基于I2C总线的火灾烟气流速数据采集系统开发

赵望达 ,李卫高 ,陈火炬韩柯柯

(1.中南大学 土木工程学院,湖南 长沙,410075; 2.中南大学 重载铁路工程结构教育部重点实验室,湖南长沙,410075)

火灾事故中 85%以上的伤亡原因均来自于火灾烟气的高温、毒性及遮光性能。烟气流速在烟气的蔓延过程中是一个重要的状态参数,通过烟气流速的测量,可以分析出火灾时烟气的蔓延方向和扩散程度,方便得到相关的烟气控制参数(比如临界风速),为进行烟气控制提供数据支撑[1]。压差法测流速是当今流速测量方法中最常用的方法之一,已有学者将其应用到火灾烟气流速测试中[2]。传统数据采集系统模块较多,不便于携带及接线,且稳定性不好[3–4]。I2C(inter-intergrated circuit)接口技术是PHILIPS公司推出的芯片间串行传输总线,以2根连线实现了全双工同步数据采集。该技术克服了传统串行通讯的传输速率低以及并行通讯的接线复杂的难题,自从推出之后得到了快速的发展[5–6]。本文结合I2C总线技术,采用Sensirion公司推出的SDP600系列微压差传感器,设计了一套基于I2C总线的火灾烟气流速数据采集系统(I2C-fire smoke velocity data acquisition system,以下简称I2C-FSVDAS),并应用于火灾烟气模型试验中。

1 系统总体构架

图1 I2C-FSVDAS硬件结构图

I2C-FSVDAS主要由数据采集模块(传感器)、数据预处理模块(单片机)、通讯模块、转换模块、信息存储及显示模块(计算机)组成(图1)。与传统采集系统相比,该系统可节省很多外围模块,简化了接线,便于采集系统集成于一块电路板上[7]。采用I2C总线接口可以简化电路设计,节省很多常规电路中的接口器件和I/O口线,提高设计的可靠性。该系统中计算机与单片机之间、单片机与传感器之间通讯均使用总线技术,并采用双重星型拓扑结构,实现了单台计算机可以同时控制数十台传感器[8–9]。总之,I2C-FSVDAS与传统采集系统相比实现了系统体积微型化,采集、处理数据的扩大化,并且具有高度稳定性。

2 硬件电路及接口

2.1 SDP600系列微压差传感器

SDP600系列微压差传感器是第一款新型的、数字输出的、动态测量的压差传感器,具有 ±500,±125,±50,±25 Pa等多种量程可供用户根据需要选用。本采集系统选用 ±50,±25 Pa两种量程的传感器。与传统膜片式传感器比较,该系列传感器具有如下特点:

(1)具有较宽的量程范围,长期使用的稳定性,在趋于零点的低量程段也具有较高的精度。该系列传感器最大可以覆盖的量程为±500 Pa,即使对于很小的压差测量(＜10 Pa)也能保证极高的灵敏度和精度。

(2)采用动态测量原理进行测量,其内部的流量测量装置是通过一个热式传感器元件测量流通的气体流量实现的,信号已经过内部的线性化处理和温度补偿。

(3)基于Sensirion的专利技术CMOSens®传感器技术,将传感器元件、信号处理和数字标定集成于一个微芯片。

(4)提供 I2C数字接口,工作电压为3.3 V,两线制数字接口,极易与单片机相连。其信号通讯方式如图2所示,其中Lo端口接毕托管静压端,Hi端口接毕托管全压端,Vdd为漏极引脚,VDD电源引脚,GND接地引脚。

图2 SDP600系列微压差传感器的双向数据通讯(I2C bus)

2.2 I2C数字接口总线模块

I2C总线是一种单端、多主控双线总线,分别为串行数据线SDA和串行时钟线SCL,适合在全双工模式下进行高效的内部集成电路通信。I2C通信采用7位地址空间(具有16个预留地址),因此在同一总线上,理论上最多可以和 112个节点通信。但实际上,节点数会受到总线上规定的总体总电容(不加驱动时为400 pF)限制,从而将通信距离限制为几米。规定的信号传输速率为100 kbit/s(标准模式),400 kbit/s(快速模式),1 Mbit/s(快速模式Plus,FM+)和3.4 Mbit/s(高速模式),因此可以实现采集数据的快速传输。数据传输格式:在I2C协议中,数据以字节为单位传输,即8 bit格式。每个字节跟随一个应答位。先传高位(MSB)数据。数据传输顺序的初始化由主机生成启动条件(S)发送一个头字节。I2C头字节包含7 bit I2C设备地址和数据读/写的指导位(R/_W)。头字节R/_W位(读/写)的值决定余下数据的传输序列的方向。如果R/_W=0(写)余下数据的方向为主机到从机,而如果R/_W=1(读)头字节后的方向改变为从机到主机,其数据传输时序见图3。

