基于光譜技術多氣體檢測系統的設計*

郭瑞鵬,梁釗銘,王海濤*,孔德鎖,王雨萌,楊先明(.南京航空航天大學 自動化學院,南京 06;.煙臺富潤實業有限公司,山東 煙臺 64670)

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基于光譜技術多氣體檢測系統的設計*

郭瑞鵬1,梁釗銘1,王海濤1*,孔德鎖1,王雨萌1,楊先明2
(1.南京航空航天大學 自動化學院,南京 211106;2.煙臺富潤實業有限公司,山東 煙臺 264670)

為了實時檢測多種氣體的濃度,以紅外光譜吸收法和電化學檢測為測量原理,設計了以STM32F103為主控芯片的多氣體濃度檢測系統,對該系統所設計的方案進行介紹。檢測系統由上位機和下位機兩部分組成。下位機部分包括硬件和軟件設計,以同時兼顧性能和低功耗的設計理念實現了多氣體濃度實時檢測及顯示、超過報警閾值進行聲光報警等基本功能。下位機可以通過無線傳輸方式與上位機進行通訊。上位機基于QT平臺編寫,可以實時顯示氣體濃度曲線,便于用戶在遠端進行安全監控。在對系統性能測試后,結果表明:設計的系統檢測精度可以達到±3% FS,具有誤差小、易操作、攜帶方便、工作穩定等特點,能夠更好地保障工作人員的人身安全,同時遠程監控能力也使檢測系統具有良好的實用價值。

多氣體檢測;系統設計;實時監測;QT;無線傳輸

礦井下各種有毒氣體和易燃氣體作為煤礦開采的伴生物,特別是CO、CH4、CO2等氣體。礦井下不具備良好的通風條件[1-2],氣體含量一旦增多,容易使人出現中毒現象并引起礦井爆炸事故,會對現場施工人員生命安全造成巨大的威脅。為此,國家煤礦安全監察局制定了《煤礦安全規程》,規定礦井下施工人員必須配備氣體檢測裝置[3]。由上可知,氣體檢測系統至關重要[4-5],通過對危險氣體進行檢測,可有效解除事故隱患,保障國家的生產安全和人民的生活安全。

目前國內外氣體濃度檢測方法有很多,市面上主要檢測方法是催化接觸燃燒原理[6],但是催化接觸燃燒式傳感器存在靈敏度低,催化劑易中毒,壽命短等缺點。而紅外光譜吸收法檢測技術[7]是一種非接觸式實時監測檢測技術,具有靈敏度高、選擇性強、性能穩定、干擾小、使用壽命長等優點,在檢測易燃易爆氣體濃度方面,具有很大的優勢,近年來也得到了越來越廣泛的應用。

氣體檢測系統的應用范圍很廣,大到國防工程,小到家庭生活領域[8-9]。現階段國內市場上大多數氣體濃度檢測設備只能檢測單一氣體,部分能夠檢測多種氣體也存在靈敏度低,功能單一等缺陷[10]。所以,本課題中研制更加多功能化、精度高、且具有遠距離傳輸的多氣體濃度檢測系統對保護井下礦工生命安全有著非常重要的意義。

1 系統總體設計

1.1 傳感器檢測原理及選型

氣體濃度檢測傳感器包括有催化型、光干涉型、熱導型、電化學型和紅外吸收型[11]。表1對上述5種氣體傳感器的性能進行了比較。

表1 氣體傳感器性能比較

電化學傳感器[12]的工作電極和感應電極由一薄層電解液隔開并經由一個很小的電阻聯通外電路,當有氣體擴散進入傳感器后,在工作電極上會發生氧化或還原反應,產生電流并通過外電路流經兩個電極。該電流的大小與氣體的濃度成比例,可通過外電路的電阻進行測量。課題中檢測CO、O2、C2H2、C2H4選用的是CITY公司的電化學原理傳感器。

