基于氣敏傳感器的危險氣源搜尋智能車

摘 要： 危險氣源的搜尋對于排除安全隱患十分重要。基于氣體傳感器和單片機控制技術設計了一種危險氣體泄漏源搜尋智能車系統，整個系統由氣敏傳感器探頭、信號采集與控制端、驅動電路、機械載體和在IAR平臺上基于C語言編寫的控制算法5部分組成。危險氣體泄漏源搜尋智能車實現了有毒有害氣體的泄漏源搜尋、自主巡邏等功能，可以模擬嗅探犬進行危險氣體泄漏源搜尋的工作。

關鍵詞： 氣源搜尋； IAR平臺； 氣敏傳感器； 智能車

中圖分類號： TN98?34； TP216 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）02?0058?04

Intelligent car based on gas sensor for dangerous gas source search

XUE Zihan， CHEN Xiangdong

（Intelligent sensor Micro System Laboratory， School of Information Science Technology， Southwest Jiaotong University， Chengdu 611756， China）

Abstract： Searching for dangerous gas source is vital for the exclusion of security risks. The intelligent car system to find the gas leakage source was designed on the basis of gas sensor and MCU control technology. It consists of five parts （gas sensor， signal acquisition and control terminal， drive circuit， mechanical part， control algorithm compiled with C programming language on IAR Platform）. The intelligent car system achieve the functions of hazardous gas leakage source search， self?navigation patrol， etc. The intelligent car can imitate the sniffer dogs to complete the work of hazardous gas leakage source search.

Keywords： gas source search； IAR platform； gas sensor； intelligent car

0 引 言

在人類生活以及生產活動中，危險氣體泄漏是非常危險的事情，可能會造成財產損失和人員傷亡的嚴重后果，因此在泄漏初期及時定位危險氣體泄漏源位置并進行補救工作是很有必要的[1]。犬類的嗅覺是十分靈敏的，可以辨別出很多種不同的氣味并且找出氣味的來源，工作在機場安檢的緝毒犬以及刑偵上使用的嗅探犬，都是利用犬類發達的嗅覺工作的，但是作為動物嗅探犬有一些無法克服的缺點比如需要休息、只能嗅探常規無毒無害的氣體、易受外界干擾、訓練成本高、訓練周期長等[2]。目前隨著傳感器技術的發展，在氣體監測中化學氣體傳感器有著越來越重要的應用[3]。由氣敏傳感器組成的氣體檢測網絡可以實時檢測不同位置的氣體濃度，通常傳感器安裝在人類無法到達或者周圍環境危險的位置，通過信號傳輸線或使用無線通信技術將檢測到的氣體信息傳到位置較遠的地方，由上位機獲取信號后，人們就可以獲取目標位置的氣體種類和濃度等信息，達到實時檢測的目的[4]。傳感器網絡相較于嗅探犬，其可以在更惡劣的工作環境下實施不間斷檢測，可靠性更強，成本也更小。但是由于傳感器安裝位置固定，探測距離有限且無法確定氣體泄漏源的具體位置。為了解決上述檢測方法的缺點，設計了可自主移動的氣體檢測智能車。本方案采用費加羅公司TGS2602型電阻式氣敏傳感器作為檢測探頭，這種傳感器結構簡單，響應時間較快，價格低廉。使用Feescale公司K60系列單片機對氣敏檢測端進行信號采集，并根據當前環境氣體情況，控制機械載體的行進。它不僅可以工作在有毒害氣體環境中，而且傳感器隨機械載體的移動可以保證搜尋到氣體泄漏源的準確位置[5]。

1 危險氣源搜尋系統設計原理

電阻式氣敏傳感器檢測氣體原理是敏感材料表面的氣體吸附和加熱解吸的共同作用。傳感器內部器敏感材料由金屬氧化物半導體制成，在清潔空氣中電導率很低。當環境中出現敏感氣體時，敏感材料的電導率隨敏感氣體濃度的增加而增大[6]。將其與合適阻值的電阻串聯，經過分壓就可將該敏感氣體濃度值轉換成與之對應的電壓信號，氣敏傳感器電路框圖如圖1所示。

