PID光离子气体检测仪研究及设计

2016-09-27常州铁道高等职业技术学校轨道交通系王衿燕

电子世界 2016年16期

常州铁道高等职业技术学校轨道交通系　王衿燕

PID光离子气体检测仪研究及设计

常州铁道高等职业技术学校轨道交通系王衿燕

光离子检测技术具有灵敏度高，通用性强、能检测多种VOC气体和有毒气体等优点，被广泛应用于环境监测和工业气体监测报警系统中。本文通过对光离子技术的研究，设计了一款光离子气体检测仪，该检测仪以ADuc7060微处理器为核心，将PID气体检测元件输出的微弱信号进行放大采集，采用oLED液晶进行显示并通过RS485方式进行传输，同时为了提高仪器的灵敏度及使用寿命，本仪器采用泵吸的方式进行气体检测。

光离子；ADuc7060；oLED显示；RS485

0　前言

紫外光光离子化检测器具有精度高（ppb级），响应快，可以连续测试等优点，既可以应用于检测极低浓度可挥发性有机物（VOC）气体，也可检测部分无机有毒气体，如NH3，H2S，氯乙烯等。光离子化气体传感器可广泛应用于航空和航天领域、战场生化检测、环境监测、安全检查、化学化工、汽车、船舶、铁路运输等领域，尤其是在航天燃料泄漏检测，战场生化检测、灾区事故泄漏检测、易燃易爆有机气体检测方面发挥着重要作用。随着人们生活水平的提高，对环境质量及工业安全生产越来越重视，VOC气体及有毒气体的检测显得越来越重要，未来具有广阔的市场前景。

1　PID原理分析

大部分气体是都有其特定的电离能（IP），用电子伏特（eV）来表示，在电离室中通过真空紫外灯使电离样品气体成为带电离子，在样品气体通过电离室时，所有电离能低于真空紫外灯光子能量的气体均会被紫外灯电离成离子和电子，离子和电子通过外加电场的加速，向金属电极板快速移动，在两个电极之间产生可被微电流检测器检测到的电流信号（电流信号往往极其微弱，有时小于1pA）。如图1为PID光离子原理工作的整个过程，被测气体通过自由扩散或泵吸的方式进入离子化气室，在气室中，被特定能量（10.6eV）的紫外光电离出电子和离子，电子和离子在电场作用下，定向移动，形成微弱电流，最后通过对这些微弱电流进行放大输出。

图1　光离子化反应原理

光离子化检测器离子化池中两电极之间的电流i用下式计算

2　系统硬件设计

2.1系统整体方案设计

如图2为光离子传感器的硬件结构框图，该传感器主要包括PID光离子放大检测电路、CPU控制采集模块、RS485通信模块、微泵驱动模块、红外接收模块、oLED显示模块等。整个系统工作过程中，信号处理电路负责对PID元件输出的微弱电流进行取样、放大、输出；通过ADI公司的ADu7060处理器进行采集，通过oLED液晶屏进行显示，同时通过RS485通信接口及时将采集信息上传至上位机，当检测到环境中被测气体超过限制时，进行声光报警，提醒工作人员及时采取措施。

图2　传感器硬件结构框图

2.2微处理器小系统设计

PID光离子传感器具有较高的灵敏度，最小分别率为ppb级别，同时传感器量程具有较广的跨度，最高达到10000ppb以上，因此在进行采集信号时，需要保证在整个量程都具有较高的精度，为了能最大程度提高传感器的采集精度，本系统选用ADI公司的微处理器ADu7060，该芯片具有2路差分24位AD，能很充分满足系统采集精度。同时该系统具有SPI、UART等通信接口，能很好的完成对OLED显示及RS485通信功能。

2.3微处理器外围电路

CPU外围电路主要包括RC复位电路、声光报警电路、看门狗存储电路、微泵驱动电路、红外遥控电路等。RC复位电路能使主控芯片ADu7060进入复位状态，通过上拉电阻与去耦电容完成；红外接收电路采用HS0038B红外接收头，将HS0038B输出端连接单片机外部中断，这样当红外遥控器按键按下产生对应键值调制编码，HS0038B红外接收头接收到该编码解调输出，微控制器可以对该输出信号脉冲直接进行解码，从而得到遥控器按键值，通过红外遥控可以实现功能的选择，参数的设置、传感器标校等。看门狗存；储电路采用外部存储芯片CAT1161来完成，CAT1161运用低功耗CMOS 技术，在片内集成了带硬件存储写保护的串行EEPROM 存储器（16K）、节能型系统电源监控电路和一个看门狗定时器。声光报警电路主要用于提醒用户环境中被测气体浓度超标，及时采取措施；气体采用方式分为扩散方式和泵吸方式两种，PID传感器在工作过程中，紫外光会产生大量的臭氧离子，臭氧离子的强氧化性会使进入电离室的部分VOC分子氧化变成一些小分子物质，从而使其不能被紫外灯电离，会输出信号变小，为了提高仪器的灵敏度，需要及时的将电离产生的臭氧排出检测气室。所以在设计PID传感器为了提高传感器的精度和灵敏度，需要采用泵吸的方式进行采用，本文采用5V直流泵，保证200ml/min的流量进行取样气体。

