張 鵬 杜航航

(中國(guó)民航大學(xué)工程技術(shù)訓(xùn)練中心，天津 300300)

基于RS- 485總線的瓦斯檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

張 鵬 杜航航

(中國(guó)民航大學(xué)工程技術(shù)訓(xùn)練中心，天津 300300)

目前天然氣管道分布范圍廣泛，針對(duì)常見(jiàn)的瓦斯檢測(cè)儀精度低、可靠性差、功能較單一以及不便于集群控制等不足，設(shè)計(jì)了一種基于RS- 485總線的瓦斯?jié)舛葯z測(cè)儀。以Atxmega32a4處理器為核心，基于RS- 485總線對(duì)天然氣管道不同位置進(jìn)行瓦斯?jié)舛葯z測(cè)，將濃度信息及時(shí)上傳到上位機(jī)，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)瓦斯微量泄漏點(diǎn)的位置。對(duì)于每個(gè)獨(dú)立的檢測(cè)儀，都可以通過(guò)紅外遙控器進(jìn)行復(fù)雜環(huán)境中的零點(diǎn)校準(zhǔn)、增益校準(zhǔn)、設(shè)備地址編碼、操作密碼設(shè)定、高低限報(bào)警閾值設(shè)定等功能。試驗(yàn)表明，該燃?xì)馔咚節(jié)舛葯z測(cè)儀具有測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好、功耗低、安全性好、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，具有很高的推廣價(jià)值。

Atxmega32a4 紅外遙控器 RS- 485總線 微量泄漏檢測(cè) 低功耗

0 引言

隨著“西氣東輸”工程的實(shí)施和擴(kuò)建，以及城鎮(zhèn)化建設(shè)的進(jìn)行，天然氣管道安裝到千家萬(wàn)戶，瓦斯泄漏引發(fā)爆炸以及家庭人員因瓦斯泄漏中毒事故時(shí)常發(fā)生[1]。如果能及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)的位置，這些災(zāi)難就可避免，所以研發(fā)一種能檢測(cè)微量瓦斯泄漏的檢測(cè)儀很有必要。目前常見(jiàn)的瓦斯?jié)舛葯z測(cè)儀大多存在一些缺陷，如可靠性差、精度低、傳感器損壞不易發(fā)現(xiàn)等[2]。本文采用催化燃燒式傳感器NAP-55A，配合低功耗、高分辨率的控制器Atxmega32a4，根據(jù)瓦斯?jié)舛扰c傳感器輸出電壓之間良好的線性關(guān)系，設(shè)計(jì)了一種多功能、可進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸、適應(yīng)多種復(fù)雜環(huán)境的瓦斯?jié)舛葯z測(cè)儀。該檢測(cè)儀既可以單個(gè)應(yīng)用于家庭生活，也可通過(guò)RS- 485總線進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)的大規(guī)模集群控制。

1 瓦斯檢測(cè)儀硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的瓦斯檢測(cè)儀由數(shù)碼管顯示模塊、紅外遙控接收模塊、傳感器驅(qū)動(dòng)模塊、RS- 485模塊組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

以Atxmega32a4控制器作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，數(shù)碼顯示模塊采用處理器Atmega48與Atxmega32a4進(jìn)行串口數(shù)據(jù)交互，顯示內(nèi)容為檢測(cè)的瓦斯實(shí)時(shí)濃度以及紅外遙控器的按鍵操作。系統(tǒng)基于瓦斯微量泄漏探測(cè)設(shè)計(jì)，選用NAP-55A催化燃燒式探測(cè)器，并使用數(shù)碼管顯示實(shí)時(shí)濃度值。采用RS- 485總線傳輸，提高了總線的利用率。每個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)采用繼電器與總線隔離，保證個(gè)體損壞的情況下不對(duì)RS- 485總線造成影響，保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

1.1 探測(cè)器驅(qū)動(dòng)電路

所采用的探測(cè)器NAP-55A檢測(cè)原理是催化燃燒式，其檢測(cè)原理為：甲烷和氧氣在載體催化原件表面反應(yīng)，放出熱量，使元件溫度上升；元件溫度增量將引起元件電阻的增加，通過(guò)測(cè)量電阻增量就可以測(cè)量瓦斯?jié)舛萚3-4]。該類型的探測(cè)器具有小型、低功耗、高速應(yīng)答、受溫度和濕度影響小的特點(diǎn)，成為目前國(guó)內(nèi)檢測(cè)瓦斯的主要探測(cè)器[5]。