圖1 氣敏傳感器電路框圖

實際環境中氣體擴散是個很復雜的過程，受到風速、地面粗糙程度、大氣穩定程度等因素的影響[7]。在空曠無風的環境下理想氣體自由擴散，氣體分子會從氣體泄漏源位置即高濃度區向低濃度區域移動。根據這一規律，機械載體上的2個或多個傳感器檢測不同位置的氣體濃度信號，比較它們濃度大小，單片機就可以判斷出哪個位置離泄漏源更近，并控制機械載體向濃度相對較高的位置行進，重復以上采集、比較、判斷方向、行進的過程使機械載體逐步靠近泄漏源位置，最終到達濃度最高的地點。由于需要比較左、右兩邊氣體濃度的高低，所以兩個傳感器之間的距離要足夠遠，而小車體積有限無法提供很大的安裝空間。圖2為傳感器安裝的示意圖，在本次設計中左、右兩個傳感器之間距離L取20 cm。既保證左、右傳感器之間有足夠的距離來區分哪個方向氣體濃度更大，又可以安裝在小車有限的空間里。

圖2 傳感器安裝示意圖

2 系統設計及實現

2.1 系統設計

氣體泄漏源搜尋智能車由5個部分組成組成：氣敏傳感器探頭，信號采集與控制端，驅動電路，機械載體，控制算法。機械載體可分為提供移動動力的電機、控制前進方向的舵機、測量移動速度的編碼器以及底盤和輪胎這5個部分。由金屬氧化物半導體材料制成的氣敏傳感器和一合適阻值電阻串聯，并在傳感器和電阻兩端加上5 V的恒壓源。經過采集電路的阻抗變化和濾波處理，單片機內部A/D采集串聯電阻上的電壓，將環境中氣體濃度轉換成相對應的電壓數據。經過多路采集后，判斷氣體泄漏源方向，之后通過電機驅動模塊驅動車模行進，逐步靠近泄漏源。

2.2 系統硬件電路設計

硬件電路包括傳感器探頭、阻抗變化和濾波電路、電源模塊、液晶顯示模塊、MCU模塊以及電機驅動，系統電路框圖如圖3所示。

圖3 系統電路框圖

本系統使用的MCU是Feescale公司的K60單片機，該單片機使用ARM公司設計并授權的Cortex?M4內核，主頻100 MHz可以運行較為復雜的算法，其內部還集成了12位A/D轉換器，12位的轉換精度保證了信號數字化后信息的細節不會丟失[8]。

氣敏傳感器探頭使用的是費加羅公司生產的TGS2602型氣敏傳感器，該傳感器有著功耗較低、對多鐘氣體有著高的靈敏度、壽命長、成本低、工作穩定可靠性強、集成度高外圍電路簡單等特點。由于該傳感器外圍電路是傳感器與一固定阻值電阻串聯，經過計算該電阻取值與傳感器靜態時阻值相同時，可以保證達到合適量程并且確保信號的精確。選取阻值為20 kΩ的電阻，對于A/D轉換器來說輸出內阻太大，有必要進行阻抗變換和濾波處理，故使用ADI公司生產的AD8032運算放大器搭建一階RC濾波阻抗變化電路，該運放是雙路運放可以采集兩個氣敏傳感器的電壓值。傳感器采集電路如圖4所示。

