基于虛擬儀器的有害氣體報(bào)警儀*

盧 超，李鵬輝

(陜西理工學(xué)院物理系，陜西 漢中723000)

在科研實(shí)驗(yàn)、礦產(chǎn)能源開采、家庭住所、各種動(dòng)物養(yǎng)殖、及衛(wèi)生醫(yī)療等場合經(jīng)常要用到有害氣體報(bào)警系統(tǒng)，傳統(tǒng)的方法是下位機(jī)通過傳感器及AD轉(zhuǎn)換器采集到數(shù)據(jù)，然后利用無線模塊將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)。上位機(jī)再通過軟件處理后利用液晶顯示屏和語音芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示及報(bào)警等功能，這種方式的缺點(diǎn)是，數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定，傳輸距離短，因?yàn)闊o線模塊傳輸距離只有幾十到幾百米，受到場地的影響嚴(yán)重。設(shè)計(jì)一種傳輸網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)穩(wěn)定性好、使用方便、用戶界面友好、造價(jià)低廉且測量準(zhǔn)確的有害氣體監(jiān)測儀器，基于單片機(jī)和Labview的測試系統(tǒng)，對被測區(qū)每個(gè)位置的有害氣體濃度情況進(jìn)行網(wǎng)上的實(shí)時(shí)監(jiān)測，一旦出現(xiàn)異常現(xiàn)象便于及時(shí)分析和處理，將會(huì)有效地提高事故的預(yù)見性和工作效率，有著重要的實(shí)際推廣價(jià)值和理論研究意義［1］。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要包有害氣體信息采集，模擬/數(shù)字信號轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)的讀取，串口數(shù)據(jù)通訊，PC機(jī)數(shù)據(jù)處理，網(wǎng)絡(luò)通信及報(bào)警模塊。系統(tǒng)的下位機(jī)部分通過傳感器將有害氣體信息采集到單片機(jī)內(nèi)，進(jìn)行簡單的數(shù)據(jù)處理后將數(shù)據(jù)通過串口傳送給上位機(jī)(PC)。上位機(jī)由4個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的用Labview編寫的程序組成。首先上位機(jī)通過“串口VI”完成數(shù)據(jù)的接收并將數(shù)據(jù)以波形方式顯示，并且在該程序中可以設(shè)定報(bào)警值大小，一旦達(dá)到報(bào)警值，程序前面板的指示燈便會(huì)變亮，同時(shí)通過調(diào)用“語音VI”，也可以實(shí)現(xiàn)語音報(bào)警功能來報(bào)警。如果想通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，只要在上位機(jī)上運(yùn)行TCP/IP程序中的“發(fā)送VI”即可。這時(shí)，其他用戶便可通過TCP/IP程序中的“接收VI”在其PC上讀取數(shù)據(jù)，且同樣可以實(shí)現(xiàn)主機(jī)上的監(jiān)視及報(bào)警功能。上位機(jī)在接收到數(shù)據(jù)后可以將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，以便對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析［2-6］。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 有害氣體采集電路

圖2是MQ-7和MQ-5傳感器的基本測試電路，需要施加2個(gè)電壓:加熱器電壓VH和測試電壓VC，其中VH用于為傳感器提供特定的工作溫度，VC用于測定與傳感器串聯(lián)的負(fù)載電阻RL上的電壓VRL。MQ-7和MQ-5傳感器具有輕微的極性，VC需用直流電源，在滿足傳感器電性能要求的前提下，VC和VH可以共用同一個(gè)電源電路［1］。

圖2 MQ-7和MQ-5采集電路

2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路

A/D采用ADC0809芯片，需提供約500 kHz的時(shí)鐘頻率，系統(tǒng)采用74LS74芯片對單片機(jī)的時(shí)鐘輸出端(ALE輸出的時(shí)鐘頻率為2 MHz)進(jìn)行四分頻，供ADC0809使用，ADC0809的CLOCK接Q端口，IN0與IN1分別接一氧化碳傳感器和甲烷傳感器輸出端，ADC0809的OE端接高電平后打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。將輸入選擇端口即 ADDA、ADDB、ADDC中的ADDA接到單片機(jī)的P2.7端，ADDB和ADDC接地，實(shí)現(xiàn)對 IN0與 IN1的控制。VREF+與VREF-為參考電壓輸入端，分別接5V和地，電路如圖3所示，將轉(zhuǎn)換后的電壓值接到單片機(jī)的P1端口，實(shí)現(xiàn)ADC0809與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。START與單片機(jī)P2.2相連，控制A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束信號由低電平跳變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，EOC引腳將信號通知給單片機(jī)使其進(jìn)行數(shù)據(jù)的正常讀取。

