基于红外传感器的气体检测系统的设计

６ 结束语
采用红外线测量气体是工业环境气体探测的发展 方向， 但如何在避免干扰气体的影响， 以及降低红外传 感器的功耗， 能否用红外传感器实现两线制还有待进一 步研究。因为这样可以扩大红外气体检测的使用范围， 就可以替换一大批半导体和催化燃烧的测试仪器， 具有 宽广的市场前景。
参考文献：
［１］ 刘亮．先进传感器及其应用［Ｍ］．北京：化学工业出版社， ２００５．
参考文献：
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［３］ 赵玉珠《． 测量仪表与自动化》［Ｍ］．北京：石油大学出版 社，１９９５．
作者简介： 靖海丽（ １ ９ ８ ２ － ） ， 女， 助理工程师， 主要从事自动 化仪表控制工作。
机的各成员都集成了较丰富的片内外设。它们分别是 ＷＤＴ、模拟比较器 Ａ、Ｔｉｍｅｒ＿Ａ、Ｔｉｍｅｒ＿Ｂ、ＵＳＡＲＴ０ 、１、硬件乘法器、液晶驱动器、１２ 位 ＡＤＣ、１２ 位 ＤＡＣ 等的一些外围模块。
（１） 传感器信号处理电路 ７ 红外传感器采用英国 Ｄｙｎａｍｅｎｔ 公司的 Ｐｒｅｍｉｅｒ 传 感器，Ｐｒｅｍｉｅｒ 传感器将温度补偿部分包括在了自身之 内。传感器的输出信号已经得到了温度补偿， 传感器的 输出信号完全达到稳定、可靠并且不受环境温度变化 的影响。只需进行信号的处理放大和转换即可。 通过 Ｍ Ｓ Ｐ ４ ３ ０ 的 １ ２ 位的 Ａ Ｄ 转换可对传感器信号 进行精确的测量， 由于传感器检测输出的电压信号较 小，所以需要通过放大电路与 ４ ３ ０ 的 Ａ Ｄ 连接。图 ２ 为 传感器与 ４３０ 的接口电路。
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仪器仪表与检测技术
Instrumentation and Measurment
的光谱线吸收。这样的传感器一般包括： 一个红外发射 光源、光通路（吸收区）、２ 个滤光片分光（１ 个检测被测 气体需要的光谱波段、另 １ 个作为不被测气体吸收的参 比光谱波段） 和接收转换器几个部分。
（２） 电流输出部分 电流输出部分采用德州仪器（ＴＩ）一款高精度电压至 电流转换器 ／ 发送器 Ｘ Ｔ Ｒ １ １ １ ， 支持标准 ０ － ２ ０ ｍ Ａ 、４－ ２ ０ ｍ Ａ 及 ５ － ２ ５ ｍ Ａ 模拟电流输出。Ｘ Ｔ Ｒ 提高了输出误 差检测与输出禁用能力， 还能提供高达 ３ ６ ｍ Ａ 电流。该 款新器件属于 ＴＩＢｕｒｒ－Ｂｒｏｗｎ 产品线产品，具有 ５００ｕＡ 电源低电流、５ｐｐｍ／Ｃ 低偏移范围以及 ７Ｖ 至 ４４Ｖ 宽泛 电源电压范围特性。Ｘ Ｔ Ｒ 易于使用且满足多种应用要 求， 如针对工业工艺控制与三线传感器系统模拟电流输 出。 ＸＴＲ 采用了一个可控式电压 － 电流外部电阻器。 该电路经调试后也可提供电压输出。Ｘ Ｔ Ｒ 精度为 ０ ． ０ ５ ％ ， 且成本低廉， 可用作压控电流源。 根据 ＸＴＲ１１１ 的特点，通过 ＭＳＰ４３０ 单片机的 ＤＡ 转 换产生的电压来控制 ＸＴＲ１１１ 的电流输出，由于单片机 的输出阻抗较大， 为提高系统的可靠性增加了电压跟随 电路，图 ３ 为系统的 ４￣２０ｍＡ 工业标准电流输出电路。 （３） 键盘及显示电路部分 键盘主要完成传感器的标定及对显示设置， 电路采
４ 检测系统的硬件设计［３］
微控制器采用 ＭＳＰ４３０Ｆ１６１１，ＭＳＰ４３０ 系列单片机 是美国德州仪器（ＴＩ）的一种１６位超低功耗的混合信号处 理器（Ｍｉｘｅｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）。ＭＳＰ４３０ 系列单片机采 用了精简指令集（ＲＩＳＣ）结构，有较高的处理速度，在 ８ＭＨｚ 晶体驱动下指令周期为 １２５ｎｓ。超低功耗是 ＭＳＰ４３０ 单片 机的独到之处。丰富的片上外围模块 ＭＳＰ４３０ 系列单片
＊ 基金项目：广西区自然科学基金项目（编号 ２００８１０５９６０８１１Ｍ１３） 收稿日期：２０１０－０１－２１
