一種雙模式氨氣傳感器的設計與實現(xiàn)

徐 光，趙 全，馬德常，許 宏

(1.北京航天試驗技術研究所，北京 100074；2.北京航天凱恩化工科技有限公司，北京 100074)

0 引言

氨作為一種重要的化工原料，在化肥、制冷劑、有機合成等工業(yè)都有著廣泛的應用，氨氣為有毒氣體，在對液氨的存儲、運輸、使用和生產(chǎn)過程中，若發(fā)生泄漏情況，會對人員造成中毒傷害且有可能發(fā)生爆炸事故。因此需要對氨在生產(chǎn)、存儲、運輸?shù)冗^程進行泄漏監(jiān)測，以保障人員和設備安全，目前市場上主要使用固定式氨氣檢測探頭對其進行在線監(jiān)測，固定式探頭需要布置電纜進行供電及信號傳輸，當供電端出現(xiàn)故障或需要進行移動中檢測時無法滿足使用要求。本文設計了一種雙模式氨氣傳感器，可采用電纜供電及電池供電2種方式，當電纜供電方式未啟用或故障時傳感器自動切換至電池供電并通過無線發(fā)送數(shù)據(jù)，可以滿足不同工況條件下的氨氣泄漏監(jiān)測需求。

1 傳感器組成結構及原理

雙模傳感器由電源模塊、電化學傳感器、信號處理模塊、4～20 mA環(huán)路電流發(fā)生模塊、ZigBee無線發(fā)射模塊、MSP430AFE253微控制器組成。電化學傳感器與待測氣體發(fā)生氧化反應，產(chǎn)生微弱的nA電流信號，電流信號經(jīng)信號處理模塊轉化為可供A/D采集的電壓信號，經(jīng)MSP430AFE253片內(nèi)A/D轉換模塊轉換為數(shù)字量信號，經(jīng)計算后得到對應的濃度值，當采用24 V電源供電時，4～20 mA環(huán)路電流模塊處于激活狀態(tài)，濃度值轉換為4～20 mA電流信號輸出，當采用電池供電時，無線模塊處于激活狀態(tài)，濃度值通過無線射頻信號發(fā)出。2種供電方式可自動進行切換。傳感器總體結構圖如圖1所示。

圖1 傳感器總體設計

2 傳感器硬件設計

雙模傳感器硬件電路主要包括供電電路、信號前端處理電路、微控制器電路、4～20 mA環(huán)路電路及無線發(fā)送電路。

2.1 供電電路設計

雙模傳感器采用2種供電方式，當傳感器為有線連接方式時(即采用24 V供電)，通過MP1593電壓轉換電路將24 V轉換為3.3 V給電路各個模塊供電，該模式下環(huán)路電流芯片處于上電狀態(tài)，芯片輸出基準電壓通過分壓后接入主控芯片A/D采集引腳，以便主控芯片判斷當前供電方式。當電池供電時，采用LDO芯片AS1360-3.3 V將4.2 V鋰電池電壓轉換為3.3 V給電路各個模塊供電，使用電量監(jiān)測芯片MAX17043G+對電池電量進行監(jiān)測。2種供電方式采用LC710S 固態(tài)繼電器進行自動切換，當沒有24 V供電時，傳感器使用電池供電方式。當采用24 V供電時，自動切斷電池供電電路。供電電路結構如圖2所示。

