Kablosuz alkol konsantrasyonu dedektörünün geliştirilmesi
Gıda endüstrisi, bira endüstrisi, petrokimya endüstrisi ve madencilik işletmeleri, çevre testleri, kamu güvenliği trafik yönetimi, sosyal kamu hizmetleri ve ulusal ekonomik üretimin diğer alanları ve durumlarında ve insanların iş ve yaşamında, genellikle alkol gazının belirli bir ortamda yoğunlaşmasını sağlamak için tespit etmek gerekir. Fabrikaların ve işletmelerin çevre güvenliği ve insanların can ve mal güvenliği. Örneğin, alkol üretim atölyeleri ve petrokimya tesislerindeki alkol konsantrasyonunun izlenmesi fabrika yangınlarını ve patlama kazalarını önleyebilir; sanayi ve madencilik işletmelerinde alkol konsantrasyonunun izlenmesi, personelin alkolizm ve diğer kısır kazalardan korunmasını sağlayabilir; sürücüdeki alkol içeriğini tespit etmek, araba kullanmayı engelleyebilir. Personel sarhoş ve kısır trafik kazalarının oluşumunu azaltmak için sürücü. Bu nedenle, bir alkol gazı konsantrasyon dedektörünün geliştirilmesi çok geniş bir gerçekliğe ve potansiyel pazar talebine sahiptir ve büyük önem taşımaktadır. Sensör performansı, devre tasarımı, veri işleme algoritması ve diğer nedenlerden dolayı, geleneksel alkol gaz dedektörleri, düşük gaz seçiciliği, zayıf anti-parazit performansı, düşük zeka, karmaşık cihaz kullanımı ve verileri gerçek zamanlı olarak kaydedip okuyamama gibi olağanüstü özelliklere sahiptir. sorun. Bunun ışığında yazar, geleneksel alkol algılama ekipmanının eksikliklerini ve eksikliklerini telafi etmek için kablosuz bir akıllı alkol konsantrasyon dedektörü tasarladı ve geliştirdi.
1 Sistem genel şeması
Alkol konsantrasyonu detektörü, gönderen uç ve alıcı uç olmak üzere iki parçadan oluşur ve ana blok diyagramı sırasıyla Şekil 1 ve Şekil 2'de gösterilmiştir. Verici uç esas olarak altı bölümden oluşur: alkol konsantrasyon sensörü ve A / D dönüştürme devresi, STC90C52RC mikro denetleyici, konsantrasyon eşik ayarı ve sesli alarm devresi, sesli yayın devresi, LCD ekran devresi ve kablosuz alıcı-verici devresi; alıcı uç, kablosuz alıcı-verici devresi, STC90C52RC mikro denetleyici ve verilerden oluşur Arayüz iletişim devresi, üst bilgisayardan oluşur.
2 Sistem donanım devre tasarımı
2.1 Sensör devresi ve A / D dönüştürme devresi
TGS2620, Japon FIGARO firması tarafından üretilen, gazdaki alkol konsantrasyonunu tespit edebilen, yüksek hassasiyet, düşük güç tüketimi, uzun ömür ve düşük maliyet özelliklerine sahip yarı iletken bir gaz sensörüdür. Devre bağlantısı Şekil 3'te gösterilmektedir. Bunlar arasında RH, oda sıcaklığında 83 ± 8 olan ısıtıcı direncidir; RS sensör direncidir ve direnci ile indirgeyici gaz konsantrasyonu arasındaki matematiksel ilişki şöyledir:
Ölçülecek gazın konsantrasyonu C, VRL tespit edilerek belirlenebilir.
Devredeki op amp OP07, örneklenen veriler üzerindeki güç dalgalanmalarının ve harici faktörlerin etkisini azaltmak için sensörü ve sonraki devreyi izole etmek için bir voltaj izleyici formuna bağlanır. ICL7660, MAXIM Company tarafından üretilen, düşük güçte polariteye sahip bir ters güç dönüştürücüdür ve işlevi, OP07 için +5 V güç kaynağını -5 V güç kaynağına dönüştürmektir. Bunlar arasında C1 ve C2, güç dönüştürme verimliliğini artırmak için düşük sızıntı ve düşük dielektrik kaybı olan 10 F tantal kapasitörler kullanır. TLC1549, TI tarafından üretilen 10-bit çözünürlüklü ardışık yaklaşım ADC çipidir.Otomatik örnekleme ve tutma, orantılı aralık kalibrasyon dönüştürme aralığı, gürültü önleyici girişim işlevi vardır ve maksimum toplam hata tam ölçekte yalnızca ± 1 LSB'dir.
