基于PSoC的氨气浓度检测仪

方 箫 ，陈 林 ，严 赫 ，尹洪智

（1．武汉科技大学 信息科学与工程学院，武汉 430081；2．北京瑞阳恒兴科技有限公司，北京 100096）

随着现代科技的发展，气体检测装置在化工业、污泥堆肥等行业中具有很大的实用价值[1]。污泥堆肥过程中会释放氨气，既会导致氮元素流失，又会产生臭味，氨气浓度的检测能够帮助操作人员或控制设备有效地对堆体进行动态调控从而减少氨气的释放，并且减少氮素流失[2]。以往氨气浓度检测仪大多以便携式检测仪为主，不能很好地对检测环境进行实时监控，基于传统微控制器实现的氨气检测仪表，其硬件电路设计较为复杂，开发周期较长，导致研发成本较高。PSoC是片上可编程的微控制器，系统设计时能为设计者提供更加灵活的设计方法，提高系统设计的成功率和开发效率，降低开发系统的复杂性和费用，同时增强系统的可靠性和抗干扰能力[3]。

本设计选用日本FIGRO公司生产的TGS826氨气传感器作为检测元件，美国Cypress Semiconductor公司的PSoC5芯片CY8C5568AXI-06作为检测系统控制核心，完成了检测仪系统设计。

1 PSoC主要技术特点

可编程片上系统PSoC是一种基于通用IP模块，资源可配置的微控制器[4]。使用ARM公司Cortex-M3内核的PSoC5，在集成了性能优异的处理器的同时具有可动态配置的数字与模拟资源。数字部分主要有：I2C，SPI，UART，PWM 发生器等。 模拟部分主要有：运算放大器，模数转换器ADC，可编程滤波器，数模转换器DAC等，另外片上集成一块2 K的E2PROM方便数据存储[5]。

基于PSoC的仪表设计方案与传统仪表设计方案如图1所示，PSoC片上集成了可动态配置的模块如运放、A/D转换器、数字滤波器以及E2PROM等，使得硬件电路设计更加精简；运用PSoC集成的这些模拟器件来替代传统的分立器件，使其结构简单可靠、降低开发成本、缩短开发周期；并且这些片上集成的资源动态可配置，使得系统设计更加灵活。

图1 仪表传统设计方案与PSoC设计方案Fig.1 Traditional and PSoC Instrumentation design scheme

2 氨气检测仪表的系统结构

本检测仪系统结构图如图2所示，检测仪表系统主要包含如下部分：氨气传感器、电源、PSoC5微控制器、LCD显示屏、报警信号驱动电路、上位机。

图2 氨气检测仪系统结构Fig.2 Ammonia detector’s system structure

上位机通过RS485与以PSoC5为核心的测量模块相连，上位机用于接收与显示数据并负责校准仪表。测量部分由电源，氨气传感器，测量电路，LCD显示组成。PSoC主要负责传感器信号采集，运算，数据存储，通信管理，模拟量输出等工作。

2.1 传感器电路及其特性描述

本设计使用的氨气传感器典型检测区间为22.8 mg/m3~228 mg/m3（30 ppm～300 ppm），其对氨气具有高灵敏度，应用电路简单、陶瓷基底、抗环境干扰能力强等优点[6]。传感器应用基本电路如图3所示，使用的氨气传感器是一个6端传感器，其中2个加热端，其余4个端子用于接入测量电路。Vc为电阻回路输入电压，VRL为负载电阻输出电压，VH为传感器加热电压。RS是传感器感应电阻，在检测环境中RS会随着环境中氨气的变化而变化，通过检测负载电阻两端的负载电压VRL，可通过式（1）计算出当前传感器的感应电阻值RS。由于传感器在某一个恒定加热电压下能表现出最佳敏感特性，本设计中氨气传感器选用5 V电压作为传感器加热电压[6-7]。使用TPS5430作为传感器5 V加热电压VH的供电芯片，其具有带负载能力强，输出阻抗小，能够提供稳定的供电电压；电阻回路的2 V电压Vc由PSoC内部精度为8位电压数模转换器VDAC提供。

