Detector de contenido de alcohol (desarrollo de un detector inalámbrico de concentración de alcohol)
En algunos campos y ocasiones de la producción económica nacional y del trabajo y la vida de las personas, como la industria alimentaria, la industria cervecera, las empresas petroquímicas e industriales y mineras, las pruebas ambientales, la gestión del tráfico de seguridad pública, los servicios sociales, etc. ., a menudo es necesario detectar entornos específicos la concentración de alcohol gaseoso para garantizar la seguridad ambiental de fábricas y empresas y la seguridad de la vida y la propiedad de las personas [1-4]. Por ejemplo, monitorear la concentración de alcohol en talleres de producción de alcohol y plantas petroquímicas puede evitar incendios en fábricas y accidentes por explosiones; monitorear la concentración de alcohol en sitios de empresas industriales y mineras puede evitar accidentes graves como la intoxicación por alcohol entre el personal; evitar que las personas conduzcan bajo los efectos del alcohol y reducir la aparición de accidentes de tráfico graves. Por lo tanto, el desarrollo del detector de concentración de gas alcohólico tiene una demanda de mercado real y potencial muy amplia y es de gran importancia. Debido a razones como el rendimiento del sensor, el diseño de circuitos y los algoritmos de procesamiento de datos, los detectores de gas alcohol tradicionales tienen una excelente selectividad de gas, un rendimiento antiinterferente deficiente, poca inteligencia, un funcionamiento complejo de los instrumentos y la incapacidad de guardar y recuperar datos en tiempo real. Pregunta [3-4]. En vista de esto, el autor diseñó y desarrolló un detector de concentración de alcohol inteligente inalámbrico, que compensa las deficiencias y deficiencias de los instrumentos tradicionales de detección de alcohol.
1 Plan general del sistema
El detector de concentración de alcohol consta de dos partes: el extremo emisor y el extremo receptor. El diagrama de bloques principal se muestra en la Figura 1 y la Figura 2 respectivamente. El extremo emisor incluye principalmente seis partes: sensor de concentración de alcohol y circuito de conversión A/D, microcontrolador STC90C52RC, ajuste del umbral de concentración y circuito de alarma sonora, circuito de transmisión de voz, circuito de pantalla LCD y circuito transceptor inalámbrico; el extremo receptor consta de un circuito transceptor inalámbrico; Microcontrolador STC90C52RC, datos Está compuesto por un circuito de comunicación de interfaz y una computadora host.
2 Diseño del circuito del hardware del sistema
2.1 Circuito del sensor y circuito de conversión A/D
TGS2620 es un sensor producido por la empresa japonesa de sensores de gas Semiconductor. detectar la concentración de alcohol en el gas tiene las características de alta sensibilidad, bajo consumo de energía, larga vida útil y bajo costo [5-6]. La conexión del circuito se muestra en la Figura 3, donde RH es la resistencia del calentador, que es 83 ± 8 Ω a temperatura ambiente; RS es la resistencia del sensor y la relación matemática entre su resistencia y la concentración de gas reductor es:
Al detectar VRL, se puede determinar la concentración C del gas a medir.
El amplificador operacional OP07 en el circuito está conectado en forma de seguidor de voltaje para aislar el sensor y el circuito posterior para reducir el impacto de las fluctuaciones de la fuente de alimentación y los factores externos en los datos muestreados. ICL7660 es un convertidor de potencia con inversión de polaridad de baja potencia producido por MAXIM Company. Su función es convertir una fuente de alimentación de 5 V en una fuente de alimentación de -5 V para alimentar OP07. Entre ellos, CC2 utiliza un condensador de tantalio de 10 μF con pequeñas fugas y bajas pérdidas dieléctricas para mejorar la eficiencia de conversión de energía. TLC1549 es un chip ADC de aproximación sucesiva de resolución de 10 bits producido por TI. Tiene muestreo y retención automáticos, calibración de rango proporcional del rango de conversión y funciones antiinterferencias de ruido. El error total máximo a escala completa es de solo ±1 LSB.
Pantalla LCD 2.2, ajuste de umbral y circuito de alarma sonora.