2.2 LCD ekran, eşik ayarı ve sesli alarm devresi
16 × 2 karakter LCD modülü DM-162, alarm eşiğini ve alkol konsantrasyonu değerini gösterir. Tek çipli I / O portlarının sayısını azaltmak ve devre yapısını basitleştirmek için dolaylı kontrol (4-bit veri yolu) benimsenmiştir Arayüz devresi Şekil 4'ün üst kısmında gösterilmektedir. Başlatma sırasında, 8 bitlik veriyolunu 4 bitlik veri arayüzü moduna dönüştürmek için 28H komut kodunun yazılması gerekir. BLA, BLK ve VL pimleri sıvı kristal arka ışığının sırasıyla pozitif elektrot, negatif elektrot ve ekran kontrast ayarlama terminalidir RS ve E sırasıyla yazmaç seçim terminali, okuma / yazma sinyal hattı ve etkinleştirme terminalidir.
Alkol konsantrasyonu eşik ayarı ve sesli alarm devresi Şekil 4'ün alt kısmında gösterilmektedir. S1 ayar tuşuna basıldığında, eşik ayarı (başlangıç eşik değeri 500 ppm) arayüzünü girin ve ardından eşiği artırmak veya azaltmak için S2 veya S3 tuşuna basın, adım boyutu 20 ppm'dir. Eşik ayarlandıktan sonra, STC90C52RC mikro denetleyici yongası üzerindeki 5 KB EEPROM'un ilk sektörünün 2000H ve 2001H adreslerine yazılır, böylece sistemin yeniden başlatılırken sıfırlanmasına gerek kalmaz. Alkol konsantrasyonu değeri eşikten büyükse, P0.7 port hattını düşük seviyeye ayarlayın ve transistör 8550, alarmı çalması için sesli uyarıyı çalıştıracaktır.
2.3 Ses yayın devresi
Winbond (Winbond) şirketinin ISD2560 ses kayıt ve oynatma entegre çipini alkol konsantrasyon değeri oynatma için kullanın, devre Şekil 5'te gösterilmektedir. Mikrofon, gürültüyü iptal etmek ve giriş ortak mod reddetme oranını iyileştirmek için çip üzerindeki ön yükselticinin MIC ucuna ve MIC REF ucuna diferansiyel biçimde bağlanır. Hoparlör, çift uçlu bir çıkış formuna bağlanır ve çıkış gücü, tek uçlu kullanımın 4 katıdır. Tek çipli mikro bilgisayarın P2 portu, P3.0 ve P3.1 port hatları sırasıyla, ISD2560 çipinde 480 KB EEPROM'da (adres 0H ~ 257H) depolanan ses segmentinin başlangıç adresini ayarlamak için kullanılan A0 ~ A9 adres hatlarına bağlanır ve kayıt Ve oynatma işlevi bu başlangıç adresinden başlar ve kayıt işlemi sırasında bilgi bölümü adresi otomatik olarak artırılır. Bu sistemin ISD2560'ta ses bilgilerini girmesi gerekir: "mevcut alkol konsantrasyon değeri", "sıfır", "bir", "iki", "üç", "dört", "beş", "altı", "yedi" , "Sekiz", "dokuz", "on", "yüz", "bin", "nokta", "ppm (konsantrasyon birimi)". ISD2560'ın ses kayıt ve oynatma süresi 60 sn olduğundan, saniyede 3 Çince karaktere göre 180 Çince karakter kaydedebilir ve oynatabilir, böylece yayın gereksinimlerini karşılar. Ek olarak, ISD2560'ın çalışma modu (adres 300H ~ 3FFH) P3.0, P3.1 ve P2.0 ~ P2.6 port hatları aracılığıyla yapılandırılabilir. P3.4 ~ P3.6 portları, ses çipinin çip seçimini, çipin anahtarını ve kayıt / oynatma modunun seçimini kontrol etmek için kullanılır. P3.2 portu, çipin depolama alanının dolu olup olmadığını veya bilgi depolama alanının dolup taşmadığını belirlemek için kullanılır. Kayıt sırasında her bilgi bölümünün sonuna otomatik olarak bir işaret eklendiğinden, oynatma sırasında işaretle karşılaşıldığında yaklaşık 12.5 ms genişliğinde bir negatif darbe üretilir. Kesintili ses çalmayı önlemek için başka bir kayıt yürütmeden önce bu darbenin yükselen kenarını algılamak için P3.3 bağlantı noktasını kullanın.
