本文以甲烷气体为例,介绍一种具有温湿度同时补偿的智能型高精度的气体探测报警器。
1 气体探测器原理及应用
气敏元件采用FIGARO的半导体式传感器TGS2611(SnO2烧结体),敏感体在大约350℃的温度下,与还原性气体发生氧化还原反应,导致敏感元件阻值(RS)随气体浓度呈指数关系变化,图1为其特性曲线。基本测量电路见图2,VH为加热电压,VC为工作电压,RH为加热器电阻,传感器电阻RS与负载电阻RL串联,通过采样输出电压VRL。由式(1)可算出RS,进而得出甲烷气体浓度。RL一定时,气体浓度采样信号VRL的大小主要取决于气体浓度及环境温度、湿度。
通过实验得到气敏元件的温度特性及湿度特性,如图3所示。从图3(a)可以看出: 5000×10-6(10% LEL)情况下,当相对湿度为65%RH、温度在0~55℃之间变化时,采样电压从2.04V增大到3V,根据式(1)及传感器特性曲线可算出对应的气体浓度变化范围为(4.5~23.4)%LEL,与20℃时报警设定值10%LEL的最大偏差达到13.4% LEL; 3000×10-6(6% LEL)情况下的气体浓度变化范围为(2.8~14.2)%LEL。
通过实验得到气敏元件的温度特性及湿度特性,如图3所示。从图3(a)可以看出: 5000×10-6(10% LEL)情况下,当相对湿度为65%RH、温度在0~55℃之间变化时,采样电压从2.04V增大到3V,根据式(1)及传感器特性曲线可算出对应的气体浓度变化范围为(4.5~23.4)%LEL,与20℃时报警设定值10%LEL的最大偏差达到13.4% LEL; 3000×10-6(6% LEL)情况下的气体浓度变化范围为(2.8~14.2)%LEL。
湿度对传感器的影响程度可以从图3(b)看出:
5000×10-6情况下,当温度为20℃、相对湿度在(20~95%RH)之间变化时,采样电压从1.97V增大到2.67V,根据式(1)及传感器特性曲线可算出对应的气体浓度变化范围为(4~13.3)%LEL; 3000×10-6(6%LEL)情况下的气体浓度变化范围为(2.5~7.9)%LEL。
2 硬件系统组成与设计
系统的硬件结构框图如图4所示,它主要由模拟量输入、声光报警、联动输出、显示、数据存储、功能测试及通讯模块等构成,微处理器选用PIC16C74。
湿度对传感器的影响程度可以从图3(b)看出:
5000×10-6情况下,当温度为20℃、相对湿度在(20~95%RH)之间变化时,采样电压从1.97V增大到2.67V,根据式(1)及传感器特性曲线可算出对应的气体浓度变化范围为(4~13.3)%LEL; 3000×10-6(6%LEL)情况下的气体浓度变化范围为(2.5~7.9)%LEL。
2 硬件系统组成与设计
系统的硬件结构框图如图4所示,它主要由模拟量输入、声光报警、联动输出、显示、数据存储、功能测试及通讯模块等构成,微处理器选用PIC16C74。
其工作原理为:由气体传感器探测到气体浓度,热敏电阻和湿度传感器分别检测此时的环境温度和湿度,模拟信号经滤波放大后送入单片机A/D口,数据在单片机内部处理后,给出相应的动作信息。
2.1 微处理器的选择
选用Microchip公司生产的8位单片微机PIC16C74,它带有8路高速A/D转换电路等。
2.2 模拟信号测量
1)气体测量电路如图2,传感器输出电压VRL作为气体模拟量输出。
2)温度测量电路采用负温度系数热敏电阻作为敏感元件,温度变送电路如图5,W1用来调零,W2用来调满刻度,满度调整不影响零点。
其工作原理为:由气体传感器探测到气体浓度,热敏电阻和湿度传感器分别检测此时的环境温度和湿度,模拟信号经滤波放大后送入单片机A/D口,数据在单片机内部处理后,给出相应的动作信息。
2.1 微处理器的选择
选用Microchip公司生产的8位单片微机PIC16C74,它带有8路高速A/D转换电路等。
2.2 模拟信号测量
1)气体测量电路如图2,传感器输出电压VRL作为气体模拟量输出。
2)温度测量电路采用负温度系数热敏电阻作为敏感元件,温度变送电路如图5,W1用来调零,W2用来调满刻度,满度调整不影响零点。
3)湿度测量选用温湿度模块CHTM202/N,湿度敏感元件是新一代复合型高分子湿敏电阻CHR201。该湿度模块具有自身温度校正,输出电压与环境相对湿度呈线性关系,所以,可方便地将湿度转换成PIC16C74可以接受的电信号。
2.3 报警及输出控制电路
采用分段延时报警模式,根据测量值和设定报警阈值在单片机内的比较结果,判断气体浓度属哪一段,根据所在段的延时报警时间定出何时报警,驱动蜂鸣器和发光二极管,并输出联动控制信号。不同报警阈值段内,通过RC2输出不同频率的PWM信号进行控制,发出不同的报警声音。
2.4 通讯接口及数据存储电路
系统设有RS2232接口电路,可实现与计算机或打印机的通信。系统扩展1片24LCO1作为数据存储器,存储不同传感器的补偿系数及初始状态参数。它可针对不同传感器的特性、参数进行现场配置,实现传感器特性的有效自适应拟合。
3 软件设计
3.1 软件算法
3.1.1 气体浓度信号的修正
