一種小型化多組分氣體檢測裝置的設計

陳思揚，徐雷鈞，趙不賄

（江蘇大學 電氣信息工程學院，鎮江212013）

溫室氣體的排放日益引起社會的注意，造成的大氣污染也日漸嚴重。 因此，研究溫室氣體檢測裝置尤為重要。 目前紅外氣體分析儀存在光源的熱穩定性差、測量誤差大、電機機械調制紅外光、價格高、體積大等問題。 文中描述的小型化多組分氣體檢測裝置采用片上可編程系統PSoC 單片機， 內嵌入了數字電路、模擬電路。 采用了熱電堆紅外氣體傳感探頭， 通過PSoC 電調制光源， 可實現同時對CO2、CO 和HC 濃度進行檢測。 該裝置具有精度高、選擇性好、小型化、成本低等優點。

1 工作原理

設計的多氣體傳感檢測系統是基于紅外光譜原理。 當紅外光經過待測氣體時，氣體分子會吸收紅外光源發出的特定波長的紅外輻射，使這個波長的光強度減弱。 待測氣體吸收特定波長紅外光的能力和其濃度有關，滿足Lambert-Beer 定律[1]：

式中：C 表示氣體濃度；k 表示氣體對紅外光的吸收系數；L 表示從光源發射紅外光到探測器之間的有效距離；I（λ）表示衰減后的出射光強強度；I0（λ）表示入射光強強度。

但只依靠I（λ）和I0（λ）的差值來檢測氣體濃度是不夠的， 氣體濃度的精確度會受到光源的波動、電路器件產生的漂移、氣室內壁污染產生的偏移以及會受到外部環境光影響等問題的影響。 文中設計為了抑制上述原因產生的影響，使用了單光路雙波長的測量方法（見圖1）。 當紅外光束通過氣室照射到探測器平面上時，設置2 個窗口，其中一個窗口的濾波片為待測氣體的波長吸收峰，而另一個窗口作為參考窗口，其濾波片波長不在待測氣體的吸收峰。 這樣可以在同一個環境下，以一種差分的形式，消除可能存在的干擾，提高傳感裝置的靈敏度和可靠性[2]。

圖1 單光路雙波長法示意圖Fig.1 Schematic diagram of double wavelength method of single optical path

假定K1和K2分別為待測氣體通道和參考通道的濾光片的系統參數。 待測氣體通道輸出電壓與參考通道輸出電壓為

設：

則：

變形可得：

檢測多組分氣體時，需要考慮不同氣體之間產生的干擾。 當待測氣體充滿氣室時，相近吸收波長的窗口對待測氣體也可能存在干擾。 所以濃度計算公式為[3]

式中：C（gas1）為待測氣體gas1 的探測通道測量的濃度值，Cgas1是待測氣體gas1 的實際濃度值；Kgas1gas2是gas2 窗口對gas1 的影響系數；Kgas1gas3是窗口gas3對gas1 的影響系數。

2 系統結構

設計的小型化多組分氣體檢測終端由熱電堆紅外探頭、信號處理電路、恒功率光源驅動電路組成[4]。 LabVIEW 上位機通過UART 與檢測終端進行通信。 其結構框圖如圖2 所示。

圖2 檢測系統原理框圖Fig.2 System schematic diagram

圖2 中， 首先通過PSoC 單片機發送一個2 Hz的PWM 信號給恒功率光源驅動電路。 恒功率光源驅動電路給紅外光源irl715 提供一個穩定的功率，同時讓光源以2 Hz 的頻率閃爍。紅外光在不透光的鍍金氣室被紅外探頭采集。 使用的ndir 探頭為HEIMANN 的四窗口熱電堆紅外探頭HTS E31，能將接收到的紅外光的能量變化轉換成電信號。 微弱的電信號通過信號調理電路將其放大濾波。 為了縮小裝置尺寸，使用內部包括可編程增益放大器PGA和濾波器模塊的PSoC 單片機，通過配置的PGA 和低通濾波器代替前端信號調理電路，再由PSoC 單片機將采集到的數據發送到上位機，完成檢測功能。

