CN211978749U

CN211978749U - 一种多种气体检测装置

Info

Publication number: CN211978749U
Application number: CN201921939809.5U
Authority: CN
Inventors: 王江涛; 陶思宇; 孙舟; 王国辉; 蔡佳欣; 郭奇; 石建华
Original assignee: Xi'an Ziguo Micro Technology Co ltd
Current assignee: Xi'an Ziguo Micro Technology Co ltd
Priority date: 2019-11-12
Filing date: 2019-11-12
Publication date: 2020-11-20
Anticipated expiration: 2029-11-12

Abstract

本发明涉及一种多种气体检测装置，包括核心处理单元及与之连接的传感器数据采集单元、能源管理单元、人机交互单元、报警单元及通信接口单元，传感器数据采集单元包括电化学气体传感器、双气体传感器模组及温湿度传感器模组，电化学气体传感器主要由气体传感器、信号调理电路及AD芯片组成；能源管理单元主要由微控制器、DC‑DC芯片及MOS管构成，负责装置整体的电源控制、能源管理及实时计时；人机交互单元包括液晶显示屏及自恢复按键；报警单元主要由高亮LED灯、蜂鸣器及震动马达构成；通信接口单元由IrDA模组构成。本发明的优点是，成本低、操作方便、能耗低，智能化程度高。

Description

一种多种气体检测装置

技术领域

本发明属于气体检测设备领域，具体涉及一种多种气体检测装置。

背景技术

目前，市场中常用的接触燃烧式气体传感器测量精度低、稳定性差容易发生中毒现象。为了满足国家矿用产品安全的相关资质要求，通过本装置的气体传感器的作用通过化学及物理方法，精准、稳定地检测到的气体浓度进行电信号转换，根据检测对象的性质跟检测环境的特点，选择多类型高精度的传感器检测各类气体浓度的最小变化量，并且通过高精度、高可靠性的器件选型及较好的气体选择性、较低的功耗，使得气体检测技术进入小型化的发展进程。相比以往的接触燃烧式气体传感器，本装置的设计通过高精度的采集设计保证了需求方的检测量程、分辨率及误差，避免了中毒现象的产生。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，提供一种低成本、操作便捷的多种气体检测装置。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种多种气体检测装置，包括传感器数据采集单元、核心处理单元、能源管理单元、人机交互单元、报警单元及通信接口单元，所述传感器数据采集单元包括电化学气体传感器、双气体传感器模组及温湿度传感器模组，所述电化学气体传感器主要由气体传感器、信号调理电路及AD芯片组成；

所述能源管理单元主要由微控制器、DC-DC芯片及MOS管构成，负责装置整体的电源控制、能源管理及实时计时；

所述人机交互单元包括液晶显示屏及自恢复按键；

所述报警单元主要由高亮LED灯、蜂鸣器及震动马达构成；

所述通信接口单元由IrDA模组构成；

所述核心处理单元分别连接传感器数据采集单元、能源管理单元、人机交互单元、报警单元及通信接口单元。

进一步的，所述气体传感器用于将相应气体信息转换为电信号，所述信号调理电路负责调理传感器输出的电信号；所述AD芯片用于将信号调理电路输出的模拟信号转换为数字信号。

进一步的，所述核心处理单元通过与AD芯片通信接口连接获取相应数字信号，所述双气体传感器模组与核心处理单元通过UART接口数字通信，所述温湿度传感器模组与核心处理单元通过I2C接口数字通信。

进一步的，所述核心处理单元主要由一片STM32的ARM处理器构成，对传感器数据采集单元进行控制，并将采集得到的数据进行计算、处理和存储。

进一步的，所述DC-DC芯片用于将电池电压转换成目标电压，给电路整板供电；能源管理单元通过MOSFET开关控制整板各模块的供电。

作为优选，所述ARM处理器型号为STM32L462，其内设存储模块。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明能够精准、稳定地将检测到的气体浓度进行电信号转换，根据检测对象的性质跟检测环境的特点，选择多类型高精度的传感器检测各类气体浓度的最小变化量，并且通过高精度、高可靠性的器件选型及较好的气体选择性、较低的功耗，使得气体检测技术进入小型化的发展进程。与现在所使用的气体信号采集及处理方式对比，本发明装置在减小了地勤人员繁重工作量的同时不受地域及环境资源限制，实现气体浓度的采集、处理、存储，提高了气体浓度采集及处理的效率及智能化、小型化的要求。能够满足气体传感器的预热、测量、数据读取、存储、声光报警等功能，并且可通过更改相应的气体传感器实现单气体及多气体检测功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的整体检测装置结构框图；

