Разработка анализатора газов на базе газового сенсора RS 286-620

логической 1 на выходе выставлен соответствующий бит данных. Подробная

временная диаграмма представлена на рис. 3.

[pic]

Рис. 3.Информационный обмен с АЦП

Микросхема выдает описанным выше образом последовательность из 16 бит,

однако первые 4 бита всегда имеют нулевое значение. Затем идут 12 значащих

бит начиная со старшего.

Подробно характеристики и описания режимов работы АЦП приведены в [14]

и [15].

Процессорная часть прибора.

Основу процессорной части прибора составляет микроконтроллер AT89C51

(D1). Шина данных микропроцессора 8и битная, коммутируемая т.е. адрес и

данные передаются по одной шине. Для выделения младшего байта адреса

используется регистр D2. Программа работы прибора храниться в ПЗУ программ

D5. Регистр D2 фиксирует состояние шины адрес-данные по переходу сигнала

ALE из высокого в низкий логический уровень. Считывание из ПЗУ слова

программы происходит по переходу сигнала PSEN из высокого в низкий

логический уровень. Отсутствие конфликтов на шине обеспечивается задержкой

сигнала PSEN по отношению к сигналу ALE. Обмен с ОЗУ D6 происходит

полностью аналогично, но чтение происходит не по сигналу PSEN, а по сигналу

RD. Обмен с ОЗУ и ПЗУ происходит только тогда, когда сигнал А15 находиться

в низком уровне. Схематично процесс обмена показан на рис 4.

Для обращения ко внешним устройствам используется дешифратор адреса D4.

Дешифратор проверяет состояние шины A15 и если она находиться в высоком

логическом уровне, то адрес А12-А14 трактуется как адрес внешнего

устройства. При этом на соответствующее устройство (дисплей, ПЗУ данных,

регистр страниц и т.д.) дешифратор подает сигнал “Выбор”.

Для хранения эталонных термограмм применяется ПЗУ большой емкости ( 512

Кбайт ) D7. Адресное пространство процессора позволяет непосредственно

адресовать не более 64 Кбайт внешней памяти. С учетом особенностей

построения прибора этот лимит снижается до 32 Кбайт. Таким образом

необходима страничная адресация ПЗУ данных. ПЗУ Данных разбито на 64

страницы по 8 Кбайт каждая. Таким образом каждая страница содержит одну

эталонную термограмму. Для переключения между страницами используется

регистр страниц D3. Для прочтения данных из ПЗУ данных необходимо проделать

следующие операции:

1. Произвести запись номера страницы в регистр страниц.

1. Произвести чтение ПЗУ данных на установленной в п 1 странице.

Для последующего чтения данных с той же страницы повторного обращения к

регистру страниц не требуется.

Для работы с измерительной частью используется порт 1 микроконтроллера.

Весь необходимый протокол обмена реализован программно.

При работе в автономном режиме для отображения результатов измерений

используется жидкокристаллический дисплей HD44780 со встроенными схемами

управления. Благодаря наличию в дисплее схем формирования символов и

управления стало возможным включить его непосредственно в шину данных-

адреса.

Блок питания.

В качестве блока питания прибора используется внешний источник питания

напряжением 9В. Ток, обеспечиваемый источником составляет 0,7 А. Напряжение

питания, поступающее в прибор фильтруется цепочкой С5 С105 L4 С107 С106 ,

стабилизируется интегральным стабилизатором D50 . Напряжение со

стабилизатора поступает в цепи питания электронных компонент прибора.

Отсутствие в приборе автономного блока питания ( аккумуляторов )

объясняется большим энергопотреблением прибора, которое, в свою очередь,

обусловлено большим током в цепи нагревателя газового датчика.

Устройство отображения информации.