TD6811供電電路如圖2所示。

圖2 TD6811供電電路

由于探測(cè)器NAP-55A的檢測(cè)原理是在不同濃度的瓦斯氣體中輸出電壓呈線性變化，其供電電流為150～170 mA，供電參考電壓要求長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)穩(wěn)定且滿足其功率要求。系統(tǒng)中采用開(kāi)關(guān)電源芯片TD6811給探測(cè)器供電，TD6811是一個(gè)高效率單片同步降壓型穩(wěn)壓芯片，采用恒定頻率、電流模式架構(gòu)。低負(fù)載時(shí)效率高達(dá)96%，最大輸出1.2 A電流，足夠滿足探測(cè)器的功率要求，而且發(fā)熱小，能保證長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作。

探測(cè)器供電電路選用器件少，電感與電容限值小，經(jīng)測(cè)試輸出電壓穩(wěn)定。

1.2 RS- 485電路

圖3為RS- 485接口電路，該電路使串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為差分信號(hào)傳輸，使傳輸距離由串口的最大限度15 m增加到1 000 m左右，足夠滿足瓦斯區(qū)域化的監(jiān)測(cè)要求。其中輸入端采用光耦隔離，光耦器件采用PS2801，電阻R3、R7、R8對(duì)光耦發(fā)光管起限流作用。如果阻值過(guò)大，會(huì)使光耦的發(fā)光管由截止進(jìn)入飽和變得很慢；如果阻值過(guò)小，將會(huì)導(dǎo)致輸出三極管深度飽和，使得退出飽和也變得很緩慢[6]。通過(guò)合理的配置這三個(gè)電阻，使RS- 485接口可以工作在合適的波特率上。光耦合器件信號(hào)單向傳輸，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，輸出信號(hào)對(duì)輸入端無(wú)影響，抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，可以防止由于總線的電氣參量與微處理器模塊的電氣參量的不同而造成設(shè)備故障，從而保證微處理器等模塊的正常運(yùn)行。另外，每個(gè)檢測(cè)儀與總線相連接口采用兩個(gè)繼電器與總線隔離。當(dāng)檢測(cè)儀上電后，進(jìn)行自檢，當(dāng)沒(méi)故障時(shí)繼電器吸合。這樣設(shè)計(jì)保證了單個(gè)設(shè)備的故障不會(huì)對(duì)總線電氣參量產(chǎn)生影響。RS- 485信號(hào)線要考慮阻抗匹配問(wèn)題，阻抗不匹配將引起傳輸信號(hào)的反射，使數(shù)字波形產(chǎn)生振蕩[7]。所以在傳輸端加一個(gè)120 Ω左右的匹配電阻，減少傳輸信號(hào)的反射。

圖3 RS- 485總線接口

系統(tǒng)采用RS- 485總線，掛在總線上各個(gè)點(diǎn)的探測(cè)儀均對(duì)總線有占用權(quán)，平時(shí)處于等待狀態(tài)。當(dāng)出現(xiàn)故障或者報(bào)警信息需要占用總線時(shí)，首先會(huì)監(jiān)測(cè)總線是否被其他設(shè)備占用，如無(wú)占用，則直接向上位機(jī)傳送設(shè)備狀態(tài)；如有占用，則需等待總線空閑時(shí)再發(fā)送數(shù)據(jù)[8]。每一個(gè)探測(cè)器對(duì)應(yīng)一個(gè)唯一的地址，當(dāng)上位機(jī)訪問(wèn)各個(gè)點(diǎn)的探測(cè)儀時(shí)，會(huì)通過(guò)相對(duì)應(yīng)的地址進(jìn)行訪問(wèn)，各個(gè)探測(cè)儀也只接收傳送給自己地址的數(shù)據(jù)。通信協(xié)議格式如圖4所示。

幀頭功能碼地址信息字1信息字2信息字3信息字4信息字5異或校驗(yàn)

