CN104916083A - 一种基于物联网的智能可燃气体检测探测器及其标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于物联网的智能可燃气体检测探测器，该探测器包括传感器电路、电压放大电路、单片机、CAN收发器、USB-CAN转换器、RS485收发器和报警信号控制电路，所述单片机包括中央处理器、A/D转换器、CAN模块、SCI模块和I/O口。本发明还提供一种基于物联网的智能可燃气体检测探测器的标定方法。本发明不但使气体浓度与AD信号真正地对应起来，而且在不增加硬件成本的基础上，解决了由于传感器性能老化和环境参数变化等造成的输出精度降低的问题；上位机与单片机配合对探测器进行标定，提高了检测灵敏度。

Description

一种基于物联网的智能可燃气体检测探测器及其标定方法

技术领域

本发明涉及可燃气体检测技术领域，具体是一种基于物联网的智能可燃气体检测探测器及其标定方法。

背景技术

目前，从国内外发展情况来看，可燃气体检测探测器产品正朝着功耗低、寿命长、稳定性好、技术水平先进、数字化总线制、多功能、集成化、智能化程度高的方向发展。可燃气体检测探测器的快速发展使得可燃气体检测探测器产品表现为新旧并存。可燃气体检测探测器产品的选型主要是根据实际应用需求而定，当用户需求发生改变时，需要重新选择探测器，给生产和应用带来麻烦。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够自动对可燃气体进行检测的基于物联网的智能可燃气体检测探测器及其标定方法。

本发明的技术方案为：

一种基于物联网的智能可燃气体检测探测器，该探测器包括传感器电路、电压放大电路、单片机、CAN收发器、USB-CAN转换器、RS485收发器和报警信号控制电路，所述单片机包括中央处理器、A/D转换器、CAN模块、SCI模块和I/O口，所述传感器电路的输出端通过电压放大电路与A/D转换器的输入端连接；

所述A/D转换器的输出端与中央处理器的输入端连接，所述中央处理器的输出端通过I/O口与报警信号控制电路的输入端连接，所述中央处理器通过CAN模块与CAN收发器交互式连接，所述中央处理器通过SCI模块与RS485收发器交互式连接，所述CAN收发器通过USB-CAN转换器与上位机交互式连接，所述RS485收发器与上位机交互式连接。

所述的基于物联网的智能可燃气体检测探测器，该探测器还包括电压电流转换电路，所述电压电流转换电路的输入端与电压放大电路的输出端连接。

所述的基于物联网的智能可燃气体检测探测器，所述传感器电路采用低功耗催化燃烧式传感器。

所述的基于物联网的智能可燃气体检测探测器，所述电压放大电路采用可编程传感器接口芯片。

所述的基于物联网的智能可燃气体检测探测器，所述单片机采用HCS08系列单片机。

所述的基于物联网的智能可燃气体检测探测器，所述电压电流转换电路采用专用接口集成芯片。

所述的一种基于物联网的智能可燃气体检测探测器的标定方法，该方法包括以下顺序的步骤：

（1）将传感器电路置于气体检测管道内，并将气体检测管道内的温度控制在20℃，此时不向气体检测管道内输入可燃气体；

（2）调整单片机的粗调参数，直至单片机读取的AD信号值与预设的目标值一致，将此时的粗调参数写入单片机；

（3）向气体检测管道内输入50%LEL的标准浓度的可燃气体，单片机读取AD信号值并发送给上位机；

（4）将气体检测管道内的温度控制在40℃，重复步骤（3）；

（5）上位机根据接收到的AD信号值，计算出细调参数并写入单片机；

（6）将气体检测管道内的温度控制在20℃～40℃，从该温度区间内选取不同的温度值，在每个温度下，先后对以下情形进行检测，即不向气体检测管道内输入可燃气体、输入25% LEL的标准浓度的可燃气体、输入50%LEL的标准浓度的可燃气体；