2.4 Kablosuz alıcı-verici devresi
Sistem, kablosuz veri iletimini ve alımını tamamlamak için 2,4 ~ 2,4835 GHz ISM frekans bandında çalışan NORDIC tarafından üretilen tek çipli kablosuz alıcı-verici çipi nRF24L01'i kullanır. NRF24L01'in en yüksek iletim hızı 2 Mb / s'dir.Devre Şekil 6'da gösterilmiştir. Voltaj regülatör çipi LM1117-3.3 V, nRF24L01'e güç sağlamak için 5 V giriş voltajını 3,3 V'a dönüştürür. NRF24L01 ve tek yongalı mikrobilgisayar arasındaki arabirim dört telli bir SPI modudur.CSN, SCK, MOSI ve MISO pinleri sırasıyla yonga seçme etkinleştirme hattı, saat hattı, veri giriş hattı ve SPI'nın veri çıkış hattıdır. IRQ, mikro denetleyicinin harici kesme pimine bağlanan kesme sinyal hattıdır (aktif düşük) Mikrodenetleyici esas olarak nRF24L01 ile bu arayüz hattı üzerinden iletişim kurar ve veri alımının ve veri iletiminin tamamlanıp tamamlanmadığını belirler. CE, çipin RX / TX modu seçim satırıdır. IREF, 22 k'luk bir dirençle topraklanan referans akım giriş terminalidir. ANT1 ve ANT2 pinleri antene dengeli RF çıkışı sağlar ve daha sonra bağlanan basit bir RF ağ eşleştirme devresi aracılığıyla tek uçlu 50 empedans çıkışı elde edilir. Ağ eşleştirme devresi, gönderme modunda harmonikleri önler ve alıcı modda yerel salınımların sızmasını sınırlar. VDD_PA pin, çip üzerindeki güç amplifikatörüne güç sağlamak için 1,8 V voltaj çıkışı sağlar.
2.5 Veri arayüzü iletişim devresi
Alıcı taraftaki bilgisayar ile tek çipli bilgisayar arasındaki iletişim, Şekil 7'de gösterildiği gibi seri USB arabirimi entegre devresi CH340T tarafından tamamlanır. CH340T, USB1.1 veya USB2.0 / USB3.0 iletişimini destekler, bir emülasyon arabirimine sahiptir ve çevresel seri cihazları yükseltebilir, ortak MODEM iletişim sinyallerini destekler, IRDA standart SIR kızılötesi iletişimini destekler ve RS232, RS485, RS422 arabirimleri ve diğer işlevleri sağlar . CH340T, yerleşik bağımsız bir alıcı-verici tampon belleğine sahiptir ve 50 b / s ila 2 Mb / s baud hızıyla tek yönlü, yarı çift yönlü ve tam çift yönlü gibi asenkron seri iletişimi destekler. Şekil 7'de, bir 1N4001 diyotu, bu pinin mikrodenetleyiciye akımın geri akmasını önlemek için CH340T yongasının gönderici pin TXD'sine ters olarak bağlanmıştır; mikrodenetleyicinin akımı CH340T'ye düşürmesini önlemek için alıcı pim RXD'ye 300 akım sınırlayıcı direnç eklenir; Bu sayede çalışmak için güç kaynağına ihtiyaç duymayan karşı tarafın yongasının mevcut geri akış nedeniyle çalışmaya devam etmesi engellenir.
3 Sistem yazılım tasarımı
3.1 Alt bilgisayarın yazılım tasarımı
Alt bilgisayarın program geliştirme ve hata ayıklama işlemi, gönderici ve alıcının yazılım tasarımı dahil olmak üzere Keil Vision4 entegre geliştirme ortamında gerçekleştirilir.