紅外線是一種波長介于微波和可見光之間的電磁波,它的波長范圍在760 nm～1 mm之間。紅外氣體檢測技術是利用氣體分子對紅外光具有選擇吸收特性,并有不同的特征吸收波長,檢測的氣體濃度與紅外光能量之間的變化遵守Beer-Lambert定律。通過檢測紅外光能量變化值可以確定被測氣體的濃度[13]。檢測系統中檢測CH4、CO2選用的是Dynament紅外氣體傳感器,運用非色散紅外原理檢測氣體,傳感器包括長壽命鎢紅外光源、供被測氣體擴散進入的光通道、一對經溫度補償的紅外原理熱電交換檢測元件、半導體溫度傳感器和處理熱電交換檢測器信號的電子電路。

1.2 技術指標與功能

可燃性混合物有一個發生燃燒和爆炸的濃度范圍,即有一個最低濃度和最高濃度,混合物中的可燃物只有在其范圍內才會有燃爆危險。爆炸下限越低,可燃氣體稍有含量就會形成爆炸條件[14];爆炸上限越高,則有少量空氣滲入,就能與可燃物混合形成爆炸條件。表2所示是系統檢測氣體的爆炸極限。

表2 氣體的爆炸極限

根據上述氣體的爆炸極限范圍,經過大量的調研和實際考慮,課題采用的多種氣體傳感器的檢測參數如表3所示。

表3 氣體傳感器參數

設計的多氣體濃度檢測系統取代了采用多個單氣體傳感器對目標環境氣體濃度進行檢測。其基本功能指標如下:①能同時連續檢測6種氣體(CH4、CO2、CO、O2、C2H2、C2H4)濃度和環境溫濕度并進行顯示;②檢測系統可對日期時間、報警閾值進行設定和調整,同時采用低功耗設計思路進行節能顯示;③具有濃度超過報警閾值進行聲光報警、電源電量監測和顯示、電池欠壓報警等功能;④系統可對每種傳感器進行零點標定;⑤檢測數據通過無線傳輸與終端進行通訊;⑥通過上位機可以對系統參數進行設置并且可以對檢測數據進行分析。

1.3 系統整體設計

多氣體濃度檢測系統主要由電源模塊、傳感器檢測模塊、信號調理模塊、采集模塊、單片機控制模塊、顯示模塊、報警模塊、無線傳輸模塊和上位機組成。檢測系統工作過程如圖1所示,通過對6種氣體敏感的傳感器將與氣體種類和濃度有關的信息轉換成電信號,經過信號調理模塊得到穩定的電壓信號,再進行A/D轉換為數字信號,信號經過在MCU中濾波、運算采集后,將檢測到的濃度值、溫濕度值、電池電量等參數進行顯示和數據傳輸。若檢測到的參數值超過用戶自行設置的報警閾值,單片機可以通過聲光報警電路產生聲光報警。用戶還可以通過按鍵電路進行時間等參數的調整,利用無線傳輸模塊進行與上位機之間的數據信息傳輸。

圖1 系統結構框圖

2 系統硬件設計

2.1 主控制器

課題綜合考慮了市面上單片機的性能、成本、功耗,主控制器采用意法半導體公司生產的32位STM32F103單片機,是同類產品中性價比較高的產品。

STM32F103系列是一款性能優越、資源豐富的微處理器[15],采用的是ARMv7-M架構的Cortex-M3 32位的RISC內核,擁有最高可達到72 MHz的工作頻率,內部有高達20 kbyte的SRAM和128 kbyte的Flash,便于在線進行調試和下載,若存儲空間不足,還可以外擴存儲器。處理器在2.0 V～3.6 V供電范圍內都可以正常工作,工作溫度適用于-40 ℃至+85 ℃。此外它的片上外圍模塊資源非常豐富,包含有一個PWM定時器、兩個12位的ADC和3個通用16位定時器,還有種類多樣的通信接口:多達兩個I2C和SPI、3個USART、一個USB和一個CAN。課題中設計的多氣體濃度檢測儀使用微處理器的ADC模塊進行模數轉換、I2C接口實現溫濕度檢測、USART串口實現與上位機之間的有線通訊與無線數據傳輸。

