PID光離子氣體檢測(cè)儀研究及設(shè)計(jì)

常州鐵道高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校軌道交通系　王衿燕

PID光離子氣體檢測(cè)儀研究及設(shè)計(jì)

常州鐵道高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校軌道交通系王衿燕

光離子檢測(cè)技術(shù)具有靈敏度高，通用性強(qiáng)、能檢測(cè)多種VOC氣體和有毒氣體等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)和工業(yè)氣體監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)中。本文通過對(duì)光離子技術(shù)的研究，設(shè)計(jì)了一款光離子氣體檢測(cè)儀，該檢測(cè)儀以ADuc7060微處理器為核心，將PID氣體檢測(cè)元件輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行放大采集，采用oLED液晶進(jìn)行顯示并通過RS485方式進(jìn)行傳輸，同時(shí)為了提高儀器的靈敏度及使用壽命，本儀器采用泵吸的方式進(jìn)行氣體檢測(cè)。

光離子；ADuc7060；oLED顯示；RS485

0　前言

紫外光光離子化檢測(cè)器具有精度高（ppb級(jí)），響應(yīng)快，可以連續(xù)測(cè)試等優(yōu)點(diǎn)，既可以應(yīng)用于檢測(cè)極低濃度可揮發(fā)性有機(jī)物（VOC）氣體，也可檢測(cè)部分無(wú)機(jī)有毒氣體，如NH3，H2S，氯乙烯等。光離子化氣體傳感器可廣泛應(yīng)用于航空和航天領(lǐng)域、戰(zhàn)場(chǎng)生化檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、安全檢查、化學(xué)化工、汽車、船舶、鐵路運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域，尤其是在航天燃料泄漏檢測(cè)，戰(zhàn)場(chǎng)生化檢測(cè)、災(zāi)區(qū)事故泄漏檢測(cè)、易燃易爆有機(jī)氣體檢測(cè)方面發(fā)揮著重要作用。隨著人們生活水平的提高，對(duì)環(huán)境質(zhì)量及工業(yè)安全生產(chǎn)越來(lái)越重視，VOC氣體及有毒氣體的檢測(cè)顯得越來(lái)越重要，未來(lái)具有廣闊的市場(chǎng)前景。

1　PID原理分析

大部分氣體是都有其特定的電離能（IP），用電子伏特（eV）來(lái)表示，在電離室中通過真空紫外燈使電離樣品氣體成為帶電離子，在樣品氣體通過電離室時(shí)，所有電離能低于真空紫外燈光子能量的氣體均會(huì)被紫外燈電離成離子和電子，離子和電子通過外加電場(chǎng)的加速，向金屬電極板快速移動(dòng)，在兩個(gè)電極之間產(chǎn)生可被微電流檢測(cè)器檢測(cè)到的電流信號(hào)（電流信號(hào)往往極其微弱，有時(shí)小于1pA）。如圖1為PID光離子原理工作的整個(gè)過程，被測(cè)氣體通過自由擴(kuò)散或泵吸的方式進(jìn)入離子化氣室，在氣室中，被特定能量（10.6eV）的紫外光電離出電子和離子，電子和離子在電場(chǎng)作用下，定向移動(dòng)，形成微弱電流，最后通過對(duì)這些微弱電流進(jìn)行放大輸出。

圖1　光離子化反應(yīng)原理

光離子化檢測(cè)器離子化池中兩電極之間的電流i用下式計(jì)算

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

如圖2為光離子傳感器的硬件結(jié)構(gòu)框圖，該傳感器主要包括PID光離子放大檢測(cè)電路、CPU控制采集模塊、RS485通信模塊、微泵驅(qū)動(dòng)模塊、紅外接收模塊、oLED顯示模塊等。整個(gè)系統(tǒng)工作過程中，信號(hào)處理電路負(fù)責(zé)對(duì)PID元件輸出的微弱電流進(jìn)行取樣、放大、輸出；通過ADI公司的ADu7060處理器進(jìn)行采集，通過oLED液晶屏進(jìn)行顯示，同時(shí)通過RS485通信接口及時(shí)將采集信息上傳至上位機(jī)，當(dāng)檢測(cè)到環(huán)境中被測(cè)氣體超過限制時(shí)，進(jìn)行聲光報(bào)警，提醒工作人員及時(shí)采取措施。

