基于氣敏傳感器的危險(xiǎn)氣源搜尋智能車

摘 要： 危險(xiǎn)氣源的搜尋對于排除安全隱患十分重要?；跉怏w傳感器和單片機(jī)控制技術(shù)設(shè)計(jì)了一種危險(xiǎn)氣體泄漏源搜尋智能車系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)由氣敏傳感器探頭、信號采集與控制端、驅(qū)動電路、機(jī)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(xiǎn)氣體泄漏源搜尋智能車實(shí)現(xiàn)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(jìn)行危險(xiǎn)氣體泄漏源搜尋的工作。

關(guān)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(xiàn)標(biāo)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(chǎn)活動中，危險(xiǎn)氣體泄漏是非常危險(xiǎn)的事情，可能會造成財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡的嚴(yán)重后果，因此在泄漏初期及時(shí)定位危險(xiǎn)氣體泄漏源位置并進(jìn)行補(bǔ)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(jī)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(fā)達(dá)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(diǎn)比如需要休息、只能嗅探常規(guī)無毒無害的氣體、易受外界干擾、訓(xùn)練成本高、訓(xùn)練周期長等[2]。目前隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，在氣體監(jiān)測中化學(xué)氣體傳感器有著越來越重要的應(yīng)用[3]。由氣敏傳感器組成的氣體檢測網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)時(shí)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(dá)或者周圍環(huán)境危險(xiǎn)的位置，通過信號傳輸線或使用無線通信技術(shù)將檢測到的氣體信息傳到位置較遠(yuǎn)的地方，由上位機(jī)獲取信號后，人們就可以獲取目標(biāo)位置的氣體種類和濃度等信息，達(dá)到實(shí)時(shí)檢測的目的[4]。傳感器網(wǎng)絡(luò)相較于嗅探犬，其可以在更惡劣的工作環(huán)境下實(shí)施不間斷檢測，可靠性更強(qiáng)，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(diǎn)，設(shè)計(jì)了可自主移動的氣體檢測智能車。本方案采用費(fèi)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(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)時(shí)間較快，價(jià)格低廉。使用Feescale公司K60系列單片機(jī)對氣敏檢測端進(jìn)行信號采集，并根據(jù)當(dāng)前環(huán)境氣體情況，控制機(jī)械載體的行進(jìn)。它不僅可以工作在有毒害氣體環(huán)境中，而且傳感器隨機(jī)械載體的移動可以保證搜尋到氣體泄漏源的準(zhǔn)確位置[5]。

1 危險(xiǎn)氣源搜尋系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(nèi)部器敏感材料由金屬氧化物半導(dǎo)體制成，在清潔空氣中電導(dǎo)率很低。當(dāng)環(huán)境中出現(xiàn)敏感氣體時(shí)，敏感材料的電導(dǎo)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(lián)，經(jīng)過分壓就可將該敏感氣體濃度值轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)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(shí)際環(huán)境中氣體擴(kuò)散是個(gè)很復(fù)雜的過程，受到風(fēng)速、地面粗糙程度、大氣穩(wěn)定程度等因素的影響[7]。在空曠無風(fēng)的環(huán)境下理想氣體自由擴(kuò)散，氣體分子會從氣體泄漏源位置即高濃度區(qū)向低濃度區(qū)域移動。根據(jù)這一規(guī)律，機(jī)械載體上的2個(gè)或多個(gè)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(jī)就可以判斷出哪個(gè)位置離泄漏源更近，并控制機(jī)械載體向濃度相對較高的位置行進(jìn)，重復(fù)以上采集、比較、判斷方向、行進(jìn)的過程使機(jī)械載體逐步靠近泄漏源位置，最終到達(dá)濃度最高的地點(diǎn)。由于需要比較左、右兩邊氣體濃度的高低，所以兩個(gè)傳感器之間的距離要足夠遠(yuǎn)，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(shè)計(jì)中左、右兩個(gè)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(qū)分哪個(gè)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(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

2.2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

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(jī)驅(qū)動，系統(tǒng)電路框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)電路框圖

本系統(tǒng)使用的MCU是Feescale公司的K60單片機(jī)，該單片機(jī)使用ARM公司設(shè)計(jì)并授權(quán)的Cortex?M4內(nèi)核，主頻100 MHz可以運(yùn)行較為復(fù)雜的算法，其內(nèi)部還集成了12位A/D轉(zhuǎn)換器，12位的轉(zhuǎn)換精度保證了信號數(shù)字化后信息的細(xì)節(jié)不會丟失[8]。