温湿度补偿系数α随温度、湿度的变化呈非线性,不同情况下的α值可按下式计算:
3)湿度测量选用温湿度模块CHTM202/N,湿度敏感元件是新一代复合型高分子湿敏电阻CHR201。该湿度模块具有自身温度校正,输出电压与环境相对湿度呈线性关系,所以,可方便地将湿度转换成PIC16C74可以接受的电信号。
2.3 报警及输出控制电路
采用分段延时报警模式,根据测量值和设定报警阈值在单片机内的比较结果,判断气体浓度属哪一段,根据所在段的延时报警时间定出何时报警,驱动蜂鸣器和发光二极管,并输出联动控制信号。不同报警阈值段内,通过RC2输出不同频率的PWM信号进行控制,发出不同的报警声音。
2.4 通讯接口及数据存储电路
系统设有RS2232接口电路,可实现与计算机或打印机的通信。系统扩展1片24LCO1作为数据存储器,存储不同传感器的补偿系数及初始状态参数。它可针对不同传感器的特性、参数进行现场配置,实现传感器特性的有效自适应拟合。
3 软件设计
3.1 软件算法
3.1.1 气体浓度信号的修正
温湿度补偿系数α随温度、湿度的变化呈非线性,不同情况下的α值可按下式计算:
式中:T为实时温度值,T1为下节点温度值,α1为下节点系数,α2为上节点系数。
由典型实验数据通过拟合算法可得出湿度每5%RH、温度每10℃的一个系数表。湿度按5%RH分档是从湿度传感器本身的精度及系数变化率考虑,如湿度在63%RH~67%RH之间时,都按65%RH的值来算,这样可以简化程序算法。
补偿后的V′RL(相当于20℃、65%RH条件下的采样值)等于VRL与补偿系数α的乘积,由V′RL计算气体浓度C的公式见式(3)。将此时的C与报警设定值比较,确定是否报警。
式中:A为常量,β为V′RL的变化系数。
3.1.2 线性化处理算法
对浓度信号进行线性化, lnC与V′RL呈线性关系。
温度的非线性校正通过查表,分段进行:
式中:X为A/D采样值,X1为下节点A/D变换值,X2为上节点A/D变换值。
3.1.3 滤波算法
温度信号和湿度信号都是缓慢变化的,气体浓度信号会发生快速变化,并且容易受到杂质气体、环境条件的干扰。基于这些特点,对温湿度信号采用限幅平均滤波法来进行数据优化处理,对气体浓度信号先采用限幅滤波法,判断数据的合理性,再采用加权平均滤波法求平均值。
限幅平均滤波法相当于“限幅滤波法”+“平均滤波法”,每次采样到的新数据先进行限幅处理,再进行平均滤波处理,融合了两种滤波法的优点,消除由于偶然出现的脉冲性干扰所引起的采样值偏差,对周期性干扰亦有良好的抑制作用,平滑度高。限幅滤波法的具体算法为:
|Y(n)-Y(n-1) |≤ΔY,取Y(n)为本次采样值;
|Y(n)-Y(n-1) |>ΔY,取Y(n-1)±ΔY为本次采样值。
式中:Y(n)为第N次采样值;Y(n-1)为第N-1次采样值;ΔY为相邻两次采样值所允许的最大偏差,其大小取决于采样周期T及Y值的变化动态响应。
平均滤波法和加权平均滤波法采用式(6)、(7):
Y(n)=(Y(n)+Y(n-1)+Y(n-2)+Y(n-3)) /4(6)
Y(n)=[Y(n) /2+Y(n-1) /4+Y(n-2) /8+Y(n-3) /16]+∧(7)
这里Y(n)为第N次采样值,Y(n-1)为第N-1次采样值,以此类推;∧为常量。
3.2 软件设计程序流程图
系统软件设计采用模块化结构,由数据采样、数字滤波、补偿算法、输出控制、数码显示、数据存储、声光报警和串口通信等几大模块组成。主程序流程如图6。
温度查表子程序如图7。温度从0℃到55℃每隔5℃设一个存储单元,存储单元内存放采样值经A/D转换后的数字量,温度表共占用11个字节。搜索从表址内数值为128即20℃处开始,这样可以缩小搜索范围。如果采样值大于128,表址偏移量逐次加1再比较,确定取样值在某一区间;反之,表址偏移量逐次减1再比较。
系数查表子程序如图8。系数表占用14×6=84个存储单元,存储单元地址按二维数组([14]×[6])方式分配,湿度为一维,温度为二维。
4 实验结果和结论
下表是报警设定值为6%LEL,只做温度补偿与温湿度同时补偿两种情况下的实验结果。
由结果可以看出,只做温度补偿时,报警值与设定值间存在很大的误差;加入湿度补偿后,很大程度提高了探测精度。
本探测报警系统可以用于监测室内气体泄露,或其他用气场所的气体浓度变化情况,同时可作为环境温湿度显示仪,实现低成本多用途。系统的设计方法可适用于甲烷以外的其他气体,只需根据不同的传感器特性曲线改变补偿系数,通过现场配置MCU所带的E2PROM的数据,即可实现不同气种的探测报警。
参考文献:
[1]徐志斌,等.一种新型便携式甲烷检测仪[J].电子技术应用, 1996, (3): 28~29.
[2]王化祥,魏娟,等.总线式可燃性气体监测系统[J].仪器仪表学报, 2001, 22(3).
[3]陆英.基于PIC单片机的温度湿度控制系统的设计[J].微型机与应用, 1999(4).(郁红编发)
作者简介:闫保双(1980—),女,硕士研究生,研究数字信号处理及应用;戴瑜兴(1956—),男,教授,博士生导师,主要研究数字化系统设计理论及应用。
攻关项目:湖南省科技攻关项目[03JKY3127]