圖2 供電電路結構圖

2.2 傳感器前端處理電路設計

本文采用三電極型電化學傳感器對氨氣進行檢測，其工作原理是待測氣體通過薄膜擴散到傳感器內(nèi),與傳感器工作電極(WE)相互作用，傳感器參考電極(RE)提供反饋，通過改變負電極(CE)上的電壓保持WE引腳的恒定電位。工作電極輸出微弱的電流信號，由于其電流信號為nA級別，將此電流轉換為輸出電壓需要使用具有極低輸入偏置電流的跨阻放大器。本文選用AD8642構成運算放大電路，其輸入偏置電流最大僅為1 pA。電化學傳感器具有較長的時間常數(shù)，上電后到傳感器輸出建立穩(wěn)定電流輸出要幾min，為避免啟動時間過長，采用場效應管MMBFJ177將RE引腳與WE連接，當JFET的柵極-源極閾值電壓小于2.5 V時，RE與WE處于短接狀態(tài)，當上電后有助于傳感器輸出迅速穩(wěn)定。前端處理電路如圖3所示。

圖3 前端處理電路設計

2.3 微控制器電路設計

系統(tǒng)采用MSP430AFE253作為主控芯片，該芯片采用16位精簡指令集架構，高達12 MHz系統(tǒng)時鐘，具備5種節(jié)能模式，其待機功耗最低僅為0.5 μA，可在不到1 μs的時間里超快速地從待機模式喚醒。芯片內(nèi)部集成具有3個差分可編程增益放大器輸入的24位三角積分模式轉換器，本項目共需2路A/D輸入，其中一路進行傳感器信號采集，另一路用于主控芯片判斷當前供電方式，當使用24 V有線供電時，環(huán)路電流芯片處于上電狀態(tài)，將其基準電壓輸出引腳經(jīng)電阻分壓后接入主控芯片A/D采集端，由此來判斷當前供電方式。

主控芯片內(nèi)有串口通信接口，SPI接口等，可大幅減小系統(tǒng)硬件電路體積，提高可靠性。微控制器與各個模塊間的接線圖如圖4所示。

圖4 微控制器硬件接線

2.4 4～20 mA環(huán)路電路設計

選用AD5420作為4～20 mA環(huán)路電流芯片，其具有16位DAC寄存器和電流放大器，用于對環(huán)路電流進行數(shù)字控制，同時其內(nèi)置了失調(diào)調(diào)整和增益調(diào)整寄存器，用于校準環(huán)路芯片輸出線性度。對于4～20 mA輸出范圍，環(huán)路電流可以表示為

式中：D為DAC寄存器的十進制值；Gain為增益調(diào)整寄存器的十進制值；offset為失調(diào)調(diào)整寄存器的十進制值。

環(huán)路電流芯片輸出端外接NPN型晶體管，可減小片內(nèi)輸出晶體管的電流，從而降低AD5420的功耗，并減小溫度所引起的漂移量，使得片內(nèi)基準電壓源的溫度漂移降至最小，改善漂移和線性性能。芯片Rset引腳外接一精密低漂移電阻，該電阻用于改善環(huán)路電流芯片的整體性能。微控制器通過SPI接口與環(huán)路芯片進行通信，其與微控制器的接口電路如圖4所示。

2.5 無線發(fā)射電路設計

無線發(fā)射模塊選用ZM5161-P1型Zigbee無線模塊，該模塊是基于NXP JN5161芯片開發(fā)的低功耗、高性能Zigbee模塊，其將完整的射頻收發(fā)電路集成在1個模塊上，模塊支持休眠及外部引腳喚醒功能，可通過主控芯片對其進行控制，模塊使用串口通信協(xié)議與主控芯片進行通訊，主控芯片可通過串口協(xié)議對模塊的各項參數(shù)進行配置，其與微控制器的電路接口設計如圖4所示。

3 傳感器軟件設計

傳感器軟件在IAR For MSP430環(huán)境下采用C語言編寫，程序采用模塊化設計，系統(tǒng)程序由硬件初始化程序、數(shù)據(jù)采集及濾波子程序，電量監(jiān)測子程序、環(huán)路電流模塊通信子程序、無線模塊通信程序等組成，傳感器主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

