一種低功耗甲烷檢測系統(tǒng)設計-設計應用

精品文檔-下載后可編輯一種低功耗甲烷檢測系統(tǒng)設計-設計應用1引言

氣體檢測系統(tǒng)表是工礦企業(yè)、社會公用事業(yè)、環(huán)境保護等領域必備的安全裝備。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在可測氣體種類、測量范圍、精度、穩(wěn)定性、壽命等主要技術指標方面均有明顯提高，隨著大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，儀表向微型化、多參數(shù)組合與智能化方向發(fā)展。新型甲烷氣體檢測系統(tǒng)應具有智能化的特點，能在一定其他氣體干擾的情況下工作，可以采用電子鼻。氣體檢測儀是一種氣體泄露濃度檢測的儀器儀表工具，主要是指便攜式/手持式氣體檢測儀。主要利用氣體傳感器來檢測環(huán)境中存在的氣體種類，氣體傳感器是用來檢測氣體的成份和含量的傳感器。一般認為，氣體傳感器的定義是以檢測目標為分類基礎的，也就是說，凡是用于檢測氣體成份和濃度的傳感器都稱作氣體傳感器，不管它是用物理方法，還是用化學方法。比如，檢測氣體流量的傳感器不被看作氣體傳感器，但是熱導式氣體分析儀卻屬于重要的氣體傳感器，盡管它們有時使用大體一致的檢測原理。

傳統(tǒng)的基于金屬氧化物氣體傳感器存在氣體選擇性不高、抗干擾性差的問題，采用單個傳感器的檢測系統(tǒng)在檢測中如果有其它氣體干擾，容易出現(xiàn)相似的響應而出現(xiàn)誤判。本文所討論基于單片機的高靈敏度甲烷檢測系統(tǒng)是以微結構金屬氧化物氣體傳感器陣列為敏感元件，結合模式識別技術進行甲烷氣體檢測的便攜式系統(tǒng)。

2檢測系統(tǒng)基本結構

由細導管、微型抽氣泵和小氣室組成的氣體進樣部分，以單片機為的控制、信號采集處理電路以及顯示、鍵盤、PC接口電路，還有在PC機上運行的用于人工神經(jīng)網(wǎng)絡訓練的應用軟件，如圖1所示。檢測系統(tǒng)進行氣體檢測的工作步驟是，單片機控制抽氣泵將待檢測的氣體抽入氣室，同時采集氣體傳感器陣列的響應信號，并進行轉換，儲存在數(shù)據(jù)存儲器中，然后單片機從保存的數(shù)據(jù)中提取特征值，由識別網(wǎng)絡進行氣體識別，并將結果輸出到LCD顯示屏幕上。生命周期設計（LifeCycleDesign）又稱生態(tài)設計（Eco-Design）。它是從產(chǎn)品性能、環(huán)境保護、經(jīng)濟可行性的角度，考慮產(chǎn)品開發(fā)全生命周期（包括產(chǎn)品設計、原材料的提取、產(chǎn)品的制造、包裝、銷售和使用、用后的回收與處置全過程）的污染預防要求，多級使用資源與能源，以降低產(chǎn)品生產(chǎn)和消費過程對環(huán)境的影響，使其與地球的承載能力相一致。

甲烷檢測儀，是一種可連續(xù)檢測甲烷濃度或的本質安全型設備。它適用于防爆，甲烷泄漏搶險，地下管道或礦井等場所，能有效保證工作人員的生命安全不受侵害，生產(chǎn)設備不受損失。甲烷檢測儀采用自然擴散方式檢測氣體，敏感元件采用精良的氣體傳感器，具有極好的靈敏度和出色的重復性；測試程序由人工智能微電腦控制，工作流程合理，簡潔便利，功能齊全，具有多種自適應能力；使用超高亮LED數(shù)碼管顯示，直觀清晰；小巧美觀的便攜設計不僅使您愛不釋手更便于您移動使用。甲烷檢測儀儀外殼采用高強度材料輔以防滑橡膠制成，強度高、手感好，并且防水、防塵、防爆。

圖1甲烷檢測系統(tǒng)的組成原理圖

低功耗傳感器陣列的制備技術：采用由MEMS工藝制造的微結構金屬氧化物氣體傳感器陣列作為檢測系統(tǒng)的氣體敏感元件。微結構金屬氧化物氣體傳感器陣列的特點在引言中有討論。選用的陣列器件體積小，器件面積3X3mm2，在同一膜片中集成了2X2個傳感器單元，每個單元的工作功耗小于50mW，并用掩模濺射的方法在每個單元鍍上相應的敏感薄膜，各單元膜電阻在一定的工作溫度下能對特定氣體濃度的變化產(chǎn)生程度不同的變化。

此外由于便攜式系統(tǒng)采用電池供電，對設備各部分電路的功耗要求較嚴格，因而在電路中采用低工作電壓、低功耗的元器件，并且優(yōu)化設計了電源管理功能，保證在電池供電的情況下能工作較長時間。