圖4 傳感器采集處理電路

電源模塊的設計主要考慮功率需求，紋波影響，功耗限制這三個方面。單片機和運放功耗較低不需要大電流輸出的電壓芯片，而氣敏傳感器內部的59 Ω的加熱電阻會消耗大約85 mA電流，傳感器信號微小對電源紋波敏感，為保證有效信號不被干擾，應設計輸出電壓穩定紋波小的電源電路，而作為移動設備自身攜帶電池容量有限電源模塊效率太低會減少續航時間。綜合考慮以上因素設計電源模塊， 最終選用TPS7333芯片產生3.3 V電壓為單片機提供工作電源，TPS7350產生5 V電壓為傳感器，運算放大器等芯片提供工作電源，TPS73XX系列電源芯片具有靜態功耗小，電壓穩定等優點。電源模塊原理圖如圖5所示。

圖5 電源模塊

電機驅動模塊有2種方案：一種是使用集成芯片，這種方案設計簡單，且芯片的過流過壓等功能齊全，可以預防驅動電路對主控板的影響；另一種方案是采用半橋控制芯片組合4個MOSFET，這種方案驅動能力更強，功耗更低，因此選取Infineon公司的IPB180型MOS管和國際整流器公司半橋驅動芯片IR2104組建驅動電路[9]如圖6所示。

圖6 電機驅動電路

各個電路模塊調試成功后，將PCB安裝在機械載體上，在安裝傳感器前清洗雙手并佩戴無菌一次性手套，保證污漬不會沾染到傳感器上以免降低傳感器精度，實際安裝圖如圖7所示。

圖7 危險氣源搜尋智能車

2.3 系統控制算法設計

危險氣源搜尋智能車的控制程序是在IAR Embedded Workbench平臺上使用C語言編寫的。系統上電后將氣敏傳感器加熱到合適工作溫度并進行各個模塊初始化。A/D模塊將氣敏傳感器電壓值轉換成數字信號后，K60對其進行算數平均濾波處理，減小環境噪聲的干擾。在環境中沒有敏感氣體時，小車沿固定路線自主巡邏并檢測環境氣體情況，此時小車行進速度較快，速度的穩定控制是編碼測速器檢測小車電機的轉速，單片機根據當前電機轉速情況使用PID控制算法對車速進行閉環控制而實現的。

當檢測到周圍環境有敏感氣體時系統退出巡邏模式，小車減緩移動速度并根據左、右兩側傳感器檢測到的濃度大小判斷濃度高的區域。如果一側的傳感器高于另一側的一定值則判定該方向氣體濃度更高，此時單片機控制舵機轉向使小車向該區域移動；否則認定左右兩側濃度值相同繼續保持原移動方向，當行進到環境中敏感氣體濃度達到最大時，小車駐停并開啟蜂鳴器報警，表明危險氣體泄漏源的位置[4，10]。小車的控制流程圖如圖8所示。

3 系統測試

為了驗證方案的可行性，模擬氣體泄漏情況，避免其他因素干擾，僅考慮氣體的自由擴散，將測試環境選定在空曠無風的地點，使用無毒害易揮發的無水乙醇作為測試試劑。

圖9為這次測試的示意圖，將200 mL乙醇試劑放置在A處，氣體未泄漏時小車沿著白色路線巡邏檢測，某一時刻打開A處盛有乙醇的容器，觀察小車能否發現敏感氣體并沿著灰色路徑向高濃度區域行進最終找到泄漏源。改變乙醇試劑放置點A和小車巡邏軌跡之間的距離L并重復試驗。

圖8 控制流程圖

經過觀察當泄漏位置離巡邏軌跡較近時，小車可以檢測到敏感氣體并向氣源位置行進，但是當泄漏位置較遠時，小車可以檢測到敏感氣體的存在但無法判斷出方向，如果距離太遠就無法檢測出當前環境中的乙醇氣體。

4 結 語

基于氣敏傳感器的氣源定位智能車具有結構簡單、造價低、檢測范圍廣、準確性相對較好的特點；作為可移動的檢測系統有著更好的靈活性，可以模仿嗅探動物在危險環境下進行搜尋危險氣體泄漏位置的工作。

圖9 測試示意圖

參考文獻

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