當傳感器完成硬件初始化后，對模擬量電壓數(shù)據(jù)進行采集，在實際應用中，模擬量數(shù)據(jù)通常會夾雜著一些干擾噪聲，需要進行數(shù)字濾波設計以降低噪聲干擾，提高數(shù)據(jù)的準確性及可靠性，程序內(nèi)使用均值濾波算法。在完成數(shù)據(jù)采集后通過A/D通道采集環(huán)路芯片基準電壓來判斷當前供電方式，若有電壓則說明當前供電方式為有線供電方式，則程序按照有線模式執(zhí)行，若沒有檢測到電壓，則表明當前供電方式為電池供電，則程序按照無線模式執(zhí)行。

3.1 電池供電模式程序設計

當供電方式為電池供電時，傳感器為無線數(shù)據(jù)傳輸模式，為延長電池滿電量使用時長，主控模塊與無線發(fā)射模塊設置為周期性工作模式，當主控芯片完成一次數(shù)據(jù)采集及處理后，由主控芯片喚醒無線發(fā)送模塊進行無線數(shù)據(jù)發(fā)送，完成發(fā)送后主控芯片控制無線發(fā)射模塊進入休眠模式，隨后主控芯片亦進入休眠模式并啟動定時器，由定時器喚醒主控芯片后再次執(zhí)行周期采集發(fā)送程序。

傳感器與ZigBee網(wǎng)關進行通訊，設計了傳感器與ZigBee網(wǎng)關之間的通信協(xié)議。其通訊協(xié)議幀格式如表1所示，目標地址是網(wǎng)關地址，網(wǎng)關具有廣播和監(jiān)聽功能；配置網(wǎng)關與傳感器節(jié)點處于同一個信道；數(shù)據(jù)采用16進制數(shù)表示，包括電池電量信息和氣體濃度數(shù)據(jù)。

表1 通訊協(xié)議幀格式

3.2 有線供電模式程序設計

當供電方式為有線供電時，使用環(huán)路電流芯片進行4～20 mA信號輸出，主控芯片通過SPI接口與環(huán)路電流芯片進行通信，首先將控制命令寫入環(huán)路電流芯片控制寄存器中，控制命令對其輸出電流范圍、是否采用菊花鏈工作模式、數(shù)字壓擺率、輸出使能等參數(shù)進行設置，如需進行失調(diào)調(diào)整或增益調(diào)整則將數(shù)據(jù)寫入對應的寄存器中，最后將氣體濃度數(shù)據(jù)轉換為4～20 mA電流信號對應的數(shù)字量寫入環(huán)路芯片數(shù)據(jù)寄存器中，此時環(huán)路芯片將輸出對應濃度值的4～20 mA信號。環(huán)路芯片寄存器操作流程如圖6所示。

圖6 環(huán)路電流芯片寄存器操作流程

4 測試結果及分析

4.1 無線通信距離及穩(wěn)定性測試

選擇空曠地進行測試，在不同距離情況下進行數(shù)據(jù)收發(fā)試驗，每個地點發(fā)送1 000組數(shù)據(jù)，使用串口調(diào)試助手接收并顯示數(shù)據(jù)結果，測試結果如表2所示。在1 km內(nèi)錯包率為0，丟包率最大為0.2%。

表2 通訊距離測試記錄

4.2 標準氣測試

使用NH3標準氣對傳感器進行測試，標準氣濃度為20 ppm(傳感器量程為0～100 ppm)，測試過程中首先使用有線供電方式進行測試，待傳感器讀數(shù)穩(wěn)定后將電源斷開，使用無線方式進行測試，其測試結果如表3所示。

表3 標準氣濃度測試記錄 ppm

5 結束語

采用有線供電4～20 mA輸出的氨氣傳感器，其抗干擾能力強，傳輸距離遠，但其在使用環(huán)境上存在局限性，采用電池供電無線傳輸模式具備安裝簡便的特點。雙模式氨氣傳感器可擴展傳感器使用工況，在有線供電故障時或需要進行移動中檢測時可使用無線模式，保證傳感器實時在線工作。