3 多氣體探測終端硬件設計

3.1 信號調理電路

終端使用的ndir 探頭為HEIMANN 的四窗口熱電堆紅外探頭HTS E31，四個濾光片窗口對應的濾光片波長為3.91 μm（參比波長）、4.26 μm（CO2特征吸收波長）、4.64 μm（CO 特征吸收波長）和3.4 μm（HC 特征吸收波長），用于檢測CO2、CO 以及HC 氣體。 但由于熱電堆探測器輸出的電信號非常微弱，只有幾毫伏。 所以電路設計上需要將探測器發出的微弱信號進行放大，同時也需要將其有用的信號從背景噪聲提取出來。 將毫伏級信號放大至伏級，需要采取兩級放大[5]。 考慮到需要極低的失調電壓和漂移，使用AD8554 作為本次前端第一級放大器，電路如圖3 所示。 為了減少探測器大小同時節省成本，第二級放大由PSoC 單片機完成。

圖3 前端信號處理電路Fig.3 Front amplifier filter circuit

由于電容C23的存在， 組成了一個低通濾波電路，其低頻截至頻率為3.1 Hz。紅外光源的調制頻率為2 Hz，遠低于截止頻率，所以低頻時放大倍數為205 倍。 后級放大通過PSoC 單片機完成，放大倍數為4，所以最終對探測器信號的放大倍數為820 倍。

3.2 恒功率光源驅動電路

光源在發光過程中，溫度會升高，導致光源的等效阻值發生變化，引起發光強度不穩定，進而導致結果產生誤差[6]。 為了解決這個問題，設計了恒功率光源驅動電路。 通過穩定功率，來消除因光源等效阻值發生變化，產生的光源波動。

恒功率光源電路主要以IRL715 作為負載，進行恒功率設計。 IRL715 的等效電阻變化范圍為30～50 Ω，典型功率575 mW，典型電壓為5 V，驅動電流為115 mA。設計的恒功率光源驅動電路主要包括兩部分：由LM324 組成的電壓采樣電路和功率監視器MAX4211 組成調節電路，電路如圖4 所示。

圖4 恒功率光源驅動電路Fig.4 Constant power light source drive circuit

當功率達到平衡穩定時比較器兩個輸入端電壓相等：

再根據公式：

式中：AV為MAX4211EEUE 功率增益等于25；UPOUT是MAX4211EEUE 的POUT1引腳輸出電壓；UIN是MAX4211EEUE 的IN 引腳輸入電壓。得其的恒功率控制電路其穩定功率為575 mW。

3.3 PSoC 單片機部分設計

選用CYPRESS 公司PSoC1 系列的8 位單片機cy8c29466 作為多組分檢測系統的核心。 同類氣體檢測產品多使用51 單片機、STM32 以及MSP430 系列。部分51 單片機內部沒有集成ADC 模塊，不符合本課題小型化理念。 文中使用的cy8c29466 內部集成14 位ADC， 在減小內部電路的同時也保證了精度。部分STM32 與MSP430 集成14 位ADC，總體而言STM32 和MSP430 功能強大，速度快，相比PSoC有很多優勢。 但STM32 和MSP430 作為混合信號處理器用于文中設計，很多功能用不上，導致了部分資源浪費[7-8]。反觀PSoC，雖然處理速度不及STM32，但同樣可以達到文中設計的要求，成本上也會低一些。 設計時cy8c2466 內部用C 語言編程，通過可配置的數字及模擬區塊來滿足用戶需求，這是傳統單片機所不具備的。 它可以動態完成片上資源的重新分配，實現新的外圍元器件功能，保證了系統資源的最大化，最經濟化應用[9-10]。 圖5 中主要包含了本次設計中用到的PSoC 模塊， 其中使用到的包括AUMX 模 塊、PGA 模 塊、ADC 模 塊、PWM 模 塊 和UART 模塊等。通過PSoC Designer 軟件對各個模塊進行片上資源分配，內部的資源配置如圖5 所示。