Для отображения результатов измерений используется матричный

жидкокристаллический модуль семейства LM44780. Устройство отображения

информации позволяет отображать цифровую и текстовую информацию, а так же

некоторые служебные символы. В опытном экземпляре прибора установлен

модуль, позволяющий отображать 2 строки информации по 20 символов каждая. В

других экземплярах прибора допускается использование других модулей

семейства LM44780 без каких-либо изменений в схеме и алгоритме работы

прибора. Жидкокристаллический модуль отображения информации включает в свой

состав схемы управления и знакогенератора, что избавляет от необходимости

тратить ресурсы микроконтроллера на реализацию пользовательского

интерфейса.

Модуль состоит из входного регистра, знакогенератора, четырех сдвиговых

регистров для обеспечения динамической индикации, и жидкокристаллического

дисплея. Обмен информацией между модулем и внешними устройствами происходит

посредством входного регистра. Работа модуля возможна как в режиме 8

битового интерфейса, так и в режиме 4-х битового интерфейса. В приборе

реализован первый вариант работы этого устройства.

Модуль имеет следующие входные сигналы

. E-тактовые импульсы. При переходе этого сигнала из высокого

логического уровня в низкий происходит исполнение поступившей

команды или захват данных.

. R/W-запись/чтение. Используется для указания направления обмена

данными с модулем. Низкий логический уровень соответствует записи

данных в модуль. Режим чтения используется для определения текущего

состояния модуля.

. RS-команда/данные. Состояние этого сигнала определяет характер

поступающей в модуль информации. Высокий уровень соответствует

команде, низкий- данным (код отображаемого символа).

. DB0…DB7-шина данных. Используется для обмена данными с модулем.

Для записи информации в ЖК-модуль необходимо выставить сигнал RS в

состояние, соответствующее характеру обмена; сигнал R/W установить в низкий

логический уровень, выставить на шине данных передаваемую информацию,

изменить уровень сигнала Е с низкого на высокий и обратно.

После проведения записи информации модуль временно блокируется для ее

обработки и не отвечает на внешние запросы. Характерным признаком такого

состояния является высокий логический уровень во всех разрядах шины данных.

После завершения внутренней операции шина данных будет выставлена в низкий

логический уровень.

Работа с модулем отображения информацией должна начинаться со

специальной инициализирующей последовательности данных. Далее следуют

команды очистки индикатора, управления курсором, определения произвольных

символов (если необходимо) и коды выводимых символов. Подробно протоколы

информационного обмена с ЖК модулями семейства LM44780 описаны в [6] и

[10]

Результаты испытаний прибора (термограммы некоторых веществ и смесей)

Настройка и калибровка анализатора.

Процесс настройки прибора сводится к отладке процессорной части и

программы работы, а так же к проверке работы измерительного блока.

Подготовка измерительной части к работе заключается в проверке напряжений

на нагревателе чувствительно элемента, и проверке длительности интервалов

прогрева и охлаждения сенсора. Кроме того, необходимо проведение проверки

длительности и равномерности интервалов между измерениями при снятии

термограммы.

Процесс калибровки проводиться путем снятия термограмм эталонных смесей

на сенсоре, который затем будет установлен в приборе. Эталонные термограммы

снимаются сенсором, подключенным к ПЭВМ IBM PC и записываются в файл. В

дальнейшем такие файлы можно использовать либо для проверки

взаимозаменяемости сенсоров, либо для их метрологической проверки.

Содержимое эталонных файлов зашивается в ПЗУ данных прибора.

При изменении типа сенсора необходимо определить оптимальные для

данного датчика длительностей прогрева и охлаждения датчика. В качестве

значения времени прогрева выбирается время полного прогрева датчика от

температуры +10оС до рабочей температуры. В качестве значения времени

охлаждения выбирается время остывания датчика от рабочей температуры до

+10оС. В процессе определения длительности интервалов прогрева и охлаждения

датчика на нагреватель датчика подается рабочее напряжение и измеряется

ток через нагреватель. После подачи на нагреватель напряжения, его

температура начинает возрастать. Поскольку сопротивление нагревателя растет

с ростом температуры, то ток через нагреватель уменьшается до достижения

некоторого стационарного значения. Время с момента подачи напряжения на

нагреватель до достижения током стационарного значения считается временем

прогрева датчика.

