基于RS- 485總線的瓦斯檢測儀設計

張 鵬 杜航航

(中國民航大學工程技術訓練中心，天津 300300)

基于RS- 485總線的瓦斯檢測儀設計

張 鵬 杜航航

(中國民航大學工程技術訓練中心，天津 300300)

目前天然氣管道分布范圍廣泛，針對常見的瓦斯檢測儀精度低、可靠性差、功能較單一以及不便于集群控制等不足，設計了一種基于RS- 485總線的瓦斯?jié)舛葯z測儀。以Atxmega32a4處理器為核心，基于RS- 485總線對天然氣管道不同位置進行瓦斯?jié)舛葯z測，將濃度信息及時上傳到上位機，便于及時發(fā)現瓦斯微量泄漏點的位置。對于每個獨立的檢測儀，都可以通過紅外遙控器進行復雜環(huán)境中的零點校準、增益校準、設備地址編碼、操作密碼設定、高低限報警閾值設定等功能。試驗表明，該燃氣瓦斯?jié)舛葯z測儀具有測量精度高、穩(wěn)定性好、功耗低、安全性好、操作方便等優(yōu)點，具有很高的推廣價值。

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

0 引言

隨著“西氣東輸”工程的實施和擴建，以及城鎮(zhèn)化建設的進行，天然氣管道安裝到千家萬戶，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常發(fā)生[1]。如果能及時發(fā)現泄漏點的位置，這些災難就可避免，所以研發(fā)一種能檢測微量瓦斯泄漏的檢測儀很有必要。目前常見的瓦斯?jié)舛葯z測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，根據瓦斯?jié)舛扰c傳感器輸出電壓之間良好的線性關系，設計了一種多功能、可進行遠距離傳輸、適應多種復雜環(huán)境的瓦斯?jié)舛葯z測儀。該檢測儀既可以單個應用于家庭生活，也可通過RS- 485總線進行工業(yè)生產的大規(guī)模集群控制。

1 瓦斯檢測儀硬件設計

本文設計的瓦斯檢測儀由數碼管顯示模塊、紅外遙控接收模塊、傳感器驅動模塊、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控制器作為整個系統(tǒng)的核心，數碼顯示模塊采用處理器Atmega48與Atxmega32a4進行串口數據交互，顯示內容為檢測的瓦斯實時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設計，選用NAP-55A催化燃燒式探測器，并使用數碼管顯示實時濃度值。采用RS- 485總線傳輸，提高了總線的利用率。每個獨立系統(tǒng)采用繼電器與總線隔離，保證個體損壞的情況下不對RS- 485總線造成影響，保證設備的穩(wěn)定運行。

1.1 探測器驅動電路

所采用的探測器NAP-55A檢測原理是催化燃燒式，其檢測原理為：甲烷和氧氣在載體催化原件表面反應，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，通過測量電阻增量就可以測量瓦斯?jié)舛萚3-4]。該類型的探測器具有小型、低功耗、高速應答、受溫度和濕度影響小的特點，成為目前國內檢測瓦斯的主要探測器[5]。

TD6811供電電路如圖2所示。

圖2 TD6811供電電路

由于探測器NAP-55A的檢測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時間連續(xù)穩(wěn)定且滿足其功率要求。系統(tǒng)中采用開關電源芯片TD6811給探測器供電，TD6811是一個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。低負載時效率高達96%，最大輸出1.2 A電流，足夠滿足探測器的功率要求，而且發(fā)熱小，能保證長時間連續(xù)工作。

探測器供電電路選用器件少，電感與電容限值小，經測試輸出電壓穩(wěn)定。

1.2 RS- 485電路

圖3為RS- 485接口電路，該電路使串口數據轉化為差分信號傳輸，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對光耦發(fā)光管起限流作用。如果阻值過大，會使光耦的發(fā)光管由截止進入飽和變得很慢；如果阻值過小，將會導致輸出三極管深度飽和，使得退出飽和也變得很緩慢[6]。通過合理的配置這三個電阻，使RS- 485接口可以工作在合適的波特率上。光耦合器件信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實現了電氣隔離，輸出信號對輸入端無影響，抗干擾能力強，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備故障，從而保證微處理器等模塊的正常運行。另外，每個檢測儀與總線相連接口采用兩個繼電器與總線隔離。當檢測儀上電后，進行自檢，當沒故障時繼電器吸合。這樣設計保證了單個設備的故障不會對總線電氣參量產生影響。RS- 485信號線要考慮阻抗匹配問題，阻抗不匹配將引起傳輸信號的反射，使數字波形產生振蕩[7]。所以在傳輸端加一個120 Ω左右的匹配電阻，減少傳輸信號的反射。

圖3 RS- 485總線接口

系統(tǒng)采用RS- 485總線，掛在總線上各個點的探測儀均對總線有占用權，平時處于等待狀態(tài)。當出現故障或者報警信息需要占用總線時，首先會監(jiān)測總線是否被其他設備占用，如無占用，則直接向上位機傳送設備狀態(tài)；如有占用，則需等待總線空閑時再發(fā)送數據[8]。每一個探測器對應一個唯一的地址，當上位機訪問各個點的探測儀時，會通過相對應的地址進行訪問，各個探測儀也只接收傳送給自己地址的數據。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