3.1.1 Gönderen yazılımın tasarımı
Gönderenin yazılım akışı Şekil 8'de gösterilmektedir. Tek çipli mikrobilgisayar açıldıktan sonra, sistem tek çipli mikro bilgisayarın dahili sistem değişkenlerinin başlatılmasını ve TLC1549, DM-162, ISD2560 ve nRF24L01 gibi harici cihazların başlangıç ayarlarını tamamlamak için başlatılır; ardından sensörün normal çalıştığından emin olmak için TGS2620 sensörünü ısıtmak için yaklaşık 5 dakika geciktirilir; Başlatma işleminden sonra, sistem izleme durumuna girer. Alarm eşiği ayar tuşuna basılırsa, alarm limiti ayar moduna girer; kayıt tuşuna basılırsa kayıt moduna girer; daha sonra, ölçülen alkolü elde etmek için örnek verileri, filtre işleme, ölçek dönüştürme ve sistem hatası düzeltmesini elde etmek için A / D dönüşümünü başlatın. Konsantrasyon değeri. Bu değer alarm eşiği ile karşılaştırılır.Sonuç "şundan büyük" veya "şuna eşit" ise, alkol konsantrasyonunun sınırı aştığını belirtmek için sesli bir alarm vermek üzere sesli uyarı programı aktif hale getirilecek, ardından değer DM-162 LCD modülünde gerçek zamanlı olarak gösterilecektir; Tuşun basılı olup olmadığı. Basıldığında, ISD2560'daki ilgili ses bilgisi saklama adresi, oynamaya başlamak için alkol konsantrasyon değerine göre aranacaktır; oynatma bittikten sonra, değer nRF24L01 gönderme programı tarafından alıcı uca gönderilecektir; gönderme tamamlandıktan sonra, yeni bir toplama, görüntüleme ve gönderme turu Alkol konsantrasyonu verileri.
Gönderen uçtaki yazılım, A / D örnekleme verilerini önceden işlemek için darbe önleyici girişim ortalama filtreleme yöntemini uygular. Prensip şudur: Sürekli örnekleme K kez, ardından K örnekleme verilerini karşılaştırın, maksimum ve minimum değerleri kaldırın ve kalan K-2 verilerinin aritmetik ortalamasını etkin örnekleme değeri olarak hesaplayın. Bu yöntem, ortalama filtreleme yönteminin ve aritmetik ortalama filtreleme yönteminin avantajlarını birleştirir, bu da atımlı paraziti ortadan kaldırabilir ve ara sıra dürtüsel parazitlerin neden olduğu örnekleme değeri sapmasını ortadan kaldırabilir. Hesaplamayı hızlandırmak için, dijital filtreyi tasarlarken K = 10.
Sistemin gerçek zamanlı performansını iyileştirmek için, yazılımda ölçek dönüşümü için parça parça doğrusal enterpolasyon kullanılır. İşlem şu şekildedir: (1) TGS2620 sensörünün kalibrasyon eğrisine göre, eğri eşit mesafeli olmayan bölümlere bölünür (eğrilik değişikliği büyük (küçük) olduğunda, örnek nokta mesafesi küçük (büyük) olarak seçilir) ve her bölüm noktasının koordinatları (VRLi, Ci) (i = 0,1, ..., M), burada: VRLi ve Ci sırasıyla sensör çıkış voltajı değeri ve farklı noktalardaki ilgili konsantrasyon değeridir; (2) Bitişik örnek noktaları arasındaki uydurma düz çizgisinin eğimini hesaplayın ki = (Ci + 1-Ci) / (VRLi + 1-VRLi) (i = 0,1, ..., M-1); (3) M koordinat verisi setini (VRLi, Ci) ve karşılık gelen eğimi ki'yi tek çipte saklayın Dahili EEPROM'un ikinci sektöründe (adres 2200H ~ 23FFH); (4) Bir voltaj değeri VRL toplandığında, VRL (VRLi, Ci) ~ (VRLi + 1, Ci + 1) aralığını bulmak için EEPROM tablosuna bakılmalıdır. ), aralığı (VRLi, Ci) ve ki verilerini çıkarın, mevcut alkol konsantrasyonu değerini C hesaplamak için C = Ci + ki (VRL-VRLi) doğrusal enterpolasyon formülünü kullanın.