图2为本发明的充电系统电路图；

图3为本发明的检测装置工作流程图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但所举实施例只作为对本发明的说明，不作为对本发明的限定。

如图1-3所示的一种多种气体检测装置，采用ARM+AD及外围存储电路的方案实现气体的检测、采集、数据存储。其中模拟采集模块决定了系统的测量范围、响应时间、测量精度等。主要通过三级电化学气体传感器输出的电流信号转化为电压信号进行放大后接入ARM，同时在输出端口增加RC滤波电路以及一级跟随器增加了该装置的抗EMI特性。ARM主要是实现气体浓度信号、温湿度信号的采集。该控制器在软件方面采用了数字滤波算法，程序对采集的数据进行处理，降低了地址线、电源线、信号线、分布电容和电感等带来的干扰，从而进一步降低了ARM处理器中的数据误差。该种算法降低了硬件成本，提高了装置的可靠稳定性、方便灵活性以及存储数据的完整性。

如图1所示为本装置实现原理框图，主要分为传感器数据采集单元，核心处理单元(含储存)，能源管理单元(含微控制器)，人机交互单元，报警单元，通信接口单元；每个单元部分分别对应系统功能框图各个部分。

一、检测装置构成

1、传感器数据采集单元

传感器数据采集单元主要包括3支电化学气体传感器，一支双气体传感器模组及一支温湿度传感器模组。电化学气体传感器数据采集主要由气体传感器、信号调理电路及AD芯片组成，气体传感器主要负责将相应气体信息转换为电信号，信号调理电路负责调理传感器输出的电信号；AD芯片主要负责将信号调理电路输出的模拟信号转换为数字信号，核心处理单元通过与AD芯片通信接口获取相应数字信号。双气体传感器模组与核心处理单元通过UART接口数字通信，核心处理单元CPU只需读取相关数据即可；温湿度传感器模组与核心处理单元通过I2C接口数字通信，核心处理单元CPU只需读取相关数据即可。

2、核心处理单元(含存储)

核心处理单元主要由一片STM32的ARM处理器(STM32L462)构成，通过加载软件程序对传感器数据采集单元的控制，将采集得到数据进行计算、处理和存储，并可实现通讯及相应外设的控制。

所述核心处理单元通过SPI接口连接WIFI模块，通过GPIO连接红外接口、报警灯、微型马达、蜂鸣器及按钮，通过ITAG连接调试接口，通过 LCD接口连接LCD显示器。

3、能源管理单元(含MCU)

能源管理单元主要由一片微控制器(MCU)、DC-DC芯片及MOS管构成，负责整板的电源控制，能源管理并实现实时计时功能。限流器件能够限制电池的最大供电电流，实现安规要求；DC-DC芯片将电池电压转换成目标电压，给整板供电；通过MOSFET开关，能源管理单元能够控制整板各模块的供电。

4、人机交互单元

人机交互单元主要包括液晶显示屏及3个自恢复按键。液晶显示屏用于实时显示当前设备状态信息及相关数据信息；通过3个自恢复按键，操作人员可以对手持设备进行操作。

5、报警单元

报警单元主要由高亮LED灯、蜂鸣器及震动马达构成。LED灯主要用于光信号报警，蜂鸣器主要用于声音信号报警，震动马达主要用于触觉信号报警，当设备处于告警状态时，核心处理单元控制各部分处于相应告警状态。