图3 氨气传感器应用电路Fig.3 Applied circuit for ammonia sensor

氨气传感器特性曲线如图4（a），横轴为气体浓度，纵轴为传感器的电阻比率RS/RO，RO为氨气浓度为 38 mg/m3（50 ppm）时传感器的感应电阻值[6]。

传感器的电阻比率与氨气浓度呈线性关系[6-7]，即：

式中：y=log10Rr为当前电阻比对数值；x=log10NH3为当前氨气含量对数值；b为常数；k=（log10Rr2-log10Rr1）/（log10NH32-log10NH31）为斜率，Rr1，Rr2为标定样点处电阻比值，NH31，NH32为标定样点处氨气浓度值。由式（2）可得当前氨气值：

式中：NH3为当前氨气值；Rr=RS/RO为电阻比。检测过程中VRL/VC与RS/RL的关系曲线如图4（b）所示，Vc和RL为固定值，在曲线两端RS/RL的比值变化对应VRL/VC比值变化区域很小，此时感应电阻RS变化值 ΔRS与采样信号 VRL变化值 ΔVRL之间比值ΔVRL/ΔRS很小，使得该区段信号分辨率低；而在RS/RL比值为1时，曲线斜率最大，RS/RL比值在1左右变化时，ΔVRL/ΔRS比值大，信号分辨率高。在检测过程中根据感应电阻值使用PSoC片上模拟开关Amux来更换负载电阻RL控制RS/RL比值在0.5～2之间，用来保证检测过程中信号的分辨率。

图4 相关特性曲线Fig.4 Related characteristic curve

2.2 片上测量电路和信号处理电路

PSoC片上测量电路设计首先要完成片内资源的设计，其次在集成开发环境中进行软件设计。其片内资源设计流程具体为：确定系统需求，选取用户模块、放置用户模块、设置全局变量和用户模块参数、定义输出引脚、产生应用代码、编辑应用代码[8]。时钟资源是PSoC的全局资源，本设计使用外部晶振作为时钟源，经过内部锁相环倍频到24 MHz后作为全局时钟资源。PSoC片上模拟电路设计如图5所示，本系统使用了PSoC5模拟部分的 ADC_1，ADC_2，VDAC8_1，模拟复用器 AMux_1以及Opamp用于电路设计当中，由于片内不存在电阻电容等器件，图中电阻和虚线连接线路均为片外电路注释，便于将采样电路设计完整的展现出来。

模拟部分资源配置，模拟部分使用的引脚均配置为模拟引脚，数模转换器VDAC8_1配置输出2 V电压作为电阻回路电压Vc，连接至放大器Opamp输入端，Opamp配置为电压跟随模式，其输出端接至逐次逼近型模数转换器ADC_1，ADC_1配置为12位连续采样模式，采样频率为1.9 MHz，参考电压为内部1.024 V，模拟信号VRL输出接至内部Delta Sigma模数转换器 ADC_2，ADC_2配置为12位连续采样模式，参考电压为内部1.024 V，采样频率为320 kHz，模拟信号复用器AMux_1通过电子开关的通断选择负载电阻RL。片上除了模拟模块的应用外还使用了通用异步通讯UART，定时器Timer，时钟Clock，E2PROM等固件资源完成了整个检测仪的设计。

图5 PSoC5芯片片上模拟电路设计图Fig.5 On-chip analog circuit design for PSoC5 chip

3 氨气浓度检测仪软件设计

PSoC的程序设计使用专用的开发环境PSoC Creator进行开发。在PSoC Creator集成编译环境下完成对模块的调用和配置。配置完成后通过编译为片上配置的资源提供多个应用程序接口（API）以及中断服务程序（ISR）。软件设计时，使用系统提供的API函数和C/C++语言完成检测仪的程序设计。

