摘 要：利用半導(dǎo)體氣敏傳感器MQ-7采集一氧化碳?xì)怏w，STC單片機對電壓信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并發(fā)給Hi-Link的rm04模塊，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸送入上位機；上位機的LabVIEW程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行接收、處理和圖形表達(dá)。多個氣體采集節(jié)點構(gòu)成星型網(wǎng)絡(luò)，可對一定范圍內(nèi)環(huán)境氣體進(jìn)行監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：MQ-7傳感器；RM04；LabVIEW；STC單片機

中圖分類號：TN911.23

在礦產(chǎn)資源開采、家庭住所環(huán)境、動物養(yǎng)殖、及衛(wèi)生醫(yī)療等場合經(jīng)常要要對有害氣體進(jìn)行檢測及報警，一般的方法是通過氣體傳感器及ADC轉(zhuǎn)換器采集數(shù)據(jù)，再通過RS485串行線路進(jìn)行較遠(yuǎn)距離傳輸，上位機接收數(shù)據(jù)后經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，可報告現(xiàn)場有害氣體情況及采取相應(yīng)的措施。該方法的缺點是布線麻煩，傳輸距離有限。利用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建傳輸平臺，利用LabVIEW平臺編寫的上位機測試系統(tǒng)，可以監(jiān)控一定范圍內(nèi)的空氣情況，如果監(jiān)測出現(xiàn)異常情況可以及時分析處理和預(yù)報，將會有效地提高事故預(yù)見性和工作效率。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)監(jiān)測的有害氣體為一氧化碳，由于一氧化碳與體內(nèi)血紅蛋白的親和力比氧與血紅蛋白的親和力大200-300倍，而碳氧血紅蛋白較氧合血紅蛋白的解離速度慢3600倍，當(dāng)一氧化碳濃度在空氣中達(dá)到35ppm，就會對人體產(chǎn)生損害，會造成一氧化碳中毒[1，2]。

系統(tǒng)總體框架圖如圖1所示，主要包括CO氣體采集，單片機的模擬/數(shù)字信號轉(zhuǎn)換，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)的下位機利用傳感器采集待測氣體，產(chǎn)生的信號電壓送到到單片機內(nèi)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到字符數(shù)據(jù)處理通過網(wǎng)絡(luò)傳送給上位機。上位機PC端程序采用LabVIEW軟件平臺開發(fā)，LabVIEW是一種業(yè)界領(lǐng)先的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)圖形化開發(fā)工具，主要用于開發(fā)測試、測量與控制系統(tǒng)，它是專門為工程師和科學(xué)家而設(shè)計的直觀圖形化編程語言。它將軟件和各種不同的測量儀器硬件及計算機集成在一起，構(gòu)建虛擬儀器系統(tǒng)[3]。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 CO傳感器電路。設(shè)計采用MQ-7半導(dǎo)體氣敏傳感器，傳感器使用氣敏材料，敏感體主要是由半導(dǎo)體材料制成的，其中應(yīng)用最為廣泛的半導(dǎo)體材料不是常見的硅、鍺半導(dǎo)體，而是金屬氧化物半導(dǎo)體，在氣體傳感器領(lǐng)域中應(yīng)用最多的金屬氧化物是SnO2，ZnO，F(xiàn)e2O3，WO3等。MQ-7采用清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫（SnO2），使用高低溫循環(huán)檢測方式的低溫（1.5V加熱）檢測一氧化碳，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中一氧化碳?xì)怏w濃度增加而增大，高溫（5.0V加熱）清洗低溫時吸附的雜散氣體。使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化，轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。MQ-7氣體傳感器對一氧化碳的靈敏度高，這種傳感器可檢測多種含一氧化碳的氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器[4-6]。

圖2是傳感器的基本測試電路。該傳感器需要施加2個電壓：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則是用于測定與傳感器串聯(lián)的負(fù)載電阻（RL）上的電壓（VRL）。VC和VH可以共用同一個+5V電源電路。傳感器表面電阻RS=（VC/VRL-1）*RL，在給定的工作條件下和適當(dāng)?shù)臍怏w濃度范圍內(nèi)，在一定的溫濕度情況下，靈敏度曲線是非線性的，傳感器的電阻值和還原性氣體濃度之間的關(guān)系可以近似由下面方程表示：Rs=A[C]-α（C為氣體濃度）[7，8]；由圖3靈敏度特性曲線，利用matlab擬合出RS/RO與CO濃度關(guān)系式：

因此測出VRL就可以得到標(biāo)準(zhǔn)測試條件下CO的濃度。根據(jù)器件手冊，傳感器MQ-7的探測濃度在20～2000ppm。

2.2 傳感器電壓采集。STC12C5A系列單片機自帶ADC功能，有8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器，速度可達(dá)250KHz。

