徐 光，趙 全，馬德常，許 宏

(1.北京航天試驗(yàn)技術(shù)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(jī)合成等工業(yè)都有著廣泛的應(yīng)用，氨氣為有毒氣體，在對(duì)液氨的存儲(chǔ)、運(yùn)輸、使用和生產(chǎn)過(guò)程中，若發(fā)生泄漏情況，會(huì)對(duì)人員造成中毒傷害且有可能發(fā)生爆炸事故。因此需要對(duì)氨在生產(chǎn)、存儲(chǔ)、運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程進(jìn)行泄漏監(jiān)測(cè)，以保障人員和設(shè)備安全，目前市場(chǎng)上主要使用固定式氨氣檢測(cè)探頭對(duì)其進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，固定式探頭需要布置電纜進(jìn)行供電及信號(hào)傳輸，當(dāng)供電端出現(xiàn)故障或需要進(jìn)行移動(dòng)中檢測(cè)時(shí)無(wú)法滿足使用要求。本文設(shè)計(jì)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(dāng)電纜供電方式未啟用或故障時(shí)傳感器自動(dòng)切換至電池供電并通過(guò)無(wú)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(cè)需求。

1 傳感器組成結(jié)構(gòu)及原理

雙模傳感器由電源模塊、電化學(xué)傳感器、信號(hào)處理模塊、4～20 mA環(huán)路電流發(fā)生模塊、ZigBee無(wú)線發(fā)射模塊、MSP430AFE253微控制器組成。電化學(xué)傳感器與待測(cè)氣體發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生微弱的nA電流信號(hào)，電流信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理模塊轉(zhuǎn)化為可供A/D采集的電壓信號(hào)，經(jīng)MSP430AFE253片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)，經(jīng)計(jì)算后得到對(duì)應(yīng)的濃度值，當(dāng)采用24 V電源供電時(shí)，4～20 mA環(huán)路電流模塊處于激活狀態(tài)，濃度值轉(zhuǎn)換為4～20 mA電流信號(hào)輸出，當(dāng)采用電池供電時(shí)，無(wú)線模塊處于激活狀態(tài)，濃度值通過(guò)無(wú)線射頻信號(hào)發(fā)出。2種供電方式可自動(dòng)進(jìn)行切換。傳感器總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 傳感器總體設(shè)計(jì)

2 傳感器硬件設(shè)計(jì)

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

2.1 供電電路設(shè)計(jì)

雙模傳感器采用2種供電方式，當(dāng)傳感器為有線連接方式時(shí)(即采用24 V供電)，通過(guò)MP1593電壓轉(zhuǎn)換電路將24 V轉(zhuǎn)換為3.3 V給電路各個(gè)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(zhǔn)電壓通過(guò)分壓后接入主控芯片A/D采集引腳，以便主控芯片判斷當(dāng)前供電方式。當(dāng)電池供電時(shí)，采用LDO芯片AS1360-3.3 V將4.2 V鋰電池電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V給電路各個(gè)模塊供電，使用電量監(jiān)測(cè)芯片MAX17043G+對(duì)電池電量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。2種供電方式采用LC710S 固態(tài)繼電器進(jìn)行自動(dòng)切換，當(dāng)沒(méi)有24 V供電時(shí)，傳感器使用電池供電方式。當(dāng)采用24 V供電時(shí)，自動(dòng)切斷電池供電電路。供電電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 供電電路結(jié)構(gòu)圖

2.2 傳感器前端處理電路設(shè)計(jì)

本文采用三電極型電化學(xué)傳感器對(duì)氨氣進(jìn)行檢測(cè)，其工作原理是待測(cè)氣體通過(guò)薄膜擴(kuò)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(guò)改變負(fù)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(hào)，由于其電流信號(hào)為nA級(jí)別，將此電流轉(zhuǎn)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(gòu)成運(yùn)算放大電路，其輸入偏置電流最大僅為1 pA。電化學(xué)傳感器具有較長(zhǎng)的時(shí)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(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，采用場(chǎng)效應(yīng)管MMBFJ177將RE引腳與WE連接，當(dāng)JFET的柵極-源極閾值電壓小于2.5 V時(shí)，RE與WE處于短接狀態(tài)，當(dāng)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(shè)計(jì)

2.3 微控制器電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用MSP430AFE253作為主控芯片，該芯片采用16位精簡(jiǎn)指令集架構(gòu)，高達(dá)12 MHz系統(tǒng)時(shí)鐘，具備5種節(jié)能模式，其待機(jī)功耗最低僅為0.5 μA，可在不到1 μs的時(shí)間里超快速地從待機(jī)模式喚醒。芯片內(nèi)部集成具有3個(gè)差分可編程增益放大器輸入的24位三角積分模式轉(zhuǎn)換器，本項(xiàng)目共需2路A/D輸入，其中一路進(jìn)行傳感器信號(hào)采集，另一路用于主控芯片判斷當(dāng)前供電方式，當(dāng)使用24 V有線供電時(shí)，環(huán)路電流芯片處于上電狀態(tài)，將其基準(zhǔn)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(lái)判斷當(dāng)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(gè)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(shè)計(jì)