圖3 A/D轉(zhuǎn)換電路

2.3 與上位機(jī)通信電路

采用MAX232芯片完成兩路TTL/RS-232電平的轉(zhuǎn)換，MAX232的9、10引腳是TTL電平端，連接單片機(jī)，11，12引腳分別接CH341芯片的TXD和RXD引腳，T1IN和 T2IN接 TTL/CMOS電平的89C51單片機(jī)的串口發(fā)送端TXD，R1OUT和R2OUT接TTL/CMOS電平的89C51單片機(jī)的串口接收端RXD，T1OUT和T2OUT可直接接PC機(jī)的RS-232串口的接收端RXD，R1IN和R2IN可直接接PC機(jī)的RS-232串口發(fā)送端 TXD，電路如圖4所示。CH341提供全速USB設(shè)備接口，兼容USB2.0，外圍器件只需要電容和晶體，電源電壓為5 V，USB接口的差分?jǐn)?shù)據(jù)線對與 CH341的 UD-和 UD+直接相連［7］。

3 下位機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中單片機(jī)軟件是采用C51語言編寫，主要包括ADC0809芯片驅(qū)動(dòng)及有害氣體數(shù)據(jù)采集部分和串口數(shù)據(jù)發(fā)送部分，下位機(jī)主程序流程圖見圖5所示。

數(shù)據(jù)采集軟件主要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)對ADC0809傳感器的初始化、發(fā)送測量命令及數(shù)值的讀取，有害氣體測量時(shí)先調(diào)用ADC0809初始化子程序進(jìn)行初始化，它包括復(fù)位、傳輸啟動(dòng)命令。在有害氣體數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，單片機(jī)與PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信采用串口實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)中單片機(jī)串行口工作在模式1，即可變波特率10 bit異步收發(fā)模式。單片機(jī)工作在12 MHz時(shí)鐘時(shí)，用T1的方式2自重裝模式，設(shè)置9 600 bit/s波特率。

圖4 與上位機(jī)通信電路

圖5 下位機(jī)主程序流程圖

4 上位機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用Labview為上位機(jī)軟件開發(fā)平臺，用G語言進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要實(shí)用VISA高級應(yīng)用編程接口。VISA是虛擬儀器系統(tǒng)I/O接口軟件，基于自底向上結(jié)構(gòu)模型的VISA創(chuàng)造了一個(gè)統(tǒng)一形式的I/O控制函數(shù)集，提供了非常強(qiáng)大的儀器控制功能與資源管理上位機(jī)串口。程序中由4個(gè)事件分支構(gòu)成，上位機(jī)串口程序圖如圖6所示。程序執(zhí)行條件選擇為:值改變。即只有點(diǎn)擊當(dāng)前面板上的“開始運(yùn)行”按鈕后才能執(zhí)行該程序。在該程序中主要目的是實(shí)現(xiàn)VISA的自定義、數(shù)據(jù)的讀取及顯示報(bào)警功能。通過對VISA進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置后進(jìn)入While循環(huán)，利用VISA讀取函數(shù)讀取字符串?dāng)?shù)據(jù)。在條件結(jié)構(gòu)的真分支中實(shí)現(xiàn)字符串與數(shù)組之間的轉(zhuǎn)換、波形顯示及報(bào)警功能。將數(shù)據(jù)保存到一個(gè)緩沖區(qū)后關(guān)閉串口［8-9］。