氣敏傳感器探頭使用的是費(fèi)加羅公司生產(chǎn)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(wěn)定可靠性強(qiáng)、集成度高外圍電路簡單等特點(diǎn)。由于該傳感器外圍電路是傳感器與一固定阻值電阻串聯(lián)，經(jīng)過計(jì)算該電阻取值與傳感器靜態(tài)時(shí)阻值相同時(shí)，可以保證達(dá)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(zhuǎn)換器來說輸出內(nèi)阻太大，有必要進(jìn)行阻抗變換和濾波處理，故使用ADI公司生產(chǎn)的AD8032運(yùn)算放大器搭建一階RC濾波阻抗變化電路，該運(yùn)放是雙路運(yùn)放可以采集兩個(gè)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(shè)計(jì)主要考慮功率需求，紋波影響，功耗限制這三個(gè)方面。單片機(jī)和運(yùn)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(nèi)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(yīng)設(shè)計(jì)輸出電壓穩(wěn)定紋波小的電源電路，而作為移動設(shè)備自身攜帶電池容量有限電源模塊效率太低會減少續(xù)航時(shí)間。綜合考慮以上因素設(shè)計(jì)電源模塊， 最終選用TPS7333芯片產(chǎn)生3.3 V電壓為單片機(jī)提供工作電源，TPS7350產(chǎn)生5 V電壓為傳感器，運(yùn)算放大器等芯片提供工作電源，TPS73XX系列電源芯片具有靜態(tài)功耗小，電壓穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。電源模塊原理圖如圖5所示。

圖5 電源模塊

電機(jī)驅(qū)動模塊有2種方案：一種是使用集成芯片，這種方案設(shè)計(jì)簡單，且芯片的過流過壓等功能齊全，可以預(yù)防驅(qū)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(gè)MOSFET，這種方案驅(qū)動能力更強(qiáng)，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(qū)動芯片IR2104組建驅(qū)動電路[9]如圖6所示。

圖6 電機(jī)驅(qū)動電路

各個(gè)電路模塊調(diào)試成功后，將PCB安裝在機(jī)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(shí)際安裝圖如圖7所示。

圖7 危險(xiǎn)氣源搜尋智能車

2.3 系統(tǒng)控制算法設(shè)計(jì)

危險(xiǎn)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(tǒng)上電后將氣敏傳感器加熱到合適工作溫度并進(jìn)行各個(gè)模塊初始化。A/D模塊將氣敏傳感器電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后，K60對其進(jìn)行算數(shù)平均濾波處理，減小環(huán)境噪聲的干擾。在環(huán)境中沒有敏感氣體時(shí)，小車沿固定路線自主巡邏并檢測環(huán)境氣體情況，此時(shí)小車行進(jìn)速度較快，速度的穩(wěn)定控制是編碼測速器檢測小車電機(jī)的轉(zhuǎn)速，單片機(jī)根據(jù)當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速情況使用PID控制算法對車速進(jìn)行閉環(huán)控制而實(shí)現(xiàn)的。

當(dāng)檢測到周圍環(huán)境有敏感氣體時(shí)系統(tǒng)退出巡邏模式，小車減緩移動速度并根據(jù)左、右兩側(cè)傳感器檢測到的濃度大小判斷濃度高的區(qū)域。如果一側(cè)的傳感器高于另一側(cè)的一定值則判定該方向氣體濃度更高，此時(shí)單片機(jī)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向使小車向該區(qū)域移動；否則認(rèn)定左右兩側(cè)濃度值相同繼續(xù)保持原移動方向，當(dāng)行進(jìn)到環(huán)境中敏感氣體濃度達(dá)到最大時(shí)，小車駐停并開啟蜂鳴器報(bào)警，表明危險(xiǎn)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(tǒng)測試

為了驗(yàn)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(kuò)散，將測試環(huán)境選定在空曠無風(fēng)的地點(diǎn)，使用無毒害易揮發(fā)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(shí)小車沿著白色路線巡邏檢測，某一時(shí)刻打開A處盛有乙醇的容器，觀察小車能否發(fā)現(xiàn)敏感氣體并沿著灰色路徑向高濃度區(qū)域行進(jìn)最終找到泄漏源。改變乙醇試劑放置點(diǎn)A和小車巡邏軌跡之間的距離L并重復(fù)試驗(yàn)。

圖8 控制流程圖

經(jīng)過觀察當(dāng)泄漏位置離巡邏軌跡較近時(shí)，小車可以檢測到敏感氣體并向氣源位置行進(jìn)，但是當(dāng)泄漏位置較遠(yuǎn)時(shí)，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(yuǎn)就無法檢測出當(dāng)前環(huán)境中的乙醇?xì)怏w。

4 結(jié) 語

基于氣敏傳感器的氣源定位智能車具有結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低、檢測范圍廣、準(zhǔn)確性相對較好的特點(diǎn)；作為可移動的檢測系統(tǒng)有著更好的靈活性，可以模仿嗅探動物在危險(xiǎn)環(huán)境下進(jìn)行搜尋危險(xiǎn)氣體泄漏位置的工作。

圖9 測試示意圖

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