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(duì)環(huán)路電流進(jìn)行數(shù)字控制，同時(shí)其內(nèi)置了失調(diào)調(diào)整和增益調(diào)整寄存器，用于校準(zhǔn)環(huán)路芯片輸出線性度。對(duì)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(jìn)制值；Gain為增益調(diào)整寄存器的十進(jìn)制值；offset為失調(diào)調(diào)整寄存器的十進(jìn)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(zhǔn)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(guò)SPI接口與環(huán)路芯片進(jìn)行通信，其與微控制器的接口電路如圖4所示。

2.5 無(wú)線發(fā)射電路設(shè)計(jì)

無(wú)線發(fā)射模塊選用ZM5161-P1型Zigbee無(wú)線模塊，該模塊是基于NXP JN5161芯片開(kāi)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(gè)模塊上，模塊支持休眠及外部引腳喚醒功能，可通過(guò)主控芯片對(duì)其進(jìn)行控制，模塊使用串口通信協(xié)議與主控芯片進(jìn)行通訊，主控芯片可通過(guò)串口協(xié)議對(duì)模塊的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行配置，其與微控制器的電路接口設(shè)計(jì)如圖4所示。

3 傳感器軟件設(shè)計(jì)

傳感器軟件在IAR For MSP430環(huán)境下采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，程序采用模塊化設(shè)計(jì)，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(cè)子程序、環(huán)路電流模塊通信子程序、無(wú)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(dāng)傳感器完成硬件初始化后，對(duì)模擬量電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，在實(shí)際應(yīng)用中，模擬量數(shù)據(jù)通常會(huì)夾雜著一些干擾噪聲，需要進(jìn)行數(shù)字濾波設(shè)計(jì)以降低噪聲干擾，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)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(guò)A/D通道采集環(huán)路芯片基準(zhǔn)電壓來(lái)判斷當(dāng)前供電方式，若有電壓則說(shuō)明當(dāng)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(méi)有檢測(cè)到電壓，則表明當(dāng)前供電方式為電池供電，則程序按照無(wú)線模式執(zhí)行。

3.1 電池供電模式程序設(shè)計(jì)

當(dāng)供電方式為電池供電時(shí)，傳感器為無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模式，為延長(zhǎng)電池滿電量使用時(shí)長(zhǎng)，主控模塊與無(wú)線發(fā)射模塊設(shè)置為周期性工作模式，當(dāng)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(wú)線發(fā)送模塊進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送，完成發(fā)送后主控芯片控制無(wú)線發(fā)射模塊進(jìn)入休眠模式，隨后主控芯片亦進(jìn)入休眠模式并啟動(dòng)定時(shí)器，由定時(shí)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(guān)進(jìn)行通訊，設(shè)計(jì)了傳感器與ZigBee網(wǎng)關(guān)之間的通信協(xié)議。其通訊協(xié)議幀格式如表1所示，目標(biāo)地址是網(wǎng)關(guān)地址，網(wǎng)關(guān)具有廣播和監(jiān)聽(tīng)功能；配置網(wǎng)關(guān)與傳感器節(jié)點(diǎn)處于同一個(gè)信道；數(shù)據(jù)采用16進(jìn)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(shè)計(jì)

當(dāng)供電方式為有線供電時(shí)，使用環(huán)路電流芯片進(jìn)行4～20 mA信號(hào)輸出，主控芯片通過(guò)SPI接口與環(huán)路電流芯片進(jìn)行通信，首先將控制命令寫(xiě)入環(huán)路電流芯片控制寄存器中，控制命令對(duì)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(jìn)行設(shè)置，如需進(jìn)行失調(diào)調(diào)整或增益調(diào)整則將數(shù)據(jù)寫(xiě)入對(duì)應(yīng)的寄存器中，最后將氣體濃度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為4～20 mA電流信號(hào)對(duì)應(yīng)的數(shù)字量寫(xiě)入環(huán)路芯片數(shù)據(jù)寄存器中，此時(shí)環(huán)路芯片將輸出對(duì)應(yīng)濃度值的4～20 mA信號(hào)。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(cè)試結(jié)果及分析

4.1 無(wú)線通信距離及穩(wěn)定性測(cè)試

選擇空曠地進(jìn)行測(cè)試，在不同距離情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)試驗(yàn)，每個(gè)地點(diǎn)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(jié)果，測(cè)試結(jié)果如表2所示。在1 km內(nèi)錯(cuò)包率為0，丟包率最大為0.2%。

表2 通訊距離測(cè)試記錄

4.2 標(biāo)準(zhǔn)氣測(cè)試

使用NH3標(biāo)準(zhǔn)氣對(duì)傳感器進(jìn)行測(cè)試，標(biāo)準(zhǔn)氣濃度為20 ppm(傳感器量程為0～100 ppm)，測(cè)試過(guò)程中首先使用有線供電方式進(jìn)行測(cè)試，待傳感器讀數(shù)穩(wěn)定后將電源斷開(kāi)，使用無(wú)線方式進(jìn)行測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 標(biāo)準(zhǔn)氣濃度測(cè)試記錄 ppm

5 結(jié)束語(yǔ)

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