基于光谱技术多气体检测系统的设计*

郭瑞鹏,梁钊铭,王海涛*,孔德锁,王雨萌,杨先明(.南京航空航天大学 自动化学院,南京 06;.烟台富润实业有限公司,山东 烟台 64670)



基于光谱技术多气体检测系统的设计*

郭瑞鹏1,梁钊铭1,王海涛1*,孔德锁1,王雨萌1,杨先明2
(1.南京航空航天大学 自动化学院,南京 211106;2.烟台富润实业有限公司,山东 烟台 264670)

为了实时检测多种气体的浓度,以红外光谱吸收法和电化学检测为测量原理,设计了以STM32F103为主控芯片的多气体浓度检测系统,对该系统所设计的方案进行介绍。检测系统由上位机和下位机两部分组成。下位机部分包括硬件和软件设计,以同时兼顾性能和低功耗的设计理念实现了多气体浓度实时检测及显示、超过报警阈值进行声光报警等基本功能。下位机可以通过无线传输方式与上位机进行通讯。上位机基于QT平台编写,可以实时显示气体浓度曲线,便于用户在远端进行安全监控。在对系统性能测试后,结果表明:设计的系统检测精度可以达到±3% FS,具有误差小、易操作、携带方便、工作稳定等特点,能够更好地保障工作人员的人身安全,同时远程监控能力也使检测系统具有良好的实用价值。

多气体检测;系统设计;实时监测;QT;无线传输

矿井下各种有毒气体和易燃气体作为煤矿开采的伴生物,特别是CO、CH4、CO2等气体。矿井下不具备良好的通风条件[1-2],气体含量一旦增多,容易使人出现中毒现象并引起矿井爆炸事故,会对现场施工人员生命安全造成巨大的威胁。为此,国家煤矿安全监察局制定了《煤矿安全规程》,规定矿井下施工人员必须配备气体检测装置[3]。由上可知,气体检测系统至关重要[4-5],通过对危险气体进行检测,可有效解除事故隐患,保障国家的生产安全和人民的生活安全。

目前国内外气体浓度检测方法有很多,市面上主要检测方法是催化接触燃烧原理[6],但是催化接触燃烧式传感器存在灵敏度低,催化剂易中毒,寿命短等缺点。而红外光谱吸收法检测技术[7]是一种非接触式实时监测检测技术,具有灵敏度高、选择性强、性能稳定、干扰小、使用寿命长等优点,在检测易燃易爆气体浓度方面,具有很大的优势,近年来也得到了越来越广泛的应用。

气体检测系统的应用范围很广,大到国防工程,小到家庭生活领域[8-9]。现阶段国内市场上大多数气体浓度检测设备只能检测单一气体,部分能够检测多种气体也存在灵敏度低,功能单一等缺陷[10]。所以,本课题中研制更加多功能化、精度高、且具有远距离传输的多气体浓度检测系统对保护井下矿工生命安全有着非常重要的意义。

1 系统总体设计

1.1 传感器检测原理及选型

气体浓度检测传感器包括有催化型、光干涉型、热导型、电化学型和红外吸收型[11]。表1对上述5种气体传感器的性能进行了比较。

表1 气体传感器性能比较

电化学传感器[12]的工作电极和感应电极由一薄层电解液隔开并经由一个很小的电阻联通外电路,当有气体扩散进入传感器后,在工作电极上会发生氧化或还原反应,产生电流并通过外电路流经两个电极。该电流的大小与气体的浓度成比例,可通过外电路的电阻进行测量。课题中检测CO、O2、C2H2、C2H4选用的是CITY公司的电化学原理传感器。

红外线是一种波长介于微波和可见光之间的电磁波,它的波长范围在760 nm～1 mm之间。红外气体检测技术是利用气体分子对红外光具有选择吸收特性,并有不同的特征吸收波长,检测的气体浓度与红外光能量之间的变化遵守Beer-Lambert定律。通过检测红外光能量变化值可以确定被测气体的浓度[13]。检测系统中检测CH4、CO2选用的是Dynament红外气体传感器,运用非色散红外原理检测气体,传感器包括长寿命钨红外光源、供被测气体扩散进入的光通道、一对经温度补偿的红外原理热电交换检测元件、半导体温度传感器和处理热电交换检测器信号的电子电路。

