多点无线气体成分检测系统设计与实验

杨 威,唐 杰,李 辉

（邵阳学院电气工程系，湖南邵阳，422000）

多点无线气体成分检测系统设计与实验

杨 威,唐 杰,李 辉

（邵阳学院电气工程系，湖南邵阳，422000）

利用单片机和PC机实现气体成分的实时检测（包括二氧化硫、一氧化氮、氮氧化合物等），将各点气体传感器的输出信号经单片机处理以后利用无线传输传送到PC机，实现气体浓度采集、多点测量和上位机显示功能，可以实时监视气体成分和浓度情况，使得人们能够更加直观、方便的了解各种气体成分浓度情况。项目实施取得的成果具有一定的工程应用价值。

无线传输；气体成分；单片机；上位机

0 引言

近年来，随着经济的发展和城市化进程的不断加快，大气污染日趋严重。酸雨、有毒物质污染、臭氧层耗竭、温室效应增强是近十几年来由大气污染及污染效应引发的严重的环境问题，因此设计气体成分检测系统，并分析大气中的有害气体成分，具有重要现实意义和一定的应用前景。国内外已有不同类型的气体成分检测仪投入使用，并且取得了一定的成效。然而，传统的气体成分检测方案大多是单点气体数据采集分析，能够实现多点检测气体成分的气体检测系统并不多见，且不能实现远程监控。本项目设计的气体成分采集检测系统将利用单片机良好的新功能实现对大气成分实时精确采集，利用单片机和PC机无线通讯实时数据传输，使采集到的气体量能够智能化的实时监控。

1 总体方案设计

研究和实验的内容包括单片机应用系统设计、气体检测电路、A/D采集电路、无线收发电路、液晶显示设计、蓝牙串口通讯电路等。各路从机系统都配有气体传感器、A/D及无线发送模块，从机系统的A/D采集各路气体传感器输出数据,传送到STC89C52从单片机，各路从单片机将采集到的气体浓度数据经无线模块发送出去，主单片机系统的无线接收模块接收从机系统发出的数据，主单片机作为系统的核心处理部件，无线接收模块接收到的数据由主单片机集中处理后显示到液晶显示屏中，同时通过蓝牙串口模块将气体浓度数据发送到上位机，通过上位机软件在上位机上显示，实现气体成分实时监视。系统框图如图1所示。

2 系统硬件电路设计

2.1 单片机应用系统设计

选用STC89C52作为系统控制芯片，该芯片采用Flash存贮器技术，降低了制造成本，其软件、硬件与MCS-51完全兼容，且采用高密度非易失存储器制造技术制造，将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，超低功耗很适合于电池供电的小型控制系统，还具有超强抗干扰，体积小，成本低等优点。单片机应用系统由电源电路、复位电路和晶振电路组成。单片机应用系统主要用于数据的处理及传输，是整个系统的核心部件。

图1 系统框图

2.2 气体检测电路

系统采用德国速丽德公司的传统电化学式气体传感器，灵敏度和分辨率极高，是一款高精度气体传感器。气体检测电路图如图2所示。电化学传感器的工作原理是允许气体通过薄膜扩散到传感器内，并与工作电极（WE）相互作用。传感器参考电极（RE）提供反馈，以便通过改变辅助反电极（CE）上的电压保持WE引脚的恒定电位。放大器U1-A从CE引脚吸取足够的电流，以便在传感器的WE和RE引脚间保持0 V电位。RE引脚连接到U2-A的反相输入；因此其中无电流流动。这意味着电流从WE引脚流出，随气体浓度呈现线性变化。跨阻放大器U1-B将传感器电流转换为与气体浓度成正比的电压。

图2 气体检测电路

2.3 A/D采集电路

本次设计使用的PCF8591是具有I2C总线接口的8位A/ D及D/A转换器。有4路A/D转换输入，1路D/A模拟输出，可采集多路气体浓度数据。在与单片机的信息传输过程中仅靠时钟线SCL和数据线SDA就可以实现。 A/D采集气体检测电路的输出电压值转换为数字量再传送给从单片机，实现数据的采集。其接口电路如图3所示。