２ 红外气体传感器［１］
传统的气体检测多采用半导体和催化元件， 这种传 感器设计和制造相对简单， 价格较低， 但传感器的稳定 性较差， 它只能对低浓度的气体具有较好的线性， 气体 浓度过高或长时间接触低浓度气体都会造成传感器的 灵敏度大幅度下降或损坏，正常情况下每半年须用标准 气体对传感器进行一次校准。红外传感器很好的解决 了半导体和催化元件的不足。
（下转第 １１４ 页）
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经验交流
Technical Communications
式中： ρ 3e ：额定压力下的饱和水的密度 ρ3 ：实际工作压力下的饱和水的密度 负压管输出压力的变化量为 p− − p−e = (L − H0 )(ρ4 − ρ4e )g + H0 (ρ3 − ρ3e )g 来自百度文库 （６） 式中： ρ 4e ：额定压力下的饱和蒸汽的密度 ρ 4 ：实际工作压力下的饱和蒸汽的密度 合理的设计平衡容器， 使正负压管输出的变化量相 等， 即可达到补偿的目的。通过压力补偿就可以准确的 测得汽包液位值了。
４ 结束语
我厂建厂时间比较早， 设备的配套仪器仪表更新不 是很及时， 才出现双室平衡容器在汽包液位测量的使用 上不尽相同。随着 ＤＣＳ 系统技术的不断发展、完善，将
会有更多的修正双室平衡容器误差的方法， 现在有的压 力补偿、温度修正及温压补偿就已经可以做到了。双室 平衡容器在液位的测量， 尤其是在锅炉汽包液位的测量 中还是有着一定的优势的。
（上接第 ８８ 页） 用行列式键盘。显示部分采用 ５９５ 驱动数码管的静态显 示电路， 其特点是亮度高， 显示稳定。为兼顾在现场查 看气体浓度及节能的需要，在正常监控状态可通过按键 激活显示，显示 ３０ 秒后自动关闭显示，当气体浓度大于 设定浓度时自动激活显示达到现场提示的作用。
为了增强软件的可移植性和可读性， 对软件进行模 块化设计，主要的模块有 ＡＤ 转换模块，ＤＡ 转换模块，显 示模块，按键扫描模块，同时增加对 ＡＤ 采样值的软件滤 波［５］，使之有效屏蔽掉干扰信号。为了充分利用 ＭＳＰ４３０ 的低功耗模式， 将相关模块放置在中断中进行， 这样可 使单片机处于节能状态， 有效减小电源负担。
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《自动化技术与应用》２ ０ １ ０ 年第 ２ ９ 卷第 ５ 期
基于红外传感器的气体检测系统的设计 ＊
韩东升， 陆绮荣， 王永辉， 刘月红
（桂林理工大学，广西 桂林 ５４１００４）
摘 要：本文设计一种基于红外传感器的工业环境气体探测系统。该系统通过红外传感器实现对检测气体的测量，以 ＭＳＰ４３０ 为核心 对数据进行处理，并以工业标准信号将探测数据传输。
关键词：红外传感器；ＭＳＰ４３０；工业标准；电流输出 中图分类号：ＴＰ２７４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００３－７２４１（２０１０）０５－００８７－０３
Design of the Gas Detection System Based on
Infrared Transducer
HAN Dong-sheng, LU Qi-rong, WANG Yong-hui, LIU Yue-hong
图 ３ 系统 ４￣２０mA 工业标准电流输出电路
５ 检测系统的软件设计
按照系统控制功能要求， 确定了系统软件的主要功 能有： 系统初始化、采集传感器输出的气体浓度信号、 对采集后的数据进行处理［４］、计算浓度、显示数据、ＤＡ 输出等。按照软件功能要求， 给出了程序总体结构框 图。如图 ４ 所示。
非色散红外传感器改变了传统红外检测器的结构， 它不再使用单独的光学部件， 也没有单独的发射和接收 部分， 大大缩小了检测仪的体积。非色散红外传感器除 保持了稳定性、抗干扰性和长寿命等优点外， 其独特的 结构还避免了粉尘对检测的影响。