1.2 技术指标与功能

可燃性混合物有一个发生燃烧和爆炸的浓度范围,即有一个最低浓度和最高浓度,混合物中的可燃物只有在其范围内才会有燃爆危险。爆炸下限越低,可燃气体稍有含量就会形成爆炸条件[14];爆炸上限越高,则有少量空气渗入,就能与可燃物混合形成爆炸条件。表2所示是系统检测气体的爆炸极限。

表2 气体的爆炸极限

根据上述气体的爆炸极限范围,经过大量的调研和实际考虑,课题采用的多种气体传感器的检测参数如表3所示。

表3 气体传感器参数

设计的多气体浓度检测系统取代了采用多个单气体传感器对目标环境气体浓度进行检测。其基本功能指标如下:①能同时连续检测6种气体(CH4、CO2、CO、O2、C2H2、C2H4)浓度和环境温湿度并进行显示;②检测系统可对日期时间、报警阈值进行设定和调整,同时采用低功耗设计思路进行节能显示;③具有浓度超过报警阈值进行声光报警、电源电量监测和显示、电池欠压报警等功能;④系统可对每种传感器进行零点标定;⑤检测数据通过无线传输与终端进行通讯;⑥通过上位机可以对系统参数进行设置并且可以对检测数据进行分析。

1.3 系统整体设计

多气体浓度检测系统主要由电源模块、传感器检测模块、信号调理模块、采集模块、单片机控制模块、显示模块、报警模块、无线传输模块和上位机组成。检测系统工作过程如图1所示,通过对6种气体敏感的传感器将与气体种类和浓度有关的信息转换成电信号,经过信号调理模块得到稳定的电压信号,再进行A/D转换为数字信号,信号经过在MCU中滤波、运算采集后,将检测到的浓度值、温湿度值、电池电量等参数进行显示和数据传输。若检测到的参数值超过用户自行设置的报警阈值,单片机可以通过声光报警电路产生声光报警。用户还可以通过按键电路进行时间等参数的调整,利用无线传输模块进行与上位机之间的数据信息传输。

图1 系统结构框图

2 系统硬件设计

2.1 主控制器

课题综合考虑了市面上单片机的性能、成本、功耗,主控制器采用意法半导体公司生产的32位STM32F103单片机,是同类产品中性价比较高的产品。

STM32F103系列是一款性能优越、资源丰富的微处理器[15],采用的是ARMv7-M架构的Cortex-M3 32位的RISC内核,拥有最高可达到72 MHz的工作频率,内部有高达20 kbyte的SRAM和128 kbyte的Flash,便于在线进行调试和下载,若存储空间不足,还可以外扩存储器。处理器在2.0 V～3.6 V供电范围内都可以正常工作,工作温度适用于-40 ℃至+85 ℃。此外它的片上外围模块资源非常丰富,包含有一个PWM定时器、两个12位的ADC和3个通用16位定时器,还有种类多样的通信接口:多达两个I2C和SPI、3个USART、一个USB和一个CAN。课题中设计的多气体浓度检测仪使用微处理器的ADC模块进行模数转换、I2C接口实现温湿度检测、USART串口实现与上位机之间的有线通讯与无线数据传输。

检测系统的主芯片STM32F103VBT6是一款可靠性能好、低功耗的单片机,适用于锂电池供电的便携仪表,可以在睡眠、停机和待机的一系列省电模式下工作,满足了检测系统低功耗应用的需求。

2.2 电源模块

在电源模块设计中,采用可充电锂电池作为仪器供电电源,锂电池的容量为3 500 mA·h,额定电压是7.4 V。锂电池电路设计中包括对锂电池组进行过充电、过放电、短路等保护措施。

多气体浓度检测系统需要5 V和3.3 V两种不同的供电电压。由于供电锂电池能量有限,为了使硬件电路功耗降低、性能稳定,优先选用低功耗稳压芯片。检测系统工作状态下,CO2、CH4等传感器的工作电压为5 V。电源模块使用DC-DC转换电路将锂电池的7.4 V稳定在5 V,提供给传感器和芯片供电,此设计可以使锂电池寿命得到延长。电路设计如图2所示。

STM32F103系列单片机的供电电压为2.0 V～3.6 V,为了给系统的电压更稳定,采用了稳压芯片。通过AMS1117-3.3将5 V电压转换为3.3 V,供MCU和外围模块使用。电路设计如图3所示,包括滤波环节。