圖5 PSoC 單片機內部資源配置Fig.5 Internal resource allocation of PSoC

設計時根據紅外探測器的特性，即氣體檢測時需要接收變化的光源信號。 所以使用PWM 模塊發出頻率為2 Hz 的脈沖信號對光源進行調制，控制光源亮滅的頻率， 使紅外傳感器接收變化的光源信號。 從紅外探測器同時發出的有4 種路信號需要被采集，這4 路信號分別與單片機的4 個引腳相連接，但cy8c29466 內部只能同時采集兩路信號。 所以采集時通過2 個AMUX 多路信號復用模塊，選擇需要采集氣體通道信號引腳以和參考通道引腳，分別送往2 個PGA 模塊，作為硬件電路的二級放大。 放大后的信號后將信號送入14 位ADC， 將表示氣體濃度變化的電壓信號轉換為數字信號； 設置了1 個UART 模塊， 以19200 的波特率與LabVIEW 相連接，完成整個系統的通信。

4 軟件設計

4.1 單片機軟件設計

單片機的軟件部分設計是通過軟件PSoC Designer 進行編程.主要功能是先接收并處理上位機發送的氣體種類探測指令。 采集紅外氣體探測器發出的模擬信號，然后對這些信號進行處理。 經過處理后的信號數據通過公式計算，算出各個氣體相應的濃度值，最后傳回上位機，由LabVIEW 上位機記錄濃度變化的趨勢。 軟件的設計流程如圖6 所示。

4.2 上位機軟件設計

上位機系統主要是對下位機終端待測氣體的選擇、濃度測量、數據的圖形化顯示與保存和數據傳輸等功能，實現了對多氣體檢測終端的實時化控制與檢測[11]。 軟件主要分為監測和控制兩部分。LabVIEW 通過發送選擇信號給多氣體檢測系統終端來選擇檢測氣體的種類，PSoC 單片機通過數據處理將當前氣體濃度值發送回LabVIEW 上位機部分。 上位機將接收到的數據以波形圖表的形式顯示，并將數據儲存，主界面如圖7 所示。

圖6 檢測終端程序設計流程Fig.6 Detector programming flow chart

圖7 上位機界面Fig.7 Upper computer interface

5 實驗及數據分析

在系統設計完成之后，需要對探測器裝置進行氣體標定。 探測器實物圖如圖8 所示。

圖8 探測器實物Fig.8 Detector appearance

實驗在中國計量科學研究院鄭州中心進行。 標定時使用校準氣發生器HovaCAL digital 411-MF對CO2、CO 和HC 進行稀釋從而獲得不同的濃度。標定的氣體使用河南中許氣體標準有限公司配置的標準氣體，不確定度為1%。

標定時保持環境溫度為25 ℃，以純氮氣作為底氣，通過校準氣發生器將2 種氣體混合，不斷改變待測氣體濃度值獲得各個濃度值對應的信號數據從而完成擬合。 實驗系統搭建如圖9 所示。 將探測器放入容積200 mL 的密閉氣室內，氣室分別接入進氣端和廢氣排放端。 進行不同濃度擬合前先通入純氮氣，將氣室內原有氣體從廢氣端排出。 接著將純氮氣和標準氣體，同時從進氣端送入校準氣發生器，經過校準氣發生器配比后得出不同濃度值的待測氣體，以1 L/min 的流量從標準氣發生器的輸出端輸入到探測氣室內，待探測器向串口發送的數據穩定后，取數值進行擬合[12]。

圖9 氣體擬合實驗平臺Fig.9 Gas fitting experiment platform

系統標定后測量結果如表1、表2 和表3 所示。同時分析了系統的絕對誤差Δ 和相對誤差δ， 如式（9）、式（10）所示：

式中：Cm為系統的測量濃度值；Cs為氣體實際濃度值；R 為本系統的測量量程。

表1 CO2 測量結果Tab.1 CO2 measurement results

表2 CO 實際測量結果Tab.2 CO measurement results

表3 HC 實際測量結果Tab.3 HC measurement results

從圖表中可以看出本系統在相同的環境條件下具有良好的精度，相對誤差在±2%以內。

6 結語

介紹了一種新型紅外多種溫室氣體的探測系統，以PSoC 為核心單片機，實現多組分氣檢測。 主要闡述了在研究過程中的硬件設計、軟件設計以及標定方案。 經過標定后實現了精度較好的小型化多組分氣體檢測系統，為溫室氣體檢測提供了一種較為理想的方法和解決方案。 在此基礎上可以更換紅外探測器的濾光片，對其他氣體進行檢測。