Для настройки датчика используются тарированные газовые растворы паров

различных веществ в воздухе. Типичные концентрации паров должны составлять

величины 10 - 1000 ppm.

Первоначально испытания датчика проводились на 20 эталонных образцах.

|Воздух |

|Пары воды |

|хлороформ |

|четыреххлористый углерод |

|дихлорэтан |

|гексан |

|Смесь горючих газов (СГГ) |

|Бензол |

|Толуол |

|фенол |

|формальдегид |

|ацетон |

|спирт этиловый |

|аммиак |

|угарный газ |

|углекислый газ |

|уксусная к-та |

|метан |

|сероводород |

|озон |

Для указанных выше веществ были проведены измерения и сняты зависимости

сопротивления от температуры (эталонные термограммы). По полученным данным

была построена таблица корреляций эталонов ( матрица М в выражении (20а) )

. Графики эталонных термограмм и таблица корреляций приведены в приложении

11. ( Серым цветом в таблице корреляций выделены вещества, термограммы

которых были заложены в ПЗУ прибора).

Из таблицы корреляций видно, что значение коэффициента корреляции для

нескольких пар веществ близко к единице. При определении состава газовой

смеси вероятность того, что вместо одного вещества будет ошибочно

обнаружено другое определяется коэффициентом корреляции между термограммами

этих веществ.

При выборе эталонных термограмм для прошивки в ПЗУ прибора помимо

коэффициента корреляции учитывалась воспроизводимость термограмм для

каждого из веществ.

В качестве веществ, использующихся при настройке датчика следует

выбирать следующие:

Чистый, сухой воздух.

Пары воды.

Угарный газ.

Сероводород.

Спирт этиловый.

Для проверки работоспособности прибора используются тарированные

газовые растворы паров комбинаций (двойных и тройных) тех же веществ в

воздухе.

Ниже приведены наиболее удачные результаты, полученные при калибровке

прибора.

|Смесь |Показания прибора|

|Пары воды |Вода 7000 ppm |

|Сероводород 500 ppm |Сероводород 492 |

| |ppm |

| |Хлор органика 3 |

| |ppm |

|Водный раствор спирта |Вода 1200 ppm |

|50% |Спирт 1600 ppm |

|Сероводород + Пары воды |Вода 309 ppm |

| |Сероводород 270 |

| |ppm |

|Спирт + Аммиак |Спирт 15 ppm |

| |Аммиак 1200 ppm |

Результаты, полученные при определении состава газовой смеси с

использованием всех 19 эталонов приведены в приложении 6.

Алгоритм работы прибора

Алгоритм работы прибора, реализованный в помещенной в ПЗУ прибора

программе работы прибора, состоит из двух основных блоков – блока снятия

результатов измерений и блока обработки результатов и определения

концентраций примесей.

При разработке программы работы прибора большое внимание уделялось

сохранению одинаковых условий снятия термограмм на протяжении всего времени

работы прибора. Для обеспечения воспроизводимости термограмм необходимо

сохранение постоянной частоты снятия результатов измерений с АЦП и циклов

прогрева –охлаждения датчика. В алгоритме работы прибора включение-

выключение нагревателя датчика и снятие показаний АЦП происходят по

прерыванию от внутреннего таймера микропроцессора. Через строго

определенные промежутки времени происходит включение или выключение

напряжения на нагревателе и сохранение данных с АЦП во внешней переменной.

После того, как данные в этой переменной были обновлены выставляется флаг

«Новое измерение» .

Работа прибора начинается с предварительного прогревочного цикла

датчика. Во время снятия термограмм результаты измерений, полученные с АЦП,

записываются в элементы массива в ОЗУ прибора. После записи очередного

результата значение адреса в массиве увеличивается и сбрасывается флаг

«Новое измерение».