调用API实现初始化系统的一段代码如下：

…………

VDAC8_1_Start（）；//启用数模转换

ADC_1_Start（）；//启用模数转换

ADC_1_StartConvert（）；//开始转换

Opamp_1_Start（）；//启用放大器模块

…………

氨气仪表主程序流程图，如图6所示。在仪表开始工作时，先进行元件初始化，元件初始化包括：模数转换模块ADC，电压模数转换模块VDAC，放大器Opmap，时钟Clock，通用异步串行传输模块UART，定时器Timer等的初始化。元件初始化完成之后读取E2PROM中存储的数据，选择通讯波特率，预热传感器，如果检测仪标定完成则更具采样值计算当前环境氨气含量，否则显示当前传感器感应电阻值。当前氨气含量与预警值比较，若需要报警，则输出报警信号，否则将氨气浓度值显示在LCD上。

图6 氨气仪表主程序流程图Fig.6 Flowchart for ammonia instruments’main program

检测仪与上位机通讯选用的是Modbus通讯协议，如果是本机通讯地址，则进行Modbus功能码的识别，如果是检测仪能够执行的功能码则进行相应的数据处理，如果不能识别功能码则终止Modbus子程序。如果收到的本机地址和检测仪的地址不一致，判断是否需要发送当前通讯地址给上位机，如果需要发送则发送当前通讯地址，如果不需要发送则终止Modbus子程序。通过上位机软件可在系统运行过程中实时更改通讯波特率和设备通讯地址，这样做可以实现多个设备在Modbus总线上的灵活配置，这样做可以实现多个设备在Modbus总线上的灵活配置，有利于仪表一体化管理[9]。

4 实验结果

图7所示为氨气检测仪置于空气中时实际运行图，图8为使用上位机读取的氨气检测仪置于浓度为116.6 mg/m3（153.4 ppm）的氨气样气时的监测曲线。实验中检测浓度偏差小于全量程±2%，检测仪的设计满足预期设计要求。

图7 氨气浓度检测仪Fig.7 Ammonia concentration detector

图8 置于116.6 mg/m3样气中检测曲线Fig.8 Detection curve in the 116.6 mg/m3 sample gas

5 结语

基于PSoC设计的氨气检测仪，与传统的微控制器设计氨气检测仪相比，精简了设计电路，节省了开发时间和成本，设计中预留了可配置的I/O，使得产品能够在后期需要更新升级的时候更为灵活，节省再次开发的成本和开发周期。通过实验可知，用PSoC设计的氨气浓度检测仪表，能够完成系统预期设计要求，经过长时间运作该仪表能够正确显示通讯，信号输出正常，该氨气浓度仪表现已用于污泥堆肥环境中氨气浓度检测。

[1] 姚善卓，张玲玲，李友杰.氨气来源及氨气传感器应用[J].广州化工，2011，9（2）：44-46.

[2] 郑国砥，高定，陈同斌.污泥堆肥过程中氮素损失和氨气释放的动态与调控[J].中国给水排水，2009，25（11）：121-124.

[3] 郭帅，何永义.基于嵌入式PSoC的MCU选色控制器设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2004（3）：42-45，48.

[4] 徐开芸，刘兰英，金永良.PSoC在针织机械设备电气控制系统中的应用[J].制造业自动化，2010，32（10）：43-45，48.

[5] PSoC®5：CY8C55 Family Datasheet （DB/OL）.（2012-07-29）[2013-04-16].http：//www.cypress.com/?rID=37581.

[6] TGS 826-for the Detection of Ammonia （DB/OL）.[2013-4-16].http：//wenku.baidu.com/view/4630d12abcd126fff7050bc2.html.

[7] TGS 通用传感器资料 （DB/OL）.（2003-6）[2013-04-16].http：//wenku.baidu.com/view/34bd303b87c24028915fc33f.htm.

[8] 王波，杨永明，汪金刚，等.基于PSoC的无线传感器网络节点设计[J].传感技术学报，2009，22（3）：413-416.

[9] 李杰，王航.一种基于ModBus总线的通信方案探讨[J].工业仪表与自动化装置，2012（4）：101-104.