3檢測系統(tǒng)電路

3.1CygnalC805lF020單片機介紹

圖2甲烷檢測系統(tǒng)電路框圖

內置A/D電路的CygnalC805lF020是采用8052內核的8位單片機1201，屬于高速混合信號系統(tǒng)級芯片。它能很好的滿足甲烷檢測系統(tǒng)的設計要求，所以系統(tǒng)采用它作為處理控制。圖2是檢測系統(tǒng)電路的組成原理框圖。

3.2電路設計

3.2.1信號采集、控制電路

首先陣列各單元的工作溫度需要由加熱電壓進行調節(jié)，以保證在較好的響應特性。C8051F020的一路12位D/A通過模擬開關4052選通循環(huán)輸出傳感器陣列各單元所需的加熱電壓，并直接通過高電流輸出運放芯片MAX4069驅動輸出到各單元，減少了功率輸出電路。在傳感器陣列各單元加熱到工作溫度并穩(wěn)定后，由單片機通過氣泵控制電路控制微型氣泵抽入待檢測的氣體。

IDT71V124SA是低功耗3.3V工作電壓靜態(tài)CMOS隨機存儲器芯片，能保存128K字節(jié)的數(shù)據(jù)。它作為單片機的擴展數(shù)據(jù)單元，大大彌補了單片機RAM空間的不足。但是該器件在進行讀寫操作時需要100mA的電流，而在非片選狀態(tài)僅為l0mA。

3.2.2輸入輸出接口電路

其次，良好的顯示、操作界面是便攜系統(tǒng)所必需的。本系統(tǒng)中采用具有122X32分辨率的圖形點陣液晶模塊HS12232作為顯示屏幕，顯示提示和處理結果。顯示界面設計成多層選擇菜單的模式，主菜單中有甲烷檢測、傳感器工作電壓設置，采樣數(shù)據(jù)上傳和識別網(wǎng)絡更新等選項，通過鍵盤輸入進行菜單選擇的方式進行各種操作。

根據(jù)檢測系統(tǒng)的設計要求，方便靈活地與計算機通信也是很重要的。目前USB標準已經(jīng)得到了普及，因此選擇采用USB通訊方式。USB是一種通用串行總線，具有使用可靠、即插即用和成本低廉的特點。檢測系統(tǒng)電路中使用的USB接口芯片是支持USB1.1協(xié)議的Philips公司的PDUSBDI2芯片。單片機通過并行I/O口向PDIUSBD12發(fā)命令和數(shù)據(jù)以實現(xiàn)對USB接口讀寫，采用的是中斷方式非同步傳輸。圖3是PDIUSBDI2與單片機的接口圖。

圖3PDUSBDI2的接口電路原理圖

3.2.3系統(tǒng)電源管理電路

還需考慮電源的選擇。作為便攜式系統(tǒng)，甲烷檢測系統(tǒng)的電源供電方式是電池供電，供電電壓約在5V。而電路中的有的器件工作在較低的電壓下，如單片機、SRAM和USB芯片等是3.3V的工作電壓，這就需要在電路中設計5V-3.3V的電壓轉換電路。通過對比，采用DC-DC器件LM2S74進行電壓轉換（圖4），將5V供電電壓轉換為3.3V，即可以滿足低電壓器件的工作要求，減少了額外的功耗，而且通過設計合理的濾波電路，還獲得了較好的穩(wěn)壓線性輸出。在降低功耗方面，在系統(tǒng)設計中均選用了CMOS器件、低功率表貼元器件，不僅使得系統(tǒng)體積較小，而且電路功耗也得到降低。

圖4電源電壓轉換電路

4檢測系統(tǒng)電路調試

在確定了系統(tǒng)電路硬件總體和各部分的設計方案后，制作了實驗電路板，對電路進行了初步的調試。電源是采用4節(jié)鎳氫充電電池串連，經(jīng)過調試，每路加熱電壓驅動電路可以輸出4.5V的電壓，在對傳感器進行加熱的情況下，同時進行數(shù)據(jù)的采集保存，總電流可以控制在250mA以內，其中單片機電路部分約120mA，傳感器陣列加熱電流不高于80mA，抽氣泵工作電路低于50mA，滿足了設計中的低功耗目標。

5甲烷檢測系統(tǒng)軟件設計

檢測系統(tǒng)電路調試通過后，需要結合識別軟件才能進行氣體的檢測。本文主要在軟件設計方面進行研究，提出了適合單片機系統(tǒng)的網(wǎng)絡識別算法，在單片機軟件和PC機軟件兩個方面進行了網(wǎng)絡構建、網(wǎng)絡訓練等的討論，同時對系統(tǒng)的其它功能程序也做了說明。

由于C8051系列單片機具有完整的8052內核，與MCS-51指令完全兼容，可采用標準的805x編譯器進行軟件開發(fā)。在本檢測系統(tǒng)的單片機軟件設計中，采用了CygnalC51IDE的開發(fā)環(huán)境，通過電路中預留的JTAG接口調試程序，依據(jù)檢測系統(tǒng)的不同功能的需要，采用模塊化的設計，將程序分成幾個主要的功能模塊，圖5是單片機程序的模塊圖。

圖5檢測系統(tǒng)單片機程序模塊圖

從圖5中可以看到，單片機的主程序在經(jīng)過系統(tǒng)初始化后進入主菜單界面，將等待鍵盤的輸入