氧排出檢測氣室。所以在設計PID傳感器為了提高傳感器的精度和靈敏度，需要采用泵吸的方式進行采用，本文采用5V直流泵，保證200ml/min的流量進行取樣氣體。

2.4信號濾波及放大電路

由于PID光離子檢測元件輸出的電流很小，一般為nA、pA級，因此，在進行采集前，需要對輸出信號進行有效的放大及濾波，為了能更好的提取輸出信號，本設計采用兩級放大電路進行信號提取。整個信號提取過程包括低通濾波、前置放大電路、二次放大電路。為了提高測量信號的穩定性和抗干擾能力，需要選擇增益大、共模抑制比高、失調和溫漂小的運放，本文選擇AD公司的AD620。

圖3　前置放大電路

如圖3所示為PID前置放大電路，PID輸出電流信號I經電阻R6取樣，經運算放大器放大，輸出，輸出端電壓信號大小Out1=-I× R5，信號放大中會產生斬波尖峰噪聲，設計中充分利用了電阻電容組成低通濾波器減少了干擾，提高了信號穩定性，由于經前置放大電路后，輸出信號Out1仍然很小，不便于處理器采集，因此需要進行二次放大，如圖4所示，為信號二級放大電路，Out1經跟隨器輸出后進行二次放大，輸出信號Out =R10/R9×Out1 = R10×R5/R9×I，最終輸出信號Out經RC低通濾波器輸出給單片機采集。

2.5RS485通信電路設計

圖4　二級放大電路

如圖5所示為RS485通信電路，采用3.3V供電的MAX3072芯片，當MAX3072收發器的Pin6（RS-485-A線）和Pin7（RS-485-B線）接收來自RS-485總線上的數據時，通過MAX3072收發器后的數據從（RO）輸出數據到MCU的UART端口；數據發送時，MCU的UART端口輸出數據經過MAX3072收發器后從RS-485-A和RS-485-B線輸出到RS-485總線上。MAX3072工作在半雙工模式下，數據的接收和發送不能夠同時進行，所以需要/RE和DE來控制收發器的工作狀態，在設備上電后或者設備故障時，為保證設備間不出現同時占用RS-485總線的情況，通常硬件設計時默認上電后的設備狀態為接收狀態。設計中，通過三極管V1的通斷來切換RS-485的收發狀態，在485_EN使能控制端為高電平或者高阻態時，RS-485收發器處于接收狀態，485_EN使能控制端為低電平時，三極管導通收發器處于發送狀態。

RS-485在通信設備上作為遠距離數據傳輸，接口使用比較頻繁，經常帶電插拔，因此接口容易受到過電壓、過電流的沖擊，同時亦容易受到戶外雷電干擾，若不進行保護很容易將接口芯片損壞。為此，本設計中采用半導體放電管、功率電阻和雙向瞬態抑制二極管組成兩級防護。

圖5　RS485通信電路

2.6OLED液晶顯示電路

為了能更好的完成人機交互功能，本設計采用紅外遙控輸入完成輸入功能，采用OLED液晶屏作為顯示功能。顯示電路主要用來顯示傳感器的實時信息，為了兼顧低功耗和顯示醒目，顯示電路采用了維信諾科技公司生產的VGG12864G-S002 OLED顯示模塊，OLED顯示屏和LCD屏相比具有超輕薄、高亮度、廣視角、自發光、響應速度快、適應溫度范圍寬、抗震強、功耗低、可實現柔軟顯示等優越性能。ADu7060中用端口P0.6、P0.7、P1.2～P18. 作為數據口， 向OLCD寫顯示數據，P0. 0～ P0. 4分別控制液晶控制位RS、R/ W、E、/RST。在并行模式下， 從MCU寫數據到OLED屏的時序如圖6所示。從圖6中可以看出，當R/W=0、E=1時， MPU可以向顯示屏寫入數據。另外，當RS=時， 寫入的是數據 當RS=0時， 寫入的是命令。

圖6. LCD模塊并行寫數據時序圖

3　系統軟件設計

本設計采用C語言進行模塊化程序設計。主要包括初始化、遙控輸入、信號采集、數據處理、液晶顯示、RS485輸出、聲光報警及輸出控制等模塊。在信號采集處理方面采用連續采集方式；數據處理主要是將采集的AD值采用均值、中值等濾波后計算出氣體的濃度；顯示功能主要包括實時的將計算出的氣體濃度通過并行的方式寫入液晶進行顯示；輸出功能，主要是指通過RS485方式將氣體濃度值傳輸給上位機，同時判斷氣體濃度是否超限，如果超限控制聲光報警及開出口輸出。如圖7為系統軟件流程圖。

圖7　系統軟件設計流程圖

4　結論

PID光離子氣體檢測儀采用小體積、低功耗，內部集成高精度差分AD功能的單片機ADuc7060，配合相應的外圍通信、顯示、報警電路，最終實現光離子氣體檢測儀的各個功能，該檢測儀具有功耗低、測量準確、精度高等優點，在工業氣體監控報警系統及環境質量測量應用領域具有廣闊的市場前景。

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