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井下作業環境中氧氣、二氧化碳、一氧化碳、硫化氫及甲烷濃度的高低，直接影響到煤礦的安全生產和礦工的生命安全。同時，隨著各種天然氣、煤制氣、液化氣的開發和使用,各種可燃性氣體散發在工作場所和人們生活中，因此連續、直接檢測工作環境和生活環境中有毒氣體、可燃性氣體有著極其重要的意義。目前，氣體檢測大多采用單氣體檢測方式，即每測量一種氣體需要攜帶一種測量儀表。研制能用一種儀器同時檢測多種不同氣體是氣體檢測儀的發展趨勢,即進行多參數測量,多種氣體檢測,實現對多種氣體種類的識別和濃度的判斷,從而更全面地反映被測氣體在特定環境中所顯示的特性。 本文介紹基于AT89S51單片機控制的多參數氣體檢測儀的設計和實現方法。 1 多參數氣體檢測儀的功能及測量原理 1.1系統功能 系統的功能如圖1所示。 圖1 系統功能框圖 由圖1可知,系統由8個功能模塊構成:進氣過濾系統（包括采樣泵、濾膜、氣室、進出氣管路）、傳感器及信號處理單元（紅外傳感器、電化學傳感器）、主控電路板（微處理器、通訊接口、數據管理等）、LCD顯示屏、人機對話單元（組合功能鍵、指使燈板）、供電單元（直流穩壓電源、電池組、穩壓電路）以及時鐘輸入單元。 1.2系統檢測原理 系統檢測原理如圖2所示。 圖2系統檢測原理圖 紅外氣體傳感器和電化學傳感器分別對氧氣、一氧化碳、二氧化碳、硫化氫和甲烷五種氣體進行檢測。其中，二氧化碳和甲烷采用紅外傳感器檢測，氧氣、一氧化碳、硫化氫由電化學傳感器檢測。被測氣體通過兩類傳感器時產生的信號經放大、A/D轉換后，由微處理器AT89S51進行采集、計算、數據處理產生濃度結果數據，并對數據結果進行超限比較，當被測氣體的濃度超過儀器設定的報警限時，儀器產生聲光報警，并在顯示屏上顯示報警狀態、故障狀態、時間參數等數據信息，同時保存數據結果。 在進氣過濾系統中，至少需要1個I/O端口來控制采樣泵的工作;在傳感器及信號處理單元，經過A/D轉換電路把傳感器產生的關于氣體濃度的有關信息轉化為單片機能識別的數字信號，選擇8路輸入的ADC0809芯片;在顯示模塊中，采用KS0713液晶顯示器，需要單片機提供3個I/O控制端口;時鐘的顯示系統采用DS12887芯片與單片機進行通訊，需要1個中斷輸入和1個I/O控制端口;由于系統要存儲至少500組測試信息，而且AT89S51單片機只有128KB的RAM，我們外擴8K的外部數據存儲器6264;由于系統可以設定報警的限值和變更時間，則需要5個鍵盤接口，來控制設置、上升、下降、右移和打印，用到5個I/O接口;由于AT89S51單片機接口有限，利用8255A對I/O接口進行擴展。 2 硬件電路設計 硬件電路主要包括：傳感器及信號處理部分、A/D轉換部分、時鐘校準輸入部分、I/O擴展（鍵盤輸入、微型打印輸出）、液晶顯示系統、聲光報警系統以及吸氣泵的控制。 2.1 傳感器采樣電路設計 本文以測量CO的電化學傳感器采樣電路設計進行介紹。CO傳感器是由北京康派爾科貿發展公司生產的7E/F三電極電化學傳感器，該型傳感器輸出線性范圍寬，線性穩定，額定輸出為0.1uA/ppm, 最小分辨率為0.5ppm,測量的最小范圍和最大范圍分別為0-20ppm和0-1000ppm。CO的測量范圍是0-150mg/m︿3,CO的最大測量范圍轉換為ppm是：Ymax=150/1.25=120（ppm） 轉換為傳感器輸出的最大電流為：Imax=0.1＊120=12（uA） 輸出的電流分辨率為：Ii=0.1＊0.5=0.05（uA） 由此可得出其檢測精度為：ε= 0.5ppm/120ppm＊100%=0.42% 2.2 A/D及時鐘電路設計 采用ADC0809作為A/D轉換器芯片。 系統要對環境的氣體質量進行檢測并記錄，記錄信息中各種氣體的濃度是一個關鍵的信息，在記錄數據的同時，必須保存有關時間的信息，以便用戶對數據進行分析并采取正確的應對措施。系統擴展了一片DS12887來為系統提供一個時間基準。 2.3 顯示電路設計及I/O擴展 系統采用KS0713液晶顯示器。 KS0713液晶模塊具有24個指令控制字。通過寫入不同的控制字，設置液晶顯示器的初始條件以及各種運行條件，以實現液晶顯示器的運行狀態和運行模式。 I/O擴展采用8255A芯片。 利用I/O擴展芯片8255A，連接鍵盤和微型打印機。8255A設置為工作方式0，5個鍵盤輸入接PA0-PA4，作為輸入口;打印機的數據端口接至8255A的PB口，作為輸出口，打印機的狀態信號輸入給PC0，打印機忙時BUSY=1。打印機的數據輸入采用選通控制，將PC4接至打印機的STB端，當STB有負跳變時數據輸入。 2.4 驅動電路設計 采用NPN型三極管進行驅動，當端口電壓為高時，負載的電壓能夠達到最大。系統中用到的抽氣泵性能十分的良好，它只需直流+5V便可以可靠的工作。對于發光二極管需要10-20mA的電流，其結型壓降和三極管的發射極壓降都為0.7V，則其分壓電阻的分壓值為3.6V，由此可得其阻值大概在180-360歐之間，本設計采用310歐的電阻做其分壓電阻。 3 系統軟件設計 系統軟件采用模塊化方式編制，系統主程序流程圖如圖3所示。 圖3 主程序流程圖 鍵盤掃描子程序流程圖如圖4所示。 圖4 鍵盤掃描子程序流程圖 AT89S51復位后運行其內部程序，選擇第一種氣體的模擬通道并啟動A/D轉換，把轉換結果送單片機，同樣方法依次啟動另四種氣體的轉換，由于每一次轉換至少需要100us的轉換時間，所以在下一種氣體的轉換過程中把上一種氣體的轉換數據與程序中設定的超限值進行比較，若超出其范圍則進行聲光報警，若在其范圍內則等待下一組測量結果，最后一組數據轉換結束后更新顯示器上的氣體濃度信息，再把5組測量數據連同其氣體種類及時間信息寫入外部數據存儲器中。 4.結束語 多參數氣體檢測儀的研制，解決了目前國內只能檢測到單一氣體的問題，檢測精度小于±5%（滿量程）。在軟件設計中采取了自檢程序和數字濾波程序設計，使得檢測數據進一步優化，增強了檢測儀的抗干擾的能力。質量輕、維護、維修、攜帶方便，也可以在線固定點采樣監測氣體濃度。 本文作者創新點：采用電化學原理多參數選擇組合的方法，能夠同時檢測氧氣、二氧化碳、一氧化碳、硫化氫和可燃氣體的濃度，解決了目前只能檢測到單一氣體的問題。根據不同的行業要求，不同的監測點，對不同的檢測參數可以更換不同的傳感器來監測不同種類的氣體，對不同氣體可以設定不同的監測濃度和分辨率。 |