檢測系統的主芯片STM32F103VBT6是一款可靠性能好、低功耗的單片機,適用于鋰電池供電的便攜儀表,可以在睡眠、停機和待機的一系列省電模式下工作,滿足了檢測系統低功耗應用的需求。

2.2 電源模塊

在電源模塊設計中,采用可充電鋰電池作為儀器供電電源,鋰電池的容量為3 500 mA·h,額定電壓是7.4 V。鋰電池電路設計中包括對鋰電池組進行過充電、過放電、短路等保護措施。

多氣體濃度檢測系統需要5 V和3.3 V兩種不同的供電電壓。由于供電鋰電池能量有限,為了使硬件電路功耗降低、性能穩定,優先選用低功耗穩壓芯片。檢測系統工作狀態下,CO2、CH4等傳感器的工作電壓為5 V。電源模塊使用DC-DC轉換電路將鋰電池的7.4 V穩定在5 V,提供給傳感器和芯片供電,此設計可以使鋰電池壽命得到延長。電路設計如圖2所示。

STM32F103系列單片機的供電電壓為2.0 V～3.6 V,為了給系統的電壓更穩定,采用了穩壓芯片。通過AMS1117-3.3將5 V電壓轉換為3.3 V,供MCU和外圍模塊使用。電路設計如圖3所示,包括濾波環節。

2.3 信號調理模塊

為了使所設計的檢測系統能夠達到所要求的技術指標,而且使系統更加可靠、抗干擾能力更強。在查閱相關資料后,經過不斷調試,設計出了每個傳感器相應的調理電路。通常將傳感器信號轉換為標準電壓信號,以作為數據采集系統可識別的輸入信號,這就需要信號調理電路來實現這些功能,下面主要介紹電化學傳感器的信號調理電路。

2.3.1 O2調理電路

O2氣體傳感器采用的是CITY公司生產的兩電極電化學傳感器。它具有體積小、功耗低等優點,適用于礦業、環保等領域。當有O2擴散進入傳感器后,在工作電極表面進行反應,產生與氣體濃度成比例的微弱電流。如圖4所示是設計出的O2調理放大電路。采用高精度單電源供電、軌對軌運算放大芯片AD8606。O2傳感器在空氣中的輸出為0～0.14 mA,經過對調理電路進行調試和檢測,其輸出電壓范圍在0～2.8 V之間。

圖2 DC-DC轉換電路

圖3 電壓轉換電路

圖4 O2調理電路

2.3.2 CO調理電路

CO傳感器選用CITY公司生產的三電極電化學傳感器。在兩電極傳感器基礎上引入了第3個電極,即參考電極。它具有比兩電極傳感器測量精度更準確、結果更穩定的優勢。設計出的CO調理放大電路如圖5所示。放大芯片TLC2274具有高輸入阻抗和低噪聲等特性,是傳感器應用場合的理想器件。CO傳感器在空氣中的輸出為(70±15)nA/ppm,經過調理電路的輸出信號測試,輸出電壓范圍為0～3 V。

圖5 CO調理電路

2.4 液晶顯示模塊

為了使多氣體濃度檢測系統更好的具有人際交互界面,實時的顯示6種氣體濃度、當前環境溫濕度、電池電量狀態和報警狀態等信息。本系統采用2.8 inch TFT液晶顯示屏,它通過ILI9320芯片進行驅動。顯示屏工作電壓為3.3 V,工作溫度為-40 ℃～+85 ℃,可視區域為43.2 mm(W)×57.6 mm(H)。系統將經MCU處理后的顯示信息通過TFT液晶屏顯示出來。TFT液晶顯示電路如圖6所示。