A ve b katsayılarının değerlerini elde etmek için toplanan N örnek verisini (xi, yi) formül (5) ile değiştirin ve bunları tek çipli mikro bilgisayarın bellek biriminde saklayın. Sistem ölçümünde, ölçek dönüşümünden sonra alkol konsantrasyonu ölçüm değeri x, hata düzeltme denklemi y = ax + b'ye ikame edilir ve düzeltilmiş alkol konsantrasyonu değeri y elde edilebilir, böylece sistem hatalarını ortadan kaldırma amacına ulaşılır.
3.1.2 Son yazılım tasarımını alma
Alıcı taraftaki tek çipli alıcının yazılım akışı Şekil 9'da gösterilmektedir. Alıcı uç açıldıktan sonra, program nRF24L01 ve seri bağlantı noktasını başlatır ve ardından izleme sahnesine girer. NRF24L01, alkol konsantrasyonu verilerinin eksiksiz bir çerçevesini aldığında, seri bağlantı noktası aracılığıyla hemen ana bilgisayara gönderir. Alıcı uç MCU ile PC arasındaki veri alışverişi, asenkron iletişim modunu benimser. Bağımsız baud hızı, seri protokol ayarları şunlardır: baud hızı 9600 b / s, 8 bit veri biti, 1 bit durdurma biti, eşlik biti yok.
3.2 Ana bilgisayar yazılım tasarımı
Ana bilgisayarın kullanıcı arayüzü, alkol konsantrasyon verilerinin alınması, görüntülenmesi ve depolanmasını gerçekleştirmek için evrensel nesne tabanlı programlama dili Microsoft Visual Basic 6.0 ile geliştirilmiştir. Yazılım, seri iletişim kontrolü MSComm'u kullanır. MSComm kontrolü, Microsoft tarafından sağlanan Windows altında seri iletişim programlaması için bir ActiveX kontrolüdür.Seri iletişim, bu kontrolün özelliklerini ve olaylarını programlayarak kolayca gerçekleştirilebilir. Seri iletişim protokolü, alıcı uç ile tamamen aynıdır. Üst bilgisayar yazılımının program akışı Şekil 10'da gösterildiği gibidir.
4 Sistem testi
Bu sistemin ölçüm performansını test etmek için, ölçülen nesne olarak mutlak etanol ve saflaştırılmış su ile belirli bir hacim oranında hazırlanmış standart bir alkol solüsyonu kullanılmıştır Test sonuçları Tablo 1'de gösterilmiştir. Bunlar arasında: birim ppm = g / mL, 1 mL alkol çözeltisindeki alkol kütlesini temsil eder. Test verilerinin sensör aralığını kapsadığı ve testin maksimum bağıl hatasının ±% 2'den az olduğu ölçüm sonuçlarından görülebilmektedir ki bu benzer tasarım ürünlerinden daha iyidir.
Bu aletin verici ucu ile alıcı ucu arasındaki maksimum hatasız iletişim mesafesini elde etmek için nRF24L01'in mesafeli hata oranı (kritik aralık) testi deneyi açık havada gerçekleştirilmiş ve sonuçlar Tablo 2'de gösterilmiştir. Bunlar arasında metre başına hata oranı 10 testten sonra hesaplanan ortalama değerdir. RFID, ZIGBEE ve Bluetooth gibi kablosuz iletişim teknolojilerine göre biraz daha yüksek olan nRF24L01'in iletim mesafesinin 100 m'ye ulaşabildiği görülebiliyor.
5 Ana teknik göstergeler
Bu enstrümanın ana teknik göstergeleri aşağıdaki gibidir: (1) Ölçüm aralığı: 50 ~ 5000 ppm; (2) Hassasiyet (sensör direnci değişim oranı): 0,3 ~ 0,5; (3) Ölçüm hassasiyeti: ±% 2; (4) İletim mesafesi : 100 m; (5) Çalışma güç kaynağı: DC + 5 V; (6) Çalışma ortamı sıcaklığı: -40 ~ + 70 ; (7) Çalışma ortamı bağıl nemi:% 0-85 RH.