6、通信接口单元

通信接口单元主要由IrDA模组构成，核心处理单元通过该IrDA模组，导入导出设备数据。

二、充电系统电路

充电系统分为充电模式和通讯模式，在充电模式下可对手持设备进行充电，在通信模式下可与手持设备进行信息交互，通过开关切换两种模式，如图2所示。具有如下的功能：

1)防护模块：EMC防护，具有防浪涌，过流保护等功能；

2)充电模块：管理电池的充电过程；

3)处理器单元：USB协议转换，IrDA协议转换及其他控制；

4)红外通信模块：实现数据导入导出功能；

5)LED显示模块：充电状态指示。

三、检测装置工作流程

如图3为本装置从开机开始，进行人机交互时，液晶屏内容流程图，主要包括开机，常规检测模式，主菜单模式等。实现功能主要包括：

①设备开机；

②设备关机；

③测量运行期间显示；

④识别警报；

⑤新鲜空气调整；

⑥调整单个测量通道的气体标定。

为了保证手持设备在实际运行中会遇到干扰及减少传感器温度特性对实际采集值的影响，软件内置了数据处理算法、温度补偿算法、生产标定软件。

1、数据处理算法：

1)限幅滤波法：抑制因偶然因素引起的脉冲干扰。

2)中位值滤波法：滤除整个采样周期内的偶然因素误差。

3)算数平均滤波法：保证信号是在某一数值范围附近上下波动，该值可以更准确地表达当前一段时间内的实际环境情况。

4)加权滑窗平均滤波算法：采用滑窗平均滤波对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高，但是如果仅采用该方法会导致系统的响应较差，因此采用加权算法，在保证信号平滑的的情况下，增加灵敏度。

2、温度补偿算法：除了双气体传感器自带温度补偿外，其余三种气体测量时需要做温度补偿，本算法需要将该实际温度曲线尽量补偿为一段直线即一定气体浓度下输出不会随温度变化而变化。该算法目前通过采集一定实验数据后进行算术拟合得出温度补偿系数，后续根据相应的温度补偿系数对数据结果进行补偿，提高测量精度。

3、生产标定软件：由于电化学气体传感器产品具有差异性及时间漂移特性后期手持设备在出厂前需要做出厂标定试验(归零点及温度补偿参数)，为了保证手持设备大批量生产标定，需要考虑生产标定的有效性、时间长短及可操作性，设备在生产标定时可考虑执行另外一套生产标定程序。

本发明装置在减小了地勤人员繁重工作量的同时不受地域及环境资源限制，实现气体浓度的采集、处理、存储，提高了气体浓度采集及处理的效率及智能化、小型化的要求。

本发明中未做详细描述的内容均为现有技术。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种多种气体检测装置，其特征在于，包括传感器数据采集单元、核心处理单元、能源管理单元、人机交互单元、报警单元及通信接口单元，所述传感器数据采集单元包括电化学气体传感器、双气体传感器模组及温湿度传感器模组，所述电化学气体传感器主要由气体传感器、信号调理电路及AD芯片组成；

所述人机交互单元包括液晶显示屏及自恢复按键；

所述报警单元主要由高亮LED灯、蜂鸣器及震动马达构成；

所述通信接口单元由IrDA模组构成；

2.根据权利要求1所述的一种多种气体检测装置，其特征在于，所述气体传感器用于将相应气体信息转换为电信号，所述信号调理电路负责调理传感器输出的电信号；所述AD芯片用于将信号调理电路输出的模拟信号转换为数字信号。

3.根据权利要求1所述的一种多种气体检测装置，其特征在于，所述核心处理单元通过与AD芯片通信接口连接获取相应数字信号，所述双气体传感器模组与核心处理单元通过UART接口数字通信，所述温湿度传感器模组与核心处理单元通过I2C接口数字通信。

4.根据权利要求1所述的一种多种气体检测装置，其特征在于，所述核心处理单元主要由一片STM32的ARM处理器构成，对传感器数据采集单元进行控制，并将采集得到的数据进行计算、处理和存储。

5.根据权利要求4所述的一种多种气体检测装置，其特征在于，所述ARM处理器型号为STM32L462，其内设存储模块。

6.根据权利要求1至5任一项所述的一种多种气体检测装置，其特征在于，所述DC-DC芯片用于将电池电压转换成目标电压，给电路整板供电；能源管理单元通过MOSFET开关控制整板各模块的供电。