圖6 TFT屏連接電路圖

2.5 聲光報警模塊

檢測系統設計了聲光報警電路,當系統檢測到的6種氣體實測值超過了設定的6種氣體相對應的報警閾值,檢測系統會進行燈光報警并且伴隨著蜂鳴聲,可以提前預防事故的發生。

設計的報警系統中使用LED燈和蜂鳴器實現報警功能,其中蜂鳴報警電路如圖7所示。

圖7 蜂鳴報警電路

2.6 無線數據傳輸模塊

為了使多氣體濃度檢測系統可以實現礦井下和井上的數據傳輸,采用了基于SX1278的低功耗傳輸模塊,設計了無線收發電路實現了檢測數據的無線傳輸。

無線模塊工作電壓為3.3 V,其工作通用頻段介于410 MHz～441 MHz,模塊基于LORA直序擴頻技術,將傳輸距離得到了較大的提升。其可設置模式有:一般模式、喚醒模式、省點模式、休眠模式,提供UART串口接口,能和任何單片機之間進行通信。此外,它可作為中繼節點,具備抗干擾能力強的優勢。其處于工作狀態時,消耗電流僅幾十μA,功耗非常低,非常適用于本檢測系統。

圖8 無線模塊內部示意圖

工作原理:SX1278屬于半雙工收發器,在接收和發送數據時要進行模式切換。在發送數據包時,先初始化SX1278,使它進入發送狀態,通過串行外設接口將要發送的數據寫入SX1278的隊列中,當需要發送的數據寫完后,SX1278自動完成發射。采用中斷方式來接收數據時,如果SX1278接收到數據,數據會保存在隊列中,當接收完畢后會進行CRC校驗,如果校驗通過,SX1278會在DIO0端口執行相應指令。SX1278提供的DIO0數字端口可以讀取收發狀態,起到提示數據接收和發送完畢的作用。示意圖如圖8所示。

3 測量實驗與結果

系統軟件部分包括基于C語言編寫的下位機程序設計和基于QT平臺開發的上位機程序設計。下位機程序設計思路是模塊化設計,在系統運行時,分層調用功能模塊和中斷模塊。功能模塊包括:液晶顯示模塊、按鍵模塊、串口通信模塊、報警模塊。

3.1 主程序設計

主程序主要完成檢測系統上電初始化、 數據采集與處理、各部分模塊的循環調用等。

圖9為主程序流程圖。系統上電后,進行初始化并顯示開機畫面,隨后正常進入數據采集與顯示模式,調用按鍵查詢處理程序,可以進入參數設置界面或低功耗模式完成相應的操作。

圖9 主程序流程圖

3.2 數據采集與處理程序設計

系統在實際環境中采集數據,環境中的一些干擾噪聲會使數據出現異常,為了使檢測得到的數據更加準確和可靠,在ADC采集程序中加入了算數平均值濾波處理,利用ADC模塊分別將六路傳感器信號連續掃描采集30次,求出平均值,以待檢測系統進一步處理。

3.3 上位機軟件設計

本文基于QT平臺設計了上位機軟件。主界面如圖10所示,通過該軟件可以實現更多的功能,便于多氣體濃度檢測系統配置和觀察。

圖10 上位機界面

該軟件主界面主要由串口使能面板、串口通信參數配置面板、氣體濃度報警閾值設置面板、實時濃度曲線顯示面板等部分組成,提供直觀的顯示。氣體濃度報警閾值設置面板用于6種氣體報警閾值和時間的設置,當系統檢測到的氣體濃度值高于所設定的閾值時,面板上的紅色報警指示會點亮,從而引起作業人員注意。通過實時數據顯示面板,工作人員可以觀察到各氣體實時濃度值。用戶從實時濃度曲線圖可得出各氣體濃度值隨時間變化的趨勢。此外工程人員還可以使用圖形處理工具對曲線圖進行處理,便于查看和分析。

4 試驗與分析

4.1 試驗平臺

整個硬件檢測系統搭建完成后,在實驗之前,對每個傳感器先僅通入純氮氣,直到開機后檢測到的每種氣體讀數穩定不變,給傳感器校零,然后通過流量計閥門控制氣體的流速,保證被檢濃度氣體與傳感器充分接觸,通過顯示屏顯示檢測到的氣體濃度值。