图3 A/D接口电路

2.4 无线收发电路

nRF24L01是由NORDIC生产的工作在2.4GHz～2.5GHz的ISM 频段的单片无线收发器芯片。无线收发器包括：频率发生器、增强型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器。输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置。几乎可以连接到各种单片机芯片，并完成无线数据传送工作。本系统把从单片机得到的气体浓度数据经nRF24L01传送到主单片机。其电路如图4所示。

图4 无线收发电路

2.5 液晶显示设计

系统使用带中文字库的12864LCD与上位机配合显示气体浓度数据，12862LCD显示屏适中，接于主单片机系统，使系统在不打开上位机的情况下也能得出浓度数据，能够较为直观的显示浓度数据。

2.6 蓝牙串口通讯电路

如今大多数电脑自带蓝牙系统（即便没有自带也可通过蓝牙适配器使电脑具有蓝牙通讯功能），系统通过蓝牙串口模块与上位机蓝牙配对之后进行串口通讯，和传统串口通讯相比较省略了线路连接，整个系统实现完全无线通讯。主单片机系统不必直接与上位机相连便可通讯，使系统更加灵活方便。

3 系统软件设计

一个完整的系统离不开高质量的软件支持。开机之后，上电复位，系统初始化。初始化完成后，进行气体浓度采集。采集完气体浓度数据后通过无线模块发送出去，然后判断无线接收模块是否接收到数据，如果无线接收模块未接收到数据程序返回无线发送阶段再次发送数据；若接收到数据，将数据同时传送到液晶显示器和蓝牙串口通讯，蓝牙串口将数据送到上位机显示。最后判断蓝牙串口发送是否完成，等待数据发送完成后，程序返回气体浓度采集阶段，进行新一轮的过程，如此无限循环，实现气体成分实时监控。程序流程图如图5所示。

上位机软件由Visual Studio编写，上位机界面如图6所示。

图5 主程序流程图

4 实验结果及分析

为验证系统的准确性，对系统进行了测试。将系统置于标准气体中，对比系统测量值与标准值偏差量，结果如表1所示。

由表可知，本系统在实际测量中准确度很高，运行可靠。

图6 上位机界面

5 结论

经验证，本系统能够实现无线多点气体的检测，系统稳定性强、准确度高，且使用方便灵活，结构简单，适用范围广，较好地适用于人为难以直接测量的场合。本项目实现对气体的多种浓度参数进行检测实时监控，能够更加全面可靠地了解用大气污染状态。

表1 气体浓度偏差量表

[1]郭天翔.新概念51单片机C语言教程[M].北京：电子工业出版社，2009.

[2]谭浩强.C程序设计[M].第四版.北京.清华大学出版社，2010.

[3]Karli Watson, Christian Nagel. C#入门经典[M].第五版.北京：清华大学出版社，2010.

[4]陈杰.传感器与检测技术[M].北京：高等教育出版社，2002.

Design and experiment of multipoint wireless gas composition detection system

Yang Wei,Tang Jie,Li Hui
（Department of Electrical Engineering,Shaoyang University,Shaoyang,422000,China）

Using single chip microcomputer and PC to realize the gas composition of real-time detection (including sulfur dioxide, nitric oxide, nitrogen oxides, etc.), all point to the output of gas sensor signal by single chip after the use of wireless transmission sent to the PC, to realize the collection gas concentration, multi-point measurement and PC display function, can real-time monitoring the gas composition and concentration, make people more intuitive and convenient to understand all kinds of gas component concentration. Project implementation results have certain value for engineering application.

wireless transmission; gas composition; microcontroller; PC

TN98

A

杨威（1993-），男，江西省瑞金市，在读本科，研究方向为MCU应用系统设计；

2015湖南省大学生研究性学习和创新性试验计划项目（湘教通[2015]269号)

唐杰（1975-），男，湖南省邵阳市，博士，教授，研究方向为电力系统谐波抑制和无功功率补偿。