（7）单片机读取不同温度、不同情形下的AD信号值，并与预设的目标值进行比较，若误差均小于限值，则标定成功。

由上述技术方案可知，本发明不但使气体浓度与AD信号真正地对应起来，而且在不增加硬件成本的基础上，解决了由于传感器性能老化和环境参数变化等造成的输出精度降低的问题；上位机与单片机配合对探测器进行标定，提高了检测灵敏度。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的传感器电路结构示意图；

图3是本发明的电压电流转换电路结构示意图；

图4是本发明的方法流程图；

图5是本发明的工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明。

如图 1所示，一种基于物联网的智能可燃气体检测探测器，包括传感器电路1、电压放大电路2、电压电流转换电路3、单片机4、报警信号控制电路5、CAN收发器6、RS485收发器7和USB-CAN转换器8，单片机4包括中央处理器40、A/D转换器41、I/O口42、CAN模块43和SCI模块44。传感器电路1的输出端通过电压放大电路2分别与电压电流转换电路3和A/D转换器41的输入端连接。

A/D转换器41的输出端与中央处理器40的输入端连接；中央处理器40的输出端通过I/O口42与报警信号控制电路5的输入端连接，中央处理器40通过CAN模块43与CAN收发器6交互式连接，中央处理器40通过SCI模块44与RS485收发器7交互式连接，CAN收发器6通过USB-CAN转换器8与上位机9交互式连接，RS485收发器7与上位机9交互式连接。

传感器电路1采用一种低功耗催化燃烧式传感器，该传感器对所有可燃气体都具有极高的灵敏度，如图2所示，其内部由一对匹配的催化燃烧组件组成：检测组件和补偿组件。当遇到可燃气体时，检测组件电阻增加，补偿组件电阻不变，导致桥路电压不平衡，产生微小的电压差信号。该传感器输出电压的大小不但取决于被检测气体的种类，而且还与气体浓度存在较好的线性关系特性。

本发明采用完全集成的可编程传感器接口芯片作为电压放大电路2，对传感器电路1产生的微弱电压进行放大和处理，通过对该芯片E²PROM的标定，可精确调整输出量和偏移量至期望值，还能补偿传感器灵敏度和偏置的温度漂移。放大后的输出电压为0～5V，该电压通过外部引脚直接输出供测量使用。

在一些应用需求下，与可燃气体浓度相关的电信号需要进行远距离传输，本发明采用电压到电流的专用接口集成芯片作为电压电流转换电路3，输出电流为4～20mA，如图3所示。该芯片的电流输出范围和偏置调零可以通过外接电阻进行任意调整。

单片机4采用HCS08系列单片机，成本低、功能很强大是该单片机的特点。为构成多处探测区域集中监测的分布式数据采集器，系统配置了通信电路，通信方式包括RS485通信和CAN通信。

如图4所示，一种基于物联网的智能可燃气体检测探测器的标定方法，包括以下顺序的步骤：

S1、将传感器电路1置于气体检测管道内，并将气体检测管道内的温度控制在20℃，此时不向气体检测管道内输入可燃气体；

S2、调整单片机4的粗调参数，直至单片机4读取的AD信号值与预设的目标值一致，将此时的粗调参数写入单片机4；

S3、将气体检测管道内的温度控制在20℃，向气体检测管道内输入50%LEL的标准浓度的可燃气体，单片机4读取AD信号值并发送给上位机9；

S4、将气体检测管道内的温度控制在40℃，向气体检测管道内输入50%LEL的标准浓度的可燃气体，单片机4读取AD信号值并发送给上位机9；

S5、上位机9根据接收到的AD信号值，计算出细调参数并写入单片机4；

S6、将气体检测管道内的温度控制在20℃～40℃，从该温度区间内选取不同的温度值，在每个温度下，先后对以下情形进行检测，即不向气体检测管道内输入可燃气体、输入25% LEL的标准浓度的可燃气体、输入50%LEL的标准浓度的可燃气体；