El módulo LCD de 16×2 caracteres DM-162 muestra el umbral de alarma y el valor de concentración de alcohol. Para reducir la cantidad de puertos de E/S utilizados por el microcontrolador y simplificar la estructura del circuito, se adopta el método de control indirecto (bus de datos de 4 bits). El circuito de interfaz se muestra en la parte superior de la Figura 4. Durante la inicialización, es necesario escribir el código de instrucción 28H para convertir el bus de 8 bits en un modo de interfaz de datos de 4 bits. Los pines BLA, BLK y VL son el electrodo positivo, el electrodo negativo y el terminal de ajuste de contraste de la pantalla de la retroiluminación de cristal líquido, respectivamente. RS y E son el terminal de selección de registro, la línea de señal de lectura/escritura y el terminal de habilitación, respectivamente.
El ajuste del umbral de concentración de alcohol y el circuito de alarma sonora se muestran en la parte inferior de la Figura 4. Cuando se presiona la tecla de configuración S1, se ingresa la interfaz de configuración del umbral (el umbral inicial es 500 ppm) y luego se presiona la tecla S2 o S3 para aumentar o disminuir el valor del umbral con un tamaño de paso de 20 ppm.
Una vez establecido el umbral, se escribe en las direcciones 2000H y 2001H del primer sector de la EEPROM de 5 KB en el microcontrolador STC90C52RC, de modo que no sea necesario reiniciar el sistema nuevamente. Si el valor de concentración de alcohol es mayor que el umbral, configure la línea del puerto P0.7 en un nivel bajo y el transistor 8550 activa el zumbador para hacer sonar una alarma.
2.3 Circuito de transmisión de voz
El chip integrado de grabación y reproducción de voz ISD2560 de Winbond se utiliza para reproducir el valor de concentración de alcohol. El circuito se muestra en la Figura 5. El micrófono está conectado de manera diferencial al extremo MIC y al extremo MIC REF del preamplificador en chip para compensar el ruido y mejorar la relación de rechazo del modo de entrada. El altavoz está conectado a un modo de salida de doble extremo y la potencia de salida es 4 veces mayor que la del uso de un solo extremo. Las líneas de puerto P2, P3.0 y P3.1 del microcontrolador están conectadas a las líneas de dirección A0~A9 respectivamente, que se utilizan para configurar la dirección inicial del segmento de voz almacenado en la EEPROM de 480 KB (dirección 0H~257H ) en el chip ISD2560 Tanto las funciones de grabación como de reproducción comienzan desde esta dirección inicial, y la dirección del segmento de información aumenta automáticamente durante el proceso de grabación. La información de voz que este sistema necesita ingresar en ISD2560 es: "El valor actual de concentración de alcohol es", "cero", "uno", "dos", "tres", "cuatro", "cinco", "seis", "siete", "ocho", "nueve", "diez", "cien", "mil", "punto", "ppm (unidad de concentración)". Dado que el tiempo de grabación y reproducción de voz del ISD2560 es de 60 s, basado en 3 caracteres chinos por segundo, se pueden grabar y reproducir 180 caracteres chinos, cumpliendo así con los requisitos de transmisión. Además, el modo de funcionamiento [7-8] del ISD2560 se puede configurar a través de las líneas de puerto P3.0, P3.1 y P2.0~P2.6 (la dirección es 300H~3FFH). Las líneas de puerto P3.4~P3.6 se utilizan para controlar la selección del chip de voz, el interruptor de chip y la selección del modo de grabación/reproducción, respectivamente. El puerto P3.2 se utiliza para determinar si el espacio de memoria del chip se ha llenado o si el almacenamiento de información se ha desbordado. Dado que se inserta automáticamente una marca al final de cada segmento de información durante la grabación, se genera un pulso negativo con una anchura de aproximadamente 12,5 ms cuando la reproducción encuentra la marca. Utilice el puerto P3.3 para detectar el flanco ascendente de este pulso antes de reproducir otra grabación para evitar la reproducción de voz discontinua.
2.4 Circuito transceptor inalámbrico
El sistema utiliza el chip transceptor inalámbrico de un solo chip nRF24L01 producido por NORDIC Company que funciona en la banda de frecuencia ISM de 2,4 ~ 2,483 5 GHz para completar los datos inalámbricos. Trabajo de transmisión y recepción nRF24L01 La velocidad de