VISA的設(shè)置是成功讀取串口數(shù)據(jù)的關(guān)鍵，只有與下位機(jī)一致才能正確獲取下位機(jī)資源。在配置VISA時(shí)，波特率設(shè)置成9 600，字節(jié)大小為8 bit，校驗(yàn)位和停止位分別設(shè)置為無校驗(yàn)位及1?！氨４妗笔录绦驁D，程序執(zhí)行條件選擇為:值改變。即當(dāng)前面板上“保存數(shù)據(jù)”按鈕值改變時(shí)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的保存，其保存形式為txt文件?！巴顺觥笔录种D，條件為“值改變”。當(dāng)點(diǎn)擊前面板上“退出程序”按鈕后可退出該While循環(huán)，即終止串口程序運(yùn)行。當(dāng)前面板上“數(shù)據(jù)回放”按鈕值改變時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的回放，而且可以通過調(diào)節(jié)前面板上“回放速度”控件調(diào)節(jié)其數(shù)據(jù)回放速度大小。

在串口讀取程序中，單片機(jī)和PC之間是以字符串的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)交流的，當(dāng)要把從單片機(jī)讀取的數(shù)據(jù)以波形形式進(jìn)行顯示時(shí)，就要進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，而且Labview中的波形顯示控件輸入的類型要求為數(shù)組形式，因而，要把讀取的字符串類型數(shù)據(jù)首先轉(zhuǎn)換為字節(jié)數(shù)組，然后再通過調(diào)用索引數(shù)組、創(chuàng)建數(shù)組及數(shù)組插入控件建立一個(gè)一維數(shù)組。通過調(diào)用TCP偵聽函數(shù)、寫入TCP數(shù)據(jù)函數(shù)、關(guān)閉TCP連接函數(shù)等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳送功能。程序運(yùn)行前必須將打開TCP連接函數(shù)的地址設(shè)定為發(fā)送機(jī)的IP地址，且端口號也必須與發(fā)送機(jī)端口號相同。在該程序中，可以實(shí)現(xiàn)在其他計(jì)算機(jī)上的數(shù)據(jù)讀取及報(bào)警功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。實(shí)現(xiàn)語音報(bào)警功能首先要通過編程來調(diào)用波形文件，通過對其進(jìn)行相應(yīng)的配置后可以實(shí)現(xiàn)音量大小調(diào)節(jié)，當(dāng)達(dá)到報(bào)警值時(shí)即可啟動(dòng)該函數(shù)進(jìn)行語音報(bào)警［11-12］。

圖6 上位機(jī)串口程序圖

5 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)調(diào)試采用模塊化調(diào)試和整體組合調(diào)試相結(jié)合的方法來進(jìn)行，調(diào)試界面如圖7所示。經(jīng)過模塊化的軟件仿真、硬件電路調(diào)試和組裝測試，最終實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)系統(tǒng)的有害氣體數(shù)據(jù)采集功能、上位機(jī)串口讀取、上下限氣體濃度設(shè)定功能、聲光報(bào)警功能、TCP/IP數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸功能、溫濕度處理顯示功能和溫、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。

圖7 上位機(jī)調(diào)試界面

測試結(jié)果對比如表1所示，在相同的環(huán)境下，一共進(jìn)行了10次測量，第2列和第3列為有害氣體一氧化碳和甲烷傳感器MQ-7、MQ-5輸出的模擬電壓值，第4列和第5列為精度高的成品報(bào)警儀MQ-7和MQ-5輸出模擬電壓值，第6列和第7列為相對誤差，可以看出該有害氣體測量裝置在實(shí)際工作中具有很好的效果，所采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過與相應(yīng)的校準(zhǔn)器件所得到的數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)其誤差很小，一氧化碳傳感器平均誤差為0.29%，甲烷傳感器平均誤差為2.14%。

表1 測量結(jié)果對比

6 結(jié)束語

設(shè)計(jì)的基于虛擬儀器的有害氣體報(bào)警儀，結(jié)合Labview的數(shù)據(jù)顯示、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸及報(bào)警較好地解決了數(shù)據(jù)采集精確度及傳輸距離問題。系統(tǒng)通訊穩(wěn)定可靠，可拓寬應(yīng)用于家居、隧道和大壩糧倉等領(lǐng)域的有害氣體監(jiān)測中。

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