圖4 檢測儀與上位機通信協(xié)議

Fig.4 Communication protocol between detector and PC

系統(tǒng)RS- 485總線控制器的設計可以檢測相同地址編碼設備。相同地址編碼設備連入總線時，處理的機制是按連入總線的先后時間的注冊機制，對后掛入總線的相同地址的設備不進行處理。對那些默認未編址設備(系統(tǒng)中默認地址為0)，只要探測儀掛入總線中，就能采用插空法給設備進行地址自主編碼。信息字1、2為燃氣濃度，3、4分別為高低限報警濃度，信息字5為檢測儀狀態(tài)。除了紅外遙控器的操作密碼設定外，上位機可以模擬遙控器所有的功能操作，這一點可以很方便地運用在工業(yè)現場，對各個點濃度進行監(jiān)測與調節(jié)。

1.3 核心控制器

系統(tǒng)選用Atxmega32a4單片機作為核心處理器，外部晶振采用7.372 8 MHz頻率晶振，經內部4倍頻后系統(tǒng)速度達到將近30 MHz。它具有高速度、低功耗的特點，適合瓦斯?jié)舛葯z測儀這種需要實時處理且不間斷運行的系統(tǒng)。它具有先進的精簡指令集計算機(reduced instruction set computer,RISC)結構和PDI下載接口，集成了32 kB的Flash、1 kB的EEPROM和燃氣濃度等數據，便于存儲，引腳有豐富的復用功能。另外有12路12位分辨率的ADC，能更好地發(fā)揮探測器的高精度特性；還有5個串口，兩個16位定時器用于紅外遙控信號的識別。鑒于以上因素，選取Atxmega32a4作為核心處理器。

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 紅外遙控解碼

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

2.2 數碼管顯示

對于不同的客戶需求，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立的方式，采用兩個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單片機驅動數碼管。操作密碼設定、報警值設定、設備地址編碼以及濃度值校準由主控處理器Atxmega32a4處理。這些關鍵性的數據都存儲于Atxmega32a4的EEPROM中，掉電之后不用重新設定。這樣設計的好處是方便以后進行顯示部分的升級。兩個處理器的通信協(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

圖5 Atxmega32a4與Atmega48通信協(xié)議幀格式

Fig.5 Communication protocol between Atxmega32a4 and Atmega48

圖5中，功能碼對應著紅外遙控器的各個鍵碼，不同按鍵按下，信息字內容也不相同。例如按下修改操作密碼鍵時，Atxmega32a4向Atmega48發(fā)送指令 7E A1 XX XX XOR(XX XX 為當時燃氣濃度)，顯示部分進入密碼修改模式。修改完成按下確定鍵時，Atmega48收到7E A2 XX XX XOR確定鍵指令時，會回傳7E 80 XX XX XOR(XX XX為保存的密碼值)給Atxmega32a4,存儲于其EEPROM中。下次上電時首先讀取EEPROM中各地址頁保存的內容，達到兩個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就是顯示瓦斯?jié)舛龋M而與報警設定值進行對比，進行高低限報警，報警燈點亮。此外,處理器還要檢測探測器是否正常工作，如發(fā)現供電電壓和輸出電壓有異常，就會進行故障報警，故障燈點亮。具體流程如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

以上的燈光報警適用于家庭使用，通過燈光信息可知濃度及檢測儀是否正常。另外報警與故障信息還能通過RS- 485總線上傳到上位機進行遠程監(jiān)控，適用于檢測儀分布較為分散的工業(yè)生產現場，便于集群控制。

3 試驗結果

系統(tǒng)設計前所測濃度數據來自工廠大型紅外頻譜探測儀，設計完之后為了驗證所設計系統(tǒng)的精度，經工廠實地測試，在當時環(huán)境中進行清零、增益調節(jié)后，所測數據如表1所示。由表1可以看出，精度達到工業(yè)使用標準，探測儀反應靈敏，高低限濃度報警及時。紅外遙控器操作靈活，斷電后不用重新設定。

表1 瓦斯?jié)舛葴y量數據表

催化燃燒式傳感器需要預熱3～5 min才能進入正常測量狀態(tài)，隨著通電時間的增加，其測量精度會逐漸穩(wěn)定下來。燃氣探測器設備國家標準規(guī)定在報警點的誤差精度在2.5%之內，其他點的精度在5%以內即可。由表1數據可知，傳感器所測量的濃度誤差均在國家標準的最低范圍內。

4 結束語

系統(tǒng)采用高精度催化燃燒式探測器、穩(wěn)定的供電電路和高速率微處理器，瓦斯?jié)舛葯z測精度與報警靈敏度都達到了設計的初衷，可以滿足不同環(huán)境的瓦斯檢測。遙控器可以進行多種操作模式的設置，提高了設備的安全性。經過驗證，設備運行穩(wěn)定，精度較高，有很好的實用價值和應用前景。

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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)于天津大學自動化儀表與裝置專業(yè)，獲碩士學位，教授；主要從事民用航空器機載系統(tǒng)故障診斷、航班調度優(yōu)、自動化裝置檢測等方面的教學與科研工作。

TP212

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201505024

修改稿收到日期：2014-08-31。