上電復(fù)位后P1口為弱上拉口，用戶可以通過軟件設(shè)置將8路通道的任意一路設(shè)置為A/D轉(zhuǎn)換。單片機的參考電壓來自工作電壓VCC，可不外接參考電壓源。實際使用時用萬用表量出工作電壓并記錄在單片機的EEPROM[9]。來自傳感器的采樣電壓接入P1口的P1.0引腳，單片機對模數(shù)轉(zhuǎn)換的采樣電壓值進(jìn)行字符處理，通過UART串行通信發(fā)送到Hi-Link的RM04模塊的串口。

2.3 有線網(wǎng)絡(luò)傳輸。RM04模塊是基于通用串行接口的符合網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口、以太網(wǎng)、無線網(wǎng)（WIFI）3個接口之間的轉(zhuǎn)換。通過HLK-RM04模塊，傳統(tǒng)的串口設(shè)備在不需要更改任何配置的情況下，即可通過局域網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)傳輸自己的數(shù)據(jù)，為用戶的串口設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)提供完整快速的解決方案[10]。

HLK-RM04模塊與PC的串口連接后，選擇“串口以太網(wǎng)”模式，設(shè)定好網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、串行通信的波特率、幀的格式及遠(yuǎn)程端口和模塊的IP地址，即調(diào)整好模塊的工作模式。由于RM04模塊與單片機之間采用串行通信，需要MAX232芯片完成TTL/RS232電平轉(zhuǎn)換。RM04模塊的WAN口通過雙絞線連接PC機網(wǎng)卡實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信；如果需要擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)傳輸距離，可接入交換機或路由器。

3 軟件部分設(shè)計

3.1 下位機程序設(shè)計。下位機單片機的C51程序包括LCM液晶顯示模塊、ADC轉(zhuǎn)換模塊、溫濕度檢測和串行通。

信模塊。單片機的LCM模塊可以顯示現(xiàn)場的氣體采樣電壓、溫濕度和氣體的實時濃度；為了適應(yīng)無人值守等環(huán)境要求，程序中加入單片機的看門狗功能，定時復(fù)位保證信號電壓的采集和顯示；串行通信采用與RM04模塊相同的波特率9600和相同的幀格式，保證數(shù)據(jù)的正確發(fā)送和接收。

3.2 上位機程序設(shè)計。主從設(shè)計模式特別適合一對多的情況，主方發(fā)布數(shù)據(jù)，從方被動響應(yīng)[11]。HLK-RM04模塊與PC機之間的通信采用標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議，由于監(jiān)控的是一定區(qū)域內(nèi)的CO濃度變化，所以存在多個信號采集節(jié)點。不同的節(jié)點通過網(wǎng)線連接在交換機并通過交換機與PC機通信。對于不同位置點的氣體采樣，TCP/IP傳輸數(shù)據(jù)時間各不相同。上位機程序采用主從結(jié)構(gòu)，使得每個點的采集任務(wù)分別在各自的循環(huán)中實現(xiàn)，同時在前面板顯示每個采集點的數(shù)據(jù)，可以根據(jù)需要隨時切換每個采集點的實時變化數(shù)據(jù)曲線。

如圖4示，在主循環(huán)中采用狀態(tài)機控制系統(tǒng)的“初始化”、“數(shù)據(jù)處理”和“退出”等狀態(tài)，在“數(shù)據(jù)處理”狀態(tài)中引入事件結(jié)構(gòu)，對前面板的輸入輸出控件設(shè)定事件，優(yōu)化程序的執(zhí)行效率。

如圖5示，從循環(huán)采用TCP函數(shù)編寫，當(dāng)“讀取TCP數(shù)據(jù)函數(shù)”以CRLF格式從網(wǎng)絡(luò)上獲取數(shù)據(jù)流，可得到RM04模塊發(fā)出的字符數(shù)據(jù)，將字符轉(zhuǎn)換為數(shù)值，用來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、實時波形和數(shù)據(jù)監(jiān)控，同時可選擇存儲監(jiān)控數(shù)據(jù)。若需要增加采集節(jié)點，可在程序框圖中添加對應(yīng)節(jié)點的從循環(huán)，所有的采集節(jié)點構(gòu)成星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中信號數(shù)據(jù)儲存、信號濃度轉(zhuǎn)換和濃度報警等模塊以子VI的形式被調(diào)用。

4 結(jié)束語

采用半導(dǎo)體氣敏元件檢測CO氣體，驅(qū)動電路簡單，成本低，使用HLK-RM04模塊進(jìn)行TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸，擴(kuò)大了氣體的監(jiān)控距離和范圍，整個采集節(jié)點構(gòu)成星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即使某個采集節(jié)點出現(xiàn)故障，也不會影響系統(tǒng)對范圍內(nèi)氣體的監(jiān)控，提高系統(tǒng)的容災(zāi)特性。

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[11]陳樹學(xué)，劉萱.LabVIEW寶典[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011：396.

作者簡介：李旭華（1975-），男，廣東人，實驗師，碩士，研究方向：虛擬儀器、計算機檢測。

作者單位：嘉應(yīng)學(xué)院 物理與光信息科技學(xué)院，廣東梅州 514015

基金項目：嘉應(yīng)學(xué)院第十批教育教學(xué)改革研究青年項目（項目編號：JYJG2013301）。