S7、单片机4读取不同温度、不同情形下的AD信号值，并与预设的目标值进行比较，若误差均小于限值，则标定成功。

在上述标定过程中，单片机4与上位机9之间通过USB-CAN转换器8采用CCP协议进行数据的传输。

本发明的工作原理：

如图5所示，首先对系统进行初始化，然后让传感器电路1预热一段时间，时间可根据传感器电路1的不同进行调整，预热完成之后，传感器电路1开始对气体检测管道内的气体浓度进行检测，并将气体浓度转换成模拟电信号，该模拟电信号经电压放大电路2放大处理后输入单片机4的A/D转换器41，A/D转换器41将模拟电信号转换成数字电信号输入中央处理器40，中央处理器40可将接收到的AD信号值与设定的报警值进行比较，当达到报警值时，控制I/O口42输出报警控制信号，同时也可将接收到的AD信号通过CAN模块43或SCI模块44发送到CAN总线或RS485总线上，最终到达上位机9，上位机9根据气体浓度与AD信号之间存在的对应关系得到气体浓度。AD信号采集与数据处理每隔10ms进行一次，AD信号值采用去除最大和最小值再取平均的滤波方法，能够提高测量精度。

以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于物联网的智能可燃气体检测探测器，其特征在于：该探测器包括传感器电路、电压放大电路、单片机、CAN收发器、USB-CAN转换器、RS485收发器和报警信号控制电路，所述单片机包括中央处理器、A/D转换器、CAN模块、SCI模块和I/O口，所述传感器电路的输出端通过电压放大电路与A/D转换器的输入端连接；

所述A/D转换器的输出端与中央处理器的输入端连接，所述中央处理器的输出端通过I/O口与报警信号控制电路的输入端连接，所述中央处理器通过CAN模块与CAN收发器交互式连接，所述中央处理器通过SCI模块与RS485收发器交互式连接，所述CAN收发器通过USB-CAN转换器与上位机交互式连接，所述RS485收发器与上位机交互式连接。

2.根据权利要求1所述的基于物联网的智能可燃气体检测探测器，其特征在于：该探测器还包括电压电流转换电路，所述电压电流转换电路的输入端与电压放大电路的输出端连接。

3.根据权利要求1所述的基于物联网的智能可燃气体检测探测器，其特征在于：所述传感器电路采用低功耗催化燃烧式传感器。

4.根据权利要求1所述的基于物联网的智能可燃气体检测探测器，其特征在于：所述电压放大电路采用可编程传感器接口芯片。

5.根据权利要求1所述的基于物联网的智能可燃气体检测探测器，其特征在于：所述单片机采用HCS08系列单片机。

6.根据权利要求2所述的基于物联网的智能可燃气体检测探测器，其特征在于：所述电压电流转换电路采用专用接口集成芯片。

7.根据权利要求1所述的一种基于物联网的智能可燃气体检测探测器的标定方法，其特征在于，该方法包括以下顺序的步骤：

（1）将传感器电路置于气体检测管道内，并将气体检测管道内的温度控制在20℃，此时不向气体检测管道内输入可燃气体；

（2）调整单片机的粗调参数，直至单片机读取的AD信号值与预设的目标值一致，将此时的粗调参数写入单片机；

（3）向气体检测管道内输入50%LEL的标准浓度的可燃气体，单片机读取AD信号值并发送给上位机；

（4）将气体检测管道内的温度控制在40℃，重复步骤（3）；

（5）上位机根据接收到的AD信号值，计算出细调参数并写入单片机；

（6）将气体检测管道内的温度控制在20℃～40℃，从该温度区间内选取不同的温度值，在每个温度下，先后对以下情形进行检测，即不向气体检测管道内输入可燃气体、输入25% LEL的标准浓度的可燃气体、输入50%LEL的标准浓度的可燃气体；

（7）单片机读取不同温度、不同情形下的AD信号值，并与预设的目标值进行比较，若误差均小于限值，则标定成功。