2.3 信号调理模块

为了使所设计的检测系统能够达到所要求的技术指标,而且使系统更加可靠、抗干扰能力更强。在查阅相关资料后,经过不断调试,设计出了每个传感器相应的调理电路。通常将传感器信号转换为标准电压信号,以作为数据采集系统可识别的输入信号,这就需要信号调理电路来实现这些功能,下面主要介绍电化学传感器的信号调理电路。

2.3.1 O2调理电路

O2气体传感器采用的是CITY公司生产的两电极电化学传感器。它具有体积小、功耗低等优点,适用于矿业、环保等领域。当有O2扩散进入传感器后,在工作电极表面进行反应,产生与气体浓度成比例的微弱电流。如图4所示是设计出的O2调理放大电路。采用高精度单电源供电、轨对轨运算放大芯片AD8606。O2传感器在空气中的输出为0～0.14 mA,经过对调理电路进行调试和检测,其输出电压范围在0～2.8 V之间。

图2 DC-DC转换电路

图3 电压转换电路

图4 O2调理电路

2.3.2 CO调理电路

CO传感器选用CITY公司生产的三电极电化学传感器。在两电极传感器基础上引入了第3个电极,即参考电极。它具有比两电极传感器测量精度更准确、结果更稳定的优势。设计出的CO调理放大电路如图5所示。放大芯片TLC2274具有高输入阻抗和低噪声等特性,是传感器应用场合的理想器件。CO传感器在空气中的输出为(70±15)nA/ppm,经过调理电路的输出信号测试,输出电压范围为0～3 V。

图5 CO调理电路

2.4 液晶显示模块

为了使多气体浓度检测系统更好的具有人际交互界面,实时的显示6种气体浓度、当前环境温湿度、电池电量状态和报警状态等信息。本系统采用2.8 inch TFT液晶显示屏,它通过ILI9320芯片进行驱动。显示屏工作电压为3.3 V,工作温度为-40 ℃～+85 ℃,可视区域为43.2 mm(W)×57.6 mm(H)。系统将经MCU处理后的显示信息通过TFT液晶屏显示出来。TFT液晶显示电路如图6所示。

图6 TFT屏连接电路图

2.5 声光报警模块

检测系统设计了声光报警电路,当系统检测到的6种气体实测值超过了设定的6种气体相对应的报警阈值,检测系统会进行灯光报警并且伴随着蜂鸣声,可以提前预防事故的发生。

设计的报警系统中使用LED灯和蜂鸣器实现报警功能,其中蜂鸣报警电路如图7所示。

图7 蜂鸣报警电路

2.6 无线数据传输模块

为了使多气体浓度检测系统可以实现矿井下和井上的数据传输,采用了基于SX1278的低功耗传输模块,设计了无线收发电路实现了检测数据的无线传输。

无线模块工作电压为3.3 V,其工作通用频段介于410 MHz～441 MHz,模块基于LORA直序扩频技术,将传输距离得到了较大的提升。其可设置模式有:一般模式、唤醒模式、省点模式、休眠模式,提供UART串口接口,能和任何单片机之间进行通信。此外,它可作为中继节点,具备抗干扰能力强的优势。其处于工作状态时,消耗电流仅几十μA,功耗非常低,非常适用于本检测系统。

图8 无线模块内部示意图

工作原理:SX1278属于半双工收发器,在接收和发送数据时要进行模式切换。在发送数据包时,先初始化SX1278,使它进入发送状态,通过串行外设接口将要发送的数据写入SX1278的队列中,当需要发送的数据写完后,SX1278自动完成发射。采用中断方式来接收数据时,如果SX1278接收到数据,数据会保存在队列中,当接收完毕后会进行CRC校验,如果校验通过,SX1278会在DIO0端口执行相应指令。SX1278提供的DIO0数字端口可以读取收发状态,起到提示数据接收和发送完毕的作用。示意图如图8所示。

3 测量实验与结果

系统软件部分包括基于C语言编写的下位机程序设计和基于QT平台开发的上位机程序设计。下位机程序设计思路是模块化设计,在系统运行时,分层调用功能模块和中断模块。功能模块包括:液晶显示模块、按键模块、串口通信模块、报警模块。