После того, как запись результатов в массив завершена управление

передается блоку обработки результатов. Первоначально снятые данные,

полученные с АЦП, пересчитываются в проводимость сенсора. Затем

проводимость сенсора и эталонные термограммы пересчитываются в матрицу М и

столбец свободных членов В.

Полученная система уравнений решается методом прогонки. Полученные

решения сравниваются с 0. Если все решения положительны, то полученное

решение пересчитывается в концентрации примесей. Задача в этом случае

считается решенной. Если некоторые из полученных решений отрицательны –из

матрицы М изымаются соответствующие строки и столбцы и процесс

определения концентраций повторяется. Процесс продолжается до тех пор,

пока не будет получено положительное решение системы. Структура алгоритма

работы прибора изображена на рис. 5 Контрольный пример для определения

правильности работы алгоритма нахождения неотрицательных решений приведен в

приложении 4.

Заключение

В настоящее время весьма актуальна проблема мониторинга окружающей

среды. Для контроля состояния окружающей среды и определения ее

соответствия санитарно-гигиеническим нормам необходимо всестороннее

изучение ее характеристик и количественная оценка этих характеристик.

Система экологического мониторинга, разрабатываемая на кафедре в

настоящее время, предназначена для одновременного измерения нескольких

параметров окружающей среды – температура, влажность, давление,

электрические и магнитные поля, радиоактивные загрязнения и т.д. Для

определения пригодности и безопасности помещений для нахождения человека

необходимо так же контролировать состав находящейся в помещении газовой

смеси. Для оперативного определения химического состава газовой смеси

предназначен входящий в систему в качестве периферийного блока газовый

анализатор.

Данная работа посвящена разработке газового анализатора для системы

экологического мониторинга. Основным его отличием от приборов аналогичного

назначения является использование в качестве чувствительного элемента

датчика загрязненности воздуха, предназначенного не для определения состава

газовой смеси, а для определения степени ее загрязненности. Применение

такого датчика повлекло за собой необходимость измерения зависимости

сопротивления датчика от его температуры и обработки полученной зависимости

для выделения вклада в нее различных составляющих газовой смеси.

В качестве математического аппарата применялся как метод решения систем

уравнений понижающейся размерности, так и методы линейного программирования

( в частности симплекс-метод), позволивший убедиться в корректности работы

первого алгоритма решения задачи.

В ходе работы показана возможность расширения области применения

датчика загрязненности воздуха и создания прибора для определения состава

газовой смеси. Так же создан прототип такого прибора, позволяющий

определить присутствие в газовой смеси ряда примесей.

Использованная литература.

1.А.Б. Певцов, Н.А. Феоктистов. В.Г. Голубев, Л.Е. Морозова, Проводимость

тонких нанокристаллических пленок кремния. Физика и техника

полупроводников, 1999, том 33, №1.

http://www.ioffe.rssi.ru/journals/ftp/1999/01/page-75.html.ru

2.Аленберг В.Б., Бичукина Т.Н., Кожитов Л.В. и др .Тонкие пленки SnO2 (CuO)

для газовых сенсоров.Перспективные материалы (1997), 2.

3.Киселев В.Ф., Крылов О.В. Адсорбционные процессы на поверхности

полупроводников и диэлектриков. Москва. Наука (1978).

4.Зимин А.Б., Николаев Ю.А., Толмаев В.В. Квантовая физика полупроводников.

Издательство МГТУ им Баумана ( 1994) .

5.Б.А.Акимов, А.В.Албул, А.М.Гаськов, В.Ю.Ильин, М.Лабо, М.Н.Румянцева,

Л.И.Рябова Сенсорные свойства по отношению к сероводороду и

;электропроводность поликристаллических пленок SnO2 (CuO) Физика и техника

полупроводников, 1997, том 31, № 4.

http://www.ioffe.rssi.ru/ journals/ftp/1997/04/page-400.html.ru

6.Техническая документация на матричные жидкокристаллические модули LM44780

HD44780 CONTROLLER APPLICATION NOTES.

http://www.gec.com.au/kc/hd44780.htm

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6