6. Sonuç
Bu makale, STC90C52RC mikro denetleyici, TGS2620 alkol sensörü ve nRF24L01 kablosuz iletişim çipine dayalı bir alkol konsantrasyonu detektörü tasarlar ve geliştirir. Cihaz, Chengdu'daki küçük bir bira fabrikasının şarap havuzunda gerçek üretime alındı. Yerinde çalışma koşulları, sistemin normal çalıştığını ve güvenilir bir şekilde çalıştığını gösterir; sistem, yüksek gaz seçiciliği ve hassasiyeti, iyi stabilite, yüksek derecede zeka, uzun iletişim mesafesi, düşük güç tüketimi, güçlü anti-endüstriyel girişim yeteneği ve mükemmel maliyet performansı avantajlarına sahiptir. Cihaz, yerinde test veya kablosuz telemetri gerektiren gıda işleme endüstrisinde, endüstriyel ve madencilik işletmelerinde, petrol ve kimya endüstrilerinde, çevresel test ve korumada, sosyal hizmet kuruluşlarında, hava işçileri, kamu güvenliği trafik yönetiminde (sarhoş sürüş, trafik polisi kanun yaptırımı gibi) vb. Yerlerde kullanılabilir. Alkol gazı konsantrasyonu durumunda, piyasa uygulama beklentisi geniştir ve promosyon değeri yüksektir.
Referanslar
Li Haitao. QNX tabanlı uzak araç sarhoş sürüş akıllı izleme sistemi Elektronik teknoloji uygulaması, 2014, 40 (8): 136-139.
Song Xiaoyu, Gao Guowei, Li Shichuan, vb. Tek Çipli Mikrobilgisayar Kontrolüne Dayalı Alkol Konsantrasyon Tespit Sisteminin Tasarımı Sensör Dünyası, 2017, 23 (8): 18-23.
Yu Lulu, Tao Dajin. Tek Çipli Bilgisayara Dayalı Alkol Konsantrasyon Dedektörü Tasarımı Mikrobilgisayar ve Uygulama, 2014, 33 (22): 34-36.
Ge Yu. GPRS / GPS'ye dayalı araç alkol algılama ve kontrol devresinin tasarımı Nanchang: Nanchang Üniversitesi, 2010.
Zhang Zhe, Tong Jin, Chen Donghui, ve diğerleri Sığır eti tazeliğini tespit etmek için bir hava sensörü matrisine sahip elektronik burun. Journal of Bionic Engineering, 2008, 5 (1): 67-73.
FIGARO Group. TGS sensörleri için Genel Bilgiler. (2008-04-23). Http://www.figarosensor.com/products/common (1104) .pdf.
Cheng Kejia, Wang Zhensong, Liu Xiaoyun. Erişim kontrol sisteminin sesli yayınında ISD2560 uygulaması Otomasyon Teknolojisi ve Uygulaması, 2009, 28 (5): 75-77.
Hu Zhenyu, Akıllı Sesli Yönlendirme Sisteminin Tasarımı. Uygulamalı Enerji Teknolojisi, 2012, 15 (12): 34-38.
Zhang Xiuzai, Chen Pengxin, Zhang Guangyu, et al. Nehir suyu kalitesi için gerçek zamanlı izleme sistemi Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2015, 41 (2): 82-85.
Liang Xiaolei. Tek çipli mikrobilgisayarı temel alan parçalı doğrusal enterpolasyon algoritmasının uygulanması Bilgisayar Bilgisi ve Teknolojisi, 2012, 8 (21): 5236-5243.
Han Xiao, Zeng Li, Zhan Feng, vb. Parçalı polinom yaklaşımına dayalı DDFS ve FPGA uygulaması üzerine araştırma Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2018, 44 (3): 22-30.
Anonim. Çeşitli genel kablosuz iletişim teknolojileri. (2018-05-11). Http://tech.rfidworld.com.cn/2018_05/d78-ffddd177e3bca.html.
yazar bilgileri:
Hu Shibing, Chen Ziwei
(Elektronik Mühendisliği Okulu, Chengdu Bilgi Teknolojisi Üniversitesi, Chengdu 610225, Sichuan)