圖2　傳感器硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.2微處理器小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PID光離子傳感器具有較高的靈敏度，最小分別率為ppb級(jí)別，同時(shí)傳感器量程具有較廣的跨度，最高達(dá)到10000ppb以上，因此在進(jìn)行采集信號(hào)時(shí)，需要保證在整個(gè)量程都具有較高的精度，為了能最大程度提高傳感器的采集精度，本系統(tǒng)選用ADI公司的微處理器ADu7060，該芯片具有2路差分24位AD，能很充分滿足系統(tǒng)采集精度。同時(shí)該系統(tǒng)具有SPI、UART等通信接口，能很好的完成對(duì)OLED顯示及RS485通信功能。

2.3微處理器外圍電路

CPU外圍電路主要包括RC復(fù)位電路、聲光報(bào)警電路、看門狗存儲(chǔ)電路、微泵驅(qū)動(dòng)電路、紅外遙控電路等。RC復(fù)位電路能使主控芯片ADu7060進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，通過上拉電阻與去耦電容完成；紅外接收電路采用HS0038B紅外接收頭，將HS0038B輸出端連接單片機(jī)外部中斷，這樣當(dāng)紅外遙控器按鍵按下產(chǎn)生對(duì)應(yīng)鍵值調(diào)制編碼，HS0038B紅外接收頭接收到該編碼解調(diào)輸出，微控制器可以對(duì)該輸出信號(hào)脈沖直接進(jìn)行解碼，從而得到遙控器按鍵值，通過紅外遙控可以實(shí)現(xiàn)功能的選擇，參數(shù)的設(shè)置、傳感器標(biāo)校等。看門狗存；儲(chǔ)電路采用外部存儲(chǔ)芯片CAT1161來(lái)完成，CAT1161運(yùn)用低功耗CMOS 技術(shù)，在片內(nèi)集成了帶硬件存儲(chǔ)寫保護(hù)的串行EEPROM 存儲(chǔ)器（16K）、節(jié)能型系統(tǒng)電源監(jiān)控電路和一個(gè)看門狗定時(shí)器。聲光報(bào)警電路主要用于提醒用戶環(huán)境中被測(cè)氣體濃度超標(biāo)，及時(shí)采取措施；氣體采用方式分為擴(kuò)散方式和泵吸方式兩種，PID傳感器在工作過程中，紫外光會(huì)產(chǎn)生大量的臭氧離子，臭氧離子的強(qiáng)氧化性會(huì)使進(jìn)入電離室的部分VOC分子氧化變成一些小分子物質(zhì)，從而使其不能被紫外燈電離，會(huì)輸出信號(hào)變小，為了提高儀器的靈敏度，需要及時(shí)的將電離產(chǎn)生的臭氧排出檢測(cè)氣室。所以在設(shè)計(jì)PID傳感器為了提高傳感器的精度和靈敏度，需要采用泵吸的方式進(jìn)行采用，本文采用5V直流泵，保證200ml/min的流量進(jìn)行取樣氣體。

2.4信號(hào)濾波及放大電路

由于PID光離子檢測(cè)元件輸出的電流很小，一般為nA、pA級(jí)，因此，在進(jìn)行采集前，需要對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行有效的放大及濾波，為了能更好的提取輸出信號(hào)，本設(shè)計(jì)采用兩級(jí)放大電路進(jìn)行信號(hào)提取。整個(gè)信號(hào)提取過程包括低通濾波、前置放大電路、二次放大電路。為了提高測(cè)量信號(hào)的穩(wěn)定性和抗干擾能力，需要選擇增益大、共模抑制比高、失調(diào)和溫漂小的運(yùn)放，本文選擇AD公司的AD620。

圖3　前置放大電路

如圖3所示為PID前置放大電路，PID輸出電流信號(hào)I經(jīng)電阻R6取樣，經(jīng)運(yùn)算放大器放大，輸出，輸出端電壓信號(hào)大小Out1=-I× R5，信號(hào)放大中會(huì)產(chǎn)生斬波尖峰噪聲，設(shè)計(jì)中充分利用了電阻電容組成低通濾波器減少了干擾，提高了信號(hào)穩(wěn)定性，由于經(jīng)前置放大電路后，輸出信號(hào)Out1仍然很小，不便于處理器采集，因此需要進(jìn)行二次放大，如圖4所示，為信號(hào)二級(jí)放大電路，Out1經(jīng)跟隨器輸出后進(jìn)行二次放大，輸出信號(hào)Out =R10/R9×Out1 = R10×R5/R9×I，最終輸出信號(hào)Out經(jīng)RC低通濾波器輸出給單片機(jī)采集。

2.5RS485通信電路設(shè)計(jì)