2.4信号滤波及放大电路

由于PID光离子检测元件输出的电流很小，一般为nA、pA级，因此，在进行采集前，需要对输出信号进行有效的放大及滤波，为了能更好的提取输出信号，本设计采用两级放大电路进行信号提取。整个信号提取过程包括低通滤波、前置放大电路、二次放大电路。为了提高测量信号的稳定性和抗干扰能力，需要选择增益大、共模抑制比高、失调和温漂小的运放，本文选择AD公司的AD620。

图3　前置放大电路

如图3所示为PID前置放大电路，PID输出电流信号I经电阻R6取样，经运算放大器放大，输出，输出端电压信号大小Out1=-I× R5，信号放大中会产生斩波尖峰噪声，设计中充分利用了电阻电容组成低通滤波器减少了干扰，提高了信号稳定性，由于经前置放大电路后，输出信号Out1仍然很小，不便于处理器采集，因此需要进行二次放大，如图4所示，为信号二级放大电路，Out1经跟随器输出后进行二次放大，输出信号Out =R10/R9×Out1 = R10×R5/R9×I，最终输出信号Out经RC低通滤波器输出给单片机采集。

2.5RS485通信电路设计

图4　二级放大电路

如图5所示为RS485通信电路，采用3.3V供电的MAX3072芯片，当MAX3072收发器的Pin6（RS-485-A线）和Pin7（RS-485-B线）接收来自RS-485总线上的数据时，通过MAX3072收发器后的数据从（RO）输出数据到MCU的UART端口；数据发送时，MCU的UART端口输出数据经过MAX3072收发器后从RS-485-A和RS-485-B线输出到RS-485总线上。MAX3072工作在半双工模式下，数据的接收和发送不能够同时进行，所以需要/RE和DE来控制收发器的工作状态，在设备上电后或者设备故障时，为保证设备间不出现同时占用RS-485总线的情况，通常硬件设计时默认上电后的设备状态为接收状态。设计中，通过三极管V1的通断来切换RS-485的收发状态，在485_EN使能控制端为高电平或者高阻态时，RS-485收发器处于接收状态，485_EN使能控制端为低电平时，三极管导通收发器处于发送状态。

RS-485在通信设备上作为远距离数据传输，接口使用比较频繁，经常带电插拔，因此接口容易受到过电压、过电流的冲击，同时亦容易受到户外雷电干扰，若不进行保护很容易将接口芯片损坏。为此，本设计中采用半导体放电管、功率电阻和双向瞬态抑制二极管组成两级防护。

图5　RS485通信电路

2.6OLED液晶显示电路

为了能更好的完成人机交互功能，本设计采用红外遥控输入完成输入功能，采用OLED液晶屏作为显示功能。显示电路主要用来显示传感器的实时信息，为了兼顾低功耗和显示醒目，显示电路采用了维信诺科技公司生产的VGG12864G-S002 OLED显示模块，OLED显示屏和LCD屏相比具有超轻薄、高亮度、广视角、自发光、响应速度快、适应温度范围宽、抗震强、功耗低、可实现柔软显示等优越性能。ADu7060中用端口P0.6、P0.7、P1.2～P18. 作为数据口，向OLCD写显示数据，P0. 0～ P0. 4分别控制液晶控制位RS、R/ W、E、/RST。在并行模式下，从MCU写数据到OLED屏的时序如图6所示。从图6中可以看出，当R/W=0、E=1时， MPU可以向显示屏写入数据。另外，当RS=时，写入的是数据当RS=0时，写入的是命令。

图6. LCD模块并行写数据时序图

3　系统软件设计

本设计采用C语言进行模块化程序设计。主要包括初始化、遥控输入、信号采集、数据处理、液晶显示、RS485输出、声光报警及输出控制等模块。在信号采集处理方面采用连续采集方式；数据处理主要是将采集的AD值采用均值、中值等滤波后计算出气体的浓度；显示功能主要包括实时的将计算出的气体浓度通过并行的方式写入液晶进行显示；输出功能，主要是指通过RS485方式将气体浓度值传输给上位机，同时判断气体浓度是否超限，如果超限控制声光报警及开出口输出。如图7为系统软件流程图。