３ 红外检测系统的总体方案设计
在工业现场的监控系统中通常采用 ＰＬＣ 或集散控 制系统ＤＣＳ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ），ＰＬＣ和ＤＣＳ 都就有以下特点［２］：（１） 高可靠性，系统结构采用容错设 计。（２） 开放性，采用开放式，标准化、模块化和系列化 设计。我们可利用两者的开放性将传感器检测到的气 体浓度转换成两者都可以接受标准的 ４￣２０ｍａ 工业信 号， 实现气体检测和其它设备检测集中控制， 方便管 理。通过不同的气体传感器可检查环境中不同气体的 气体含量，实现对气体含量的实时监控。图 １ 为系统的 结构框图。
( Guilin University of Technology, Guilin 541004 China ) Abstract: This text designs a kind of gas detection system of industrial environment based on infrared transducer. This system
realizes the measurement of the measuring gas through the infrared transducer. It regards MSP430 as the core to deal with the data, and transmits the exploratory data with the industrial standard signal. Keywords: infrared transducer; MSP430; industrial standard; output current
１ 引言
许多工业生产过程都存在危害性气体， 如电焊、电 镀、冶炼、化工、石油等行业。这些气体多具有腐蚀 性，经呼吸道进入人体可造成急性中毒，危害人类健康， 通过气体检测技术对空气中的有害气体进行检测，当有 害气体含量超标时及时发出报警信号，提醒人们撤离危 险区域。
在气体检测领域， 待检测的气体通常具有腐蚀性和 化学反应性， 对于多数传感器类型， 传感器本身直接与 气体接触， 经常导致传感器发生偏移或提前报废。红外 仪器的主要优势在于检测器本身不与待检测的气体发 生直接反应，本系统设计以 ＭＳＰ４３０ 超低功耗为控制器作 为控制核心， 输出 ４ － ２ ０ ｍ Ａ 工业标准信号， 方便与 Ｄ Ｃ Ｓ 、 ＰＬＣ 等工业控制系统直接连接，具有使用简便、耐用和 可靠性高。
［２］ 张雪申，叶西宁编著．集散控制系统及其应用［Ｍ］．北京： 机械工业出版社，２００６．
［３］ 秦龙．ＭＳＰ４３０单片机常用模块与综合系统实例精讲［Ｍ］． 北京：电子工业出版社，２００７．
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图 ２ 传感器与 ４３０ 的接口电路
图 １ 系统的结构框图
整个系统的工作过程是： 传感器检测到待检测气体 存在， 将气体含量转化为电信号传给信号采集系统， 信 号采集系统经过 Ａ Ｄ 转换， 计算出气体的含量， 再通过 ＤＡ 转换及电压电流转换输出 ４￣２０ｍａ 工业标准信号，经 过远距离传输给 Ｐ Ｌ Ｃ 或 Ｄ Ｃ Ｓ 系统， 通过控制系统显示 气体浓度。
红外气体传感器的原理是利用比耳－朗格红外吸 收定律， 即不同气体对特定波长的光有吸收， 吸收的强 度和气体的浓度成正比。传感器包括红外光源发射和 红外光线接收两部分以及外围处理电路， 传感器分对射 式和反射式两种工作方式。
本系统采用英国 Ｄｙｎａｍｅｎｔ 公司研发的最新型的非 色散原理ＮＤＩＲ（Ｎｏｎ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｉｎｆｒａｒｅｄ）红外传感器， 非色散红外原理是应用滤光片把红外光分成所需要的 一个很小波段的光谱线， 被检测的气体对这个很小波段