3.1 主程序设计

主程序主要完成检测系统上电初始化、 数据采集与处理、各部分模块的循环调用等。

图9为主程序流程图。系统上电后,进行初始化并显示开机画面,随后正常进入数据采集与显示模式,调用按键查询处理程序,可以进入参数设置界面或低功耗模式完成相应的操作。

图9 主程序流程图

3.2 数据采集与处理程序设计

系统在实际环境中采集数据,环境中的一些干扰噪声会使数据出现异常,为了使检测得到的数据更加准确和可靠,在ADC采集程序中加入了算数平均值滤波处理,利用ADC模块分别将六路传感器信号连续扫描采集30次,求出平均值,以待检测系统进一步处理。

3.3 上位机软件设计

本文基于QT平台设计了上位机软件。主界面如图10所示,通过该软件可以实现更多的功能,便于多气体浓度检测系统配置和观察。

图10 上位机界面

该软件主界面主要由串口使能面板、串口通信参数配置面板、气体浓度报警阈值设置面板、实时浓度曲线显示面板等部分组成,提供直观的显示。气体浓度报警阈值设置面板用于6种气体报警阈值和时间的设置,当系统检测到的气体浓度值高于所设定的阈值时,面板上的红色报警指示会点亮,从而引起作业人员注意。通过实时数据显示面板,工作人员可以观察到各气体实时浓度值。用户从实时浓度曲线图可得出各气体浓度值随时间变化的趋势。此外工程人员还可以使用图形处理工具对曲线图进行处理,便于查看和分析。

4 试验与分析

4.1 试验平台

整个硬件检测系统搭建完成后,在实验之前,对每个传感器先仅通入纯氮气,直到开机后检测到的每种气体读数稳定不变,给传感器校零,然后通过流量计阀门控制气体的流速,保证被检浓度气体与传感器充分接触,通过显示屏显示检测到的气体浓度值。

通过设计的硬件平台对每种气体特定的浓度进行了检测,检测示意图如图11所示。

图11 系统检测示意图

4.2 试验结果及分析

在试验部分,对多气体浓度检测系统的可用性、准确性进行了测试,首先,利用MATLAB软件对采集到的各气体浓度和其对应电压数据采用二次函数进行拟合得出两者之间的关系。利用此修正函数处理传感器输出信号,使检测系统的精度得到很大提升。其次,将经国家计量部门考核认证单位提供的气样注入检测系统中,对系统检测结果误差和传感器响应时间进行了测试,试验检测结果如表4所示。

表4 试验检测结果

试验结果表明:基于红外吸收和电化学原理的多气体浓度检测系统,可燃气体检测结果误差满足国家标准的±5% FS以内,精度可以达到±3% FS,其测量范围、响应时间等参数和功能均满足开发要求的技术指标。

5 结论

本研究设计的多气体浓度检测系统,采用高性能低功耗的处理器和性能优越的传感器,检测精度可达到±3% FS,具有操作方便、工作稳定等优点,达到了预期效果。检测系统实现了6种气体浓度实时检测,并且完成了浓度值等多参数的存储、显示、无线传输等功能。工作人员通过上位机可以更及时的发现隐患,减少事故的发生,使人员生命安全得到了双重保障,具有显著的经济和社会效益。

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郭瑞鹏(1981),女,河南人,博士,南京航空航天大学自动化学院测试系讲师,主要从事检测仪表、激光超声检测技术、无损检测技术的研究,rpguo@nuaa.edu.cn;

梁钊铭(1990-),男,山西吕梁人,研究生,2014年于中北大学获得学士学位,现为南京航空航天大学在读研究生,主要从事检测仪表、工业自动化装置方面,xyslzm@163.com

王海涛(1968-),男,江苏溧阳人,教授,2002年6月于中科院获得博士学位,主要从事电磁、超声、激光超声检测技术、无损检测技术的研究,htwang2002@126.com;

孔德锁(1992-),男,安徽宣城人,研究生,2014年于江苏大学获得学士学位,,现为南京航空航天大学自动化学院研究生,主要从事机器视觉及自动控制方面的研究,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

项目来源:国家安监局关键技术项目(SD0143-2014AQ);江苏省研究生培养创新工程-中央高校基本科研业务专项资金项目(SJZZ15_0039);江苏省重点研发(社会发展)项目(BE2015725);国家质量监督检验检疫总局公益性行业科研专项(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