图3 I2C数据传输时序图

2.3 单片机模块

STC12LE5A60S2单片机是宏晶科技生产的抗干扰、低电压、高性能的单片机,增强型单时钟/机器周期(1T)8051CPU,指令代码完全兼容传统8051,拥有1 280 B内部RAM和60 kB的Flash、1 kB的EEPROM、内部集成MAX810专用复位电路、8路高速A/D转换、2个独立串行口、多种省电模式。该处理器的低功耗、高速性能非常适合便携式采集装置开发的需要[10]。STC12LE5A60S2单片机是高速的8051,其程序代码快速执行的优势便于实现大量传感器同时采集。正是由于该处理器的诸多优点,为嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。本开发系统的采集仪采用 STC12LE5A60S2单片机为主控单元,通过植入I2C程序软件实现单片机与SDP600系列传感器之间的通讯(图4)。

图4 STC12LE5A60S2接口电路图

3 I2C总线数据采集软件流程

采用单片机通用I/O接口P0.5和P0.6来分别作为SDA数据线端和SCL时钟线端与I2C串行总线的通讯,构成I2C总线数据传输系统,I2C-FSVDAS读取烟气流速软件流程图如图5所示。

图5 数据采集流程图

4 数据处理

4.1 压差计算

单片机从传感器读出的标准信号是一个带符号的整型数。这个整型数除以量程系数即得到压差值。由于计算机数据一般采用补码形式保存,单片机程序中采用十六进制保存,应将十六进制数转化为二进制数,若最高位(符号位)为0,表示该数为正数; 若最高位为1,表示该数为负数。再按补码规则转换成二进制数,最后再转化成十进制数。

温度补偿:SDP600系列传感器系列具有数字的温度补偿功能,无须外部的温度补偿。

海拔高度补偿:SDP600系列传感器系列由于使用动态的测量原理而具有无可比拟的优越性能,所应用的压差传感器需要一股微小的流量通过传感器用于测量。因此,任何气体密度的不同都会影响到传感器的读数。而温度影响已经在内部被补偿,大气压力的不同(即海拔高度的不同)可以通过以下公式的修正系数补偿:

式中:Peff为修正后的压差; Pcal为标定时的绝对压力(966 mbar); Pamb为实际的环境压力; R为传感器输出的整型数; α为量程系数,取60 Pa-1。

4.2 流速计算

火灾烟气可以看作理想的不可压缩流体。根据标准大气压状态方程,可以得到烟气温度与烟气密度乘积为定值,然后根据常温下空气的参数及烟气温度求得烟气密度。根据不可压缩流体伯努利方程可得烟气流速的计算公式[11]:

其中:v为烟气流速; T0=293 K; T为烟气温度; ρ0为常温下控制密度,取1.205 kg/m3。

5 结论

(1)提出了一种采用双重星型拓扑结构,适合低速高温烟气流速测试的多通道分布智能采集系统(I2C-FSVDAS)。系统组合I2C和RS485双总线技术,实现了数十个传感器的同步数据采集。

(2)设计出了基于STC12LE5A60S2单片机与SDP600系列传感器的总体硬件结构及电路图,开发出了I2C–FSVDAS火灾烟气流速数据采集软件,推导出了火灾烟气流速的计算公式。

(3)该采集系统已成功应用于针对高速铁路隧道、高速公路隧道、城市道路与轨道交通同管合建隧道等重大项目的火灾模拟实验的烟气流速数据采集,为火灾烟气流速测试提供了一种新型、高效、实用的数据采集平台。

[1]黄锐,杨立中,方伟峰,等.火灾烟气危害性研究及其进展[J].中国工程科学,2002,4(7):80–85.

[2]张青岚,兰彬,张文良,等.浅论火灾烟气流速的测试方法[J].消防科学与技术,2004,23(3):210–212.

[3]李开源,胡隆华,李元洲,等.靶式流量计在火灾烟气流速测量中的应用[J].火灾科学,2007,16(4):201–207.

[4]Mccaffrey B J,Heskestad G.A robust bidirectional low velocity probe for flame and fire application [J].Combustion and Flame,1976(1):51–55.

[5]陈志辉.I2C总线在MCS51系列单片机数据采集系统中的实现[J].微计算机信息,2005,21(1):67–68.

[6]艾红,历虹.基于I2C总线的存储器研究与分布式测温系统应用[J].制造业自动化,2008,30(9):8–11.

[7]许文斌,曾全胜.单片机实时数据采集系统设计[J].机械与电子,2009(5):56–58.

[8]谭树明,张波,王克家.RS485-USB转换器的设计与应用[J].应用科技,2004,31(2):27–29.

[9]田拥军,赵光强,曾健平.基于RS485总线技术的PC机与单片机多机通讯设计[J].湖南工程学院学报:自然科学版,2007,17(1):19–22.

[10]赵望达,李卫高,丁文婷,等.一种基于MSP430F169的消防队员灭火环境监控装置[J].铁道科学与工程学报,2013,10(3):103–107.

[11]陈燕黎.伯努利方程的原理及运用浅析[J].漯河职业技术学院学报,2012,11(2):86–88.