圖4 檢測(cè)儀與上位機(jī)通信協(xié)議

Fig.4 Communication protocol between detector and PC

系統(tǒng)RS- 485總線控制器的設(shè)計(jì)可以檢測(cè)相同地址編碼設(shè)備。相同地址編碼設(shè)備連入總線時(shí)，處理的機(jī)制是按連入總線的先后時(shí)間的注冊(cè)機(jī)制，對(duì)后掛入總線的相同地址的設(shè)備不進(jìn)行處理。對(duì)那些默認(rèn)未編址設(shè)備(系統(tǒng)中默認(rèn)地址為0)，只要探測(cè)儀掛入總線中，就能采用插空法給設(shè)備進(jìn)行地址自主編碼。信息字1、2為燃?xì)鉂舛龋?、4分別為高低限報(bào)警濃度，信息字5為檢測(cè)儀狀態(tài)。除了紅外遙控器的操作密碼設(shè)定外，上位機(jī)可以模擬遙控器所有的功能操作，這一點(diǎn)可以很方便地運(yùn)用在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)各個(gè)點(diǎn)濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)與調(diào)節(jié)。

1.3 核心控制器

系統(tǒng)選用Atxmega32a4單片機(jī)作為核心處理器，外部晶振采用7.372 8 MHz頻率晶振，經(jīng)內(nèi)部4倍頻后系統(tǒng)速度達(dá)到將近30 MHz。它具有高速度、低功耗的特點(diǎn)，適合瓦斯?jié)舛葯z測(cè)儀這種需要實(shí)時(shí)處理且不間斷運(yùn)行的系統(tǒng)。它具有先進(jìn)的精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)(reduced instruction set computer,RISC)結(jié)構(gòu)和PDI下載接口，集成了32 kB的Flash、1 kB的EEPROM和燃?xì)鉂舛鹊葦?shù)據(jù)，便于存儲(chǔ)，引腳有豐富的復(fù)用功能。另外有12路12位分辨率的ADC，能更好地發(fā)揮探測(cè)器的高精度特性；還有5個(gè)串口，兩個(gè)16位定時(shí)器用于紅外遙控信號(hào)的識(shí)別。鑒于以上因素，選取Atxmega32a4作為核心處理器。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 紅外遙控解碼

現(xiàn)有的紅外遙控脈沖調(diào)制包括兩種方式：PPM(脈沖位置調(diào)制)和PWM(脈沖寬度調(diào)制)[9]。本系統(tǒng)所采用的遙控器屬于PWM型，采用NEC編碼格式，編碼方式為一幀數(shù)據(jù)有32位碼，包含2位相同的客戶碼，8位數(shù)據(jù)碼和8位數(shù)據(jù)碼的反碼[10]。數(shù)據(jù)碼“0”和“1”的脈沖寬度不同，以此即可識(shí)別邏輯“0”和“1”。兩個(gè)字節(jié)的客戶碼是由遙控器硬件本身決定，不會(huì)隨著按鍵值的不同而變化，第三、第四個(gè)字節(jié)為數(shù)據(jù)碼及其反碼，故只須讀取第三個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)碼，就能確定不同的按鍵。為保證中間不會(huì)有誤碼，系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)碼與數(shù)據(jù)碼的反碼，進(jìn)行對(duì)比，如果所得數(shù)據(jù)碼與其反碼相對(duì)應(yīng)，則認(rèn)為按鍵按下。NEC格式在32位碼前還有一組引導(dǎo)碼，它由4.5 ms的載波和載波判斷碼組成，以此作為客戶碼、數(shù)據(jù)碼以及它們反碼的先導(dǎo)。系統(tǒng)采用中斷處理解碼工作。

2.2 數(shù)碼管顯示

對(duì)于不同的客戶需求，顯示部分的要求也多種多樣，該系統(tǒng)采用顯示部分與處理部分相互獨(dú)立的方式，采用兩個(gè)MCU串口通信用于瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控以及濃度顯示。顯示部分采用Atmega48單片機(jī)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。操作密碼設(shè)定、報(bào)警值設(shè)定、設(shè)備地址編碼以及濃度值校準(zhǔn)由主控處理器Atxmega32a4處理。這些關(guān)鍵性的數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)于Atxmega32a4的EEPROM中，掉電之后不用重新設(shè)定。這樣設(shè)計(jì)的好處是方便以后進(jìn)行顯示部分的升級(jí)。兩個(gè)處理器的通信協(xié)議格式如圖5所示。

