基于RS- 485总线的瓦斯检测仪设计

张 鹏 杜航航

(中国民航大学工程技术训练中心，天津 300300)

基于RS- 485总线的瓦斯检测仪设计

张 鹏 杜航航

(中国民航大学工程技术训练中心，天津 300300)

目前天然气管道分布范围广泛，针对常见的瓦斯检测仪精度低、可靠性差、功能较单一以及不便于集群控制等不足，设计了一种基于RS- 485总线的瓦斯浓度检测仪。以Atxmega32a4处理器为核心，基于RS- 485总线对天然气管道不同位置进行瓦斯浓度检测，将浓度信息及时上传到上位机，便于及时发现瓦斯微量泄漏点的位置。对于每个独立的检测仪，都可以通过红外遥控器进行复杂环境中的零点校准、增益校准、设备地址编码、操作密码设定、高低限报警阈值设定等功能。试验表明，该燃气瓦斯浓度检测仪具有测量精度高、稳定性好、功耗低、安全性好、操作方便等优点，具有很高的推广价值。

Atxmega32a4 红外遥控器 RS- 485总线 微量泄漏检测 低功耗

0 引言

随着“西气东输”工程的实施和扩建，以及城镇化建设的进行，天然气管道安装到千家万户，瓦斯泄漏引发爆炸以及家庭人员因瓦斯泄漏中毒事故时常发生[1]。如果能及时发现泄漏点的位置，这些灾难就可避免，所以研发一种能检测微量瓦斯泄漏的检测仪很有必要。目前常见的瓦斯浓度检测仪大多存在一些缺陷，如可靠性差、精度低、传感器损坏不易发现等[2]。本文采用催化燃烧式传感器NAP-55A，配合低功耗、高分辨率的控制器Atxmega32a4，根据瓦斯浓度与传感器输出电压之间良好的线性关系，设计了一种多功能、可进行远距离传输、适应多种复杂环境的瓦斯浓度检测仪。该检测仪既可以单个应用于家庭生活，也可通过RS- 485总线进行工业生产的大规模集群控制。

1 瓦斯检测仪硬件设计

本文设计的瓦斯检测仪由数码管显示模块、红外遥控接收模块、传感器驱动模块、RS- 485模块组成。系统框图如图1所示。

图1 系统硬件框图

以Atxmega32a4控制器作为整个系统的核心，数码显示模块采用处理器Atmega48与Atxmega32a4进行串口数据交互，显示内容为检测的瓦斯实时浓度以及红外遥控器的按键操作。系统基于瓦斯微量泄漏探测设计，选用NAP-55A催化燃烧式探测器，并使用数码管显示实时浓度值。采用RS- 485总线传输，提高了总线的利用率。每个独立系统采用继电器与总线隔离，保证个体损坏的情况下不对RS- 485总线造成影响，保证设备的稳定运行。

1.1 探测器驱动电路

所采用的探测器NAP-55A检测原理是催化燃烧式，其检测原理为：甲烷和氧气在载体催化原件表面反应，放出热量，使元件温度上升；元件温度增量将引起元件电阻的增加，通过测量电阻增量就可以测量瓦斯浓度[3-4]。该类型的探测器具有小型、低功耗、高速应答、受温度和湿度影响小的特点，成为目前国内检测瓦斯的主要探测器[5]。

TD6811供电电路如图2所示。

图2 TD6811供电电路

由于探测器NAP-55A的检测原理是在不同浓度的瓦斯气体中输出电压呈线性变化，其供电电流为150～170 mA，供电参考电压要求长时间连续稳定且满足其功率要求。系统中采用开关电源芯片TD6811给探测器供电，TD6811是一个高效率单片同步降压型稳压芯片，采用恒定频率、电流模式架构。低负载时效率高达96%，最大输出1.2 A电流，足够满足探测器的功率要求，而且发热小，能保证长时间连续工作。