通過設計的硬件平臺對每種氣體特定的濃度進行了檢測,檢測示意圖如圖11所示。

圖11 系統檢測示意圖

4.2 試驗結果及分析

在試驗部分,對多氣體濃度檢測系統的可用性、準確性進行了測試,首先,利用MATLAB軟件對采集到的各氣體濃度和其對應電壓數據采用二次函數進行擬合得出兩者之間的關系。利用此修正函數處理傳感器輸出信號,使檢測系統的精度得到很大提升。其次,將經國家計量部門考核認證單位提供的氣樣注入檢測系統中,對系統檢測結果誤差和傳感器響應時間進行了測試,試驗檢測結果如表4所示。

表4 試驗檢測結果

試驗結果表明:基于紅外吸收和電化學原理的多氣體濃度檢測系統,可燃氣體檢測結果誤差滿足國家標準的±5% FS以內,精度可以達到±3% FS,其測量范圍、響應時間等參數和功能均滿足開發要求的技術指標。

5 結論

本研究設計的多氣體濃度檢測系統,采用高性能低功耗的處理器和性能優越的傳感器,檢測精度可達到±3% FS,具有操作方便、工作穩定等優點,達到了預期效果。檢測系統實現了6種氣體濃度實時檢測,并且完成了濃度值等多參數的存儲、顯示、無線傳輸等功能。工作人員通過上位機可以更及時的發現隱患,減少事故的發生,使人員生命安全得到了雙重保障,具有顯著的經濟和社會效益。

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郭瑞鵬(1981),女,河南人,博士,南京航空航天大學自動化學院測試系講師,主要從事檢測儀表、激光超聲檢測技術、無損檢測技術的研究,rpguo@nuaa.edu.cn;

梁釗銘(1990-),男,山西呂梁人,研究生,2014年于中北大學獲得學士學位,現為南京航空航天大學在讀研究生,主要從事檢測儀表、工業自動化裝置方面,xyslzm@163.com

王海濤(1968-),男,江蘇溧陽人,教授,2002年6月于中科院獲得博士學位,主要從事電磁、超聲、激光超聲檢測技術、無損檢測技術的研究,htwang2002@126.com;

孔德鎖(1992-),男,安徽宣城人,研究生,2014年于江蘇大學獲得學士學位,,現為南京航空航天大學自動化學院研究生,主要從事機器視覺及自動控制方面的研究,desuo_kong1992@163.com。

Development of Multi Gas Detection System Based on Spectrum Technology*

GUO Ruipeng1,LIANG Zhaoming1,WANG Haitao1*,KONG Desuo1,WANG Yumeng1,YANG Xianming2
(1.College of Automation Engineering Nanjing Univ. of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 211106,China;2.Yantai Furun Industrial Company with Limited Liability,Yantai Shandong 264670,China)

In order to detect the concentrations of various gases in real time,based on the principles of measurement of infrared absorption spectroscopy and electrochemical detection,STM32F103 as the main control chip of a multi-gas concentration detection system is designed. The design scheme of the system is introduced as followed. The detecting system is composed of two parts,that is the upper monitor and the lower computer. The lower computer includes hardware and software designs,realizing some basic functions such as the real-time detection of multi-gas concentration and display,over the alarm threshold for sound-light alarm and so on,with the design idea of both high performance and low power consumption. The lower computer communicates with the upper monitor through the wireless transmission mode. The upper monitor based on QT platform to program,displays the concentration curves in real time and is convenient for users to monitor security in the remote. After the system performance test,results show that the accuracy with ±3% FS of this detection system can be reached. Besides,the system has a little error,is easy to operate and carry,works stably and can secure personal better.Meanwhile,remote monitoring capability also makes detection system have good practical value.

multi gas detection;system design;real-time monitoring;QT;wireless transmission

項目來源:國家安監局關鍵技術項目(SD0143-2014AQ);江蘇省研究生培養創新工程-中央高校基本科研業務專項資金項目(SJZZ15_0039);江蘇省重點研發(社會發展)項目(BE2015725);國家質量監督檢驗檢疫總局公益性行業科研專項(2015424068)

2016-09-27 修改日期:2016-11-02

TP23

A

1004-1699(2017)04-0628-07

C:1200;2575;7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.04.025