幀頭功能碼信息字1信息字2異或校驗(yàn)

圖5 Atxmega32a4與Atmega48通信協(xié)議幀格式

Fig.5 Communication protocol between Atxmega32a4 and Atmega48

圖5中，功能碼對(duì)應(yīng)著紅外遙控器的各個(gè)鍵碼，不同按鍵按下，信息字內(nèi)容也不相同。例如按下修改操作密碼鍵時(shí)，Atxmega32a4向Atmega48發(fā)送指令 7E A1 XX XX XOR(XX XX 為當(dāng)時(shí)燃?xì)鉂舛?，顯示部分進(jìn)入密碼修改模式。修改完成按下確定鍵時(shí)，Atmega48收到7E A2 XX XX XOR確定鍵指令時(shí)，會(huì)回傳7E 80 XX XX XOR(XX XX為保存的密碼值)給Atxmega32a4,存儲(chǔ)于其EEPROM中。下次上電時(shí)首先讀取EEPROM中各地址頁(yè)保存的內(nèi)容，達(dá)到兩個(gè)處理器信息同步的目的。

2.3 處理器主程序流程

Atxmega32a4全程主要處理的任務(wù)就是顯示瓦斯?jié)舛?，進(jìn)而與報(bào)警設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行高低限報(bào)警，報(bào)警燈點(diǎn)亮。此外,處理器還要檢測(cè)探測(cè)器是否正常工作，如發(fā)現(xiàn)供電電壓和輸出電壓有異常，就會(huì)進(jìn)行故障報(bào)警，故障燈點(diǎn)亮。具體流程如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

以上的燈光報(bào)警適用于家庭使用，通過(guò)燈光信息可知濃度及檢測(cè)儀是否正常。另外報(bào)警與故障信息還能通過(guò)RS- 485總線上傳到上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，適用于檢測(cè)儀分布較為分散的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，便于集群控制。

3 試驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)設(shè)計(jì)前所測(cè)濃度數(shù)據(jù)來(lái)自工廠大型紅外頻譜探測(cè)儀，設(shè)計(jì)完之后為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的精度，經(jīng)工廠實(shí)地測(cè)試，在當(dāng)時(shí)環(huán)境中進(jìn)行清零、增益調(diào)節(jié)后，所測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。由表1可以看出，精度達(dá)到工業(yè)使用標(biāo)準(zhǔn)，探測(cè)儀反應(yīng)靈敏，高低限濃度報(bào)警及時(shí)。紅外遙控器操作靈活，斷電后不用重新設(shè)定。

表1 瓦斯?jié)舛葴y(cè)量數(shù)據(jù)表

催化燃燒式傳感器需要預(yù)熱3～5 min才能進(jìn)入正常測(cè)量狀態(tài)，隨著通電時(shí)間的增加，其測(cè)量精度會(huì)逐漸穩(wěn)定下來(lái)。燃?xì)馓綔y(cè)器設(shè)備國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在報(bào)警點(diǎn)的誤差精度在2.5%之內(nèi)，其他點(diǎn)的精度在5%以內(nèi)即可。由表1數(shù)據(jù)可知，傳感器所測(cè)量的濃度誤差均在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的最低范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)采用高精度催化燃燒式探測(cè)器、穩(wěn)定的供電電路和高速率微處理器，瓦斯?jié)舛葯z測(cè)精度與報(bào)警靈敏度都達(dá)到了設(shè)計(jì)的初衷，可以滿足不同環(huán)境的瓦斯檢測(cè)。遙控器可以進(jìn)行多種操作模式的設(shè)置，提高了設(shè)備的安全性。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，精度較高，有很好的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)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

張鵬(1963-)，男，1993年畢業(yè)于天津大學(xué)自動(dòng)化儀表與裝置專業(yè)，獲碩士學(xué)位，教授；主要從事民用航空器機(jī)載系統(tǒng)故障診斷、航班調(diào)度優(yōu)、自動(dòng)化裝置檢測(cè)等方面的教學(xué)與科研工作。

TP212

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201505024

修改稿收到日期：2014-08-31。