探测器供电电路选用器件少，电感与电容限值小，经测试输出电压稳定。

1.2 RS- 485电路

图3为RS- 485接口电路，该电路使串口数据转化为差分信号传输，使传输距离由串口的最大限度15 m增加到1 000 m左右，足够满足瓦斯区域化的监测要求。其中输入端采用光耦隔离，光耦器件采用PS2801，电阻R3、R7、R8对光耦发光管起限流作用。如果阻值过大，会使光耦的发光管由截止进入饱和变得很慢；如果阻值过小，将会导致输出三极管深度饱和，使得退出饱和也变得很缓慢[6]。通过合理的配置这三个电阻，使RS- 485接口可以工作在合适的波特率上。光耦合器件信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，可以防止由于总线的电气参量与微处理器模块的电气参量的不同而造成设备故障，从而保证微处理器等模块的正常运行。另外，每个检测仪与总线相连接口采用两个继电器与总线隔离。当检测仪上电后，进行自检，当没故障时继电器吸合。这样设计保证了单个设备的故障不会对总线电气参量产生影响。RS- 485信号线要考虑阻抗匹配问题，阻抗不匹配将引起传输信号的反射，使数字波形产生振荡[7]。所以在传输端加一个120 Ω左右的匹配电阻，减少传输信号的反射。

图3 RS- 485总线接口

系统采用RS- 485总线，挂在总线上各个点的探测仪均对总线有占用权，平时处于等待状态。当出现故障或者报警信息需要占用总线时，首先会监测总线是否被其他设备占用，如无占用，则直接向上位机传送设备状态；如有占用，则需等待总线空闲时再发送数据[8]。每一个探测器对应一个唯一的地址，当上位机访问各个点的探测仪时，会通过相对应的地址进行访问，各个探测仪也只接收传送给自己地址的数据。通信协议格式如图4所示。

帧头功能码地址信息字1信息字2信息字3信息字4信息字5异或校验

图4 检测仪与上位机通信协议

Fig.4 Communication protocol between detector and PC

系统RS- 485总线控制器的设计可以检测相同地址编码设备。相同地址编码设备连入总线时，处理的机制是按连入总线的先后时间的注册机制，对后挂入总线的相同地址的设备不进行处理。对那些默认未编址设备(系统中默认地址为0)，只要探测仪挂入总线中，就能采用插空法给设备进行地址自主编码。信息字1、2为燃气浓度，3、4分别为高低限报警浓度，信息字5为检测仪状态。除了红外遥控器的操作密码设定外，上位机可以模拟遥控器所有的功能操作，这一点可以很方便地运用在工业现场，对各个点浓度进行监测与调节。

1.3 核心控制器

系统选用Atxmega32a4单片机作为核心处理器，外部晶振采用7.372 8 MHz频率晶振，经内部4倍频后系统速度达到将近30 MHz。它具有高速度、低功耗的特点，适合瓦斯浓度检测仪这种需要实时处理且不间断运行的系统。它具有先进的精简指令集计算机(reduced instruction set computer,RISC)结构和PDI下载接口，集成了32 kB的Flash、1 kB的EEPROM和燃气浓度等数据，便于存储，引脚有丰富的复用功能。另外有12路12位分辨率的ADC，能更好地发挥探测器的高精度特性；还有5个串口，两个16位定时器用于红外遥控信号的识别。鉴于以上因素，选取Atxmega32a4作为核心处理器。

2 系统软件设计

2.1 红外遥控解码

现有的红外遥控脉冲调制包括两种方式：PPM(脉冲位置调制)和PWM(脉冲宽度调制)[9]。本系统所采用的遥控器属于PWM型，采用NEC编码格式，编码方式为一帧数据有32位码，包含2位相同的客户码，8位数据码和8位数据码的反码[10]。数据码“0”和“1”的脉冲宽度不同，以此即可识别逻辑“0”和“1”。两个字节的客户码是由遥控器硬件本身决定，不会随着按键值的不同而变化，第三、第四个字节为数据码及其反码，故只须读取第三个字节的数据码，就能确定不同的按键。为保证中间不会有误码，系统读取数据码与数据码的反码，进行对比，如果所得数据码与其反码相对应，则认为按键按下。NEC格式在32位码前还有一组引导码，它由4.5 ms的载波和载波判断码组成，以此作为客户码、数据码以及它们反码的先导。系统采用中断处理解码工作。