圖4　二級(jí)放大電路

如圖5所示為RS485通信電路，采用3.3V供電的MAX3072芯片，當(dāng)MAX3072收發(fā)器的Pin6（RS-485-A線）和Pin7（RS-485-B線）接收來(lái)自RS-485總線上的數(shù)據(jù)時(shí)，通過MAX3072收發(fā)器后的數(shù)據(jù)從（RO）輸出數(shù)據(jù)到MCU的UART端口；數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，MCU的UART端口輸出數(shù)據(jù)經(jīng)過MAX3072收發(fā)器后從RS-485-A和RS-485-B線輸出到RS-485總線上。MAX3072工作在半雙工模式下，數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送不能夠同時(shí)進(jìn)行，所以需要/RE和DE來(lái)控制收發(fā)器的工作狀態(tài)，在設(shè)備上電后或者設(shè)備故障時(shí)，為保證設(shè)備間不出現(xiàn)同時(shí)占用RS-485總線的情況，通常硬件設(shè)計(jì)時(shí)默認(rèn)上電后的設(shè)備狀態(tài)為接收狀態(tài)。設(shè)計(jì)中，通過三極管V1的通斷來(lái)切換RS-485的收發(fā)狀態(tài)，在485_EN使能控制端為高電平或者高阻態(tài)時(shí)，RS-485收發(fā)器處于接收狀態(tài)，485_EN使能控制端為低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通收發(fā)器處于發(fā)送狀態(tài)。

RS-485在通信設(shè)備上作為遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，接口使用比較頻繁，經(jīng)常帶電插拔，因此接口容易受到過電壓、過電流的沖擊，同時(shí)亦容易受到戶外雷電干擾，若不進(jìn)行保護(hù)很容易將接口芯片損壞。為此，本設(shè)計(jì)中采用半導(dǎo)體放電管、功率電阻和雙向瞬態(tài)抑制二極管組成兩級(jí)防護(hù)。

圖5　RS485通信電路

2.6OLED液晶顯示電路

為了能更好的完成人機(jī)交互功能，本設(shè)計(jì)采用紅外遙控輸入完成輸入功能，采用OLED液晶屏作為顯示功能。顯示電路主要用來(lái)顯示傳感器的實(shí)時(shí)信息，為了兼顧低功耗和顯示醒目，顯示電路采用了維信諾科技公司生產(chǎn)的VGG12864G-S002 OLED顯示模塊，OLED顯示屏和LCD屏相比具有超輕薄、高亮度、廣視角、自發(fā)光、響應(yīng)速度快、適應(yīng)溫度范圍寬、抗震強(qiáng)、功耗低、可實(shí)現(xiàn)柔軟顯示等優(yōu)越性能。ADu7060中用端口P0.6、P0.7、P1.2～P18. 作為數(shù)據(jù)口， 向OLCD寫顯示數(shù)據(jù)，P0. 0～ P0. 4分別控制液晶控制位RS、R/ W、E、/RST。在并行模式下， 從MCU寫數(shù)據(jù)到OLED屏的時(shí)序如圖6所示。從圖6中可以看出，當(dāng)R/W=0、E=1時(shí)， MPU可以向顯示屏寫入數(shù)據(jù)。另外，當(dāng)RS=時(shí)， 寫入的是數(shù)據(jù) 當(dāng)RS=0時(shí)， 寫入的是命令。

圖6. LCD模塊并行寫數(shù)據(jù)時(shí)序圖

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言進(jìn)行模塊化程序設(shè)計(jì)。主要包括初始化、遙控輸入、信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理、液晶顯示、RS485輸出、聲光報(bào)警及輸出控制等模塊。在信號(hào)采集處理方面采用連續(xù)采集方式；數(shù)據(jù)處理主要是將采集的AD值采用均值、中值等濾波后計(jì)算出氣體的濃度；顯示功能主要包括實(shí)時(shí)的將計(jì)算出的氣體濃度通過并行的方式寫入液晶進(jìn)行顯示；輸出功能，主要是指通過RS485方式將氣體濃度值傳輸給上位機(jī)，同時(shí)判斷氣體濃度是否超限，如果超限控制聲光報(bào)警及開出口輸出。如圖7為系統(tǒng)軟件流程圖。

圖7　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

4　結(jié)論

PID光離子氣體檢測(cè)儀采用小體積、低功耗，內(nèi)部集成高精度差分AD功能的單片機(jī)ADuc7060，配合相應(yīng)的外圍通信、顯示、報(bào)警電路，最終實(shí)現(xiàn)光離子氣體檢測(cè)儀的各個(gè)功能，該檢測(cè)儀具有功耗低、測(cè)量準(zhǔn)確、精度高等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)氣體監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)及環(huán)境質(zhì)量測(cè)量應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊的市場(chǎng)前景。

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