2.2 数码管显示

对于不同的客户需求，显示部分的要求也多种多样，该系统采用显示部分与处理部分相互独立的方式，采用两个MCU串口通信用于瓦斯浓度监控以及浓度显示。显示部分采用Atmega48单片机驱动数码管。操作密码设定、报警值设定、设备地址编码以及浓度值校准由主控处理器Atxmega32a4处理。这些关键性的数据都存储于Atxmega32a4的EEPROM中，掉电之后不用重新设定。这样设计的好处是方便以后进行显示部分的升级。两个处理器的通信协议格式如图5所示。

帧头功能码信息字1信息字2异或校验

图5 Atxmega32a4与Atmega48通信协议帧格式

Fig.5 Communication protocol between Atxmega32a4 and Atmega48

图5中，功能码对应着红外遥控器的各个键码，不同按键按下，信息字内容也不相同。例如按下修改操作密码键时，Atxmega32a4向Atmega48发送指令 7E A1 XX XX XOR(XX XX 为当时燃气浓度)，显示部分进入密码修改模式。修改完成按下确定键时，Atmega48收到7E A2 XX XX XOR确定键指令时，会回传7E 80 XX XX XOR(XX XX为保存的密码值)给Atxmega32a4,存储于其EEPROM中。下次上电时首先读取EEPROM中各地址页保存的内容，达到两个处理器信息同步的目的。

2.3 处理器主程序流程

Atxmega32a4全程主要处理的任务就是显示瓦斯浓度，进而与报警设定值进行对比，进行高低限报警，报警灯点亮。此外,处理器还要检测探测器是否正常工作，如发现供电电压和输出电压有异常，就会进行故障报警，故障灯点亮。具体流程如图6所示。

图6 主程序流程图

以上的灯光报警适用于家庭使用，通过灯光信息可知浓度及检测仪是否正常。另外报警与故障信息还能通过RS- 485总线上传到上位机进行远程监控，适用于检测仪分布较为分散的工业生产现场，便于集群控制。

3 试验结果

系统设计前所测浓度数据来自工厂大型红外频谱探测仪，设计完之后为了验证所设计系统的精度，经工厂实地测试，在当时环境中进行清零、增益调节后，所测数据如表1所示。由表1可以看出，精度达到工业使用标准，探测仪反应灵敏，高低限浓度报警及时。红外遥控器操作灵活，断电后不用重新设定。

表1 瓦斯浓度测量数据表

催化燃烧式传感器需要预热3～5 min才能进入正常测量状态，随着通电时间的增加，其测量精度会逐渐稳定下来。燃气探测器设备国家标准规定在报警点的误差精度在2.5%之内，其他点的精度在5%以内即可。由表1数据可知，传感器所测量的浓度误差均在国家标准的最低范围内。

4 结束语

系统采用高精度催化燃烧式探测器、稳定的供电电路和高速率微处理器，瓦斯浓度检测精度与报警灵敏度都达到了设计的初衷，可以满足不同环境的瓦斯检测。遥控器可以进行多种操作模式的设置，提高了设备的安全性。经过验证，设备运行稳定，精度较高，有很好的实用价值和应用前景。

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Design of the Gas Detector Based on RS- 485 Bus

At present, the natural gas pipelines are distributed widely, while the commonly used gas detectors features shortages, e.g., low accuracy, poor reliability, unitary function, and not easy to cluster control, etc., thus the gas concentration detector based on RS-485 bus has been designed. With Atxmega32a4 as the core, the gas concentration at different location of the natural gas pipeline are detected based on RS-485 bus, and the concentration information is uploaded timely to host computer, the location where micro leakage of gas occurs can be found on time. For each standalone detector, the functions of zero point calibration, device address encoding, operation password setup, high/low alarm threshold setting can be conducted under complex environment through infrared remote controller. Experiments show that the gas concentration detector possesses many advantages, including high accuracy, good stability, low power consumption, good security, easy to operate; therefore it provides good promotional value.

Atxmega32a4 Infrared remote controller RS- 485 bus Micro leakage detection Low power consumption

张鹏(1963-)，男，1993年毕业于天津大学自动化仪表与装置专业，获硕士学位，教授；主要从事民用航空器机载系统故障诊断、航班调度优、自动化装置检测等方面的教学与科研工作。

TP212

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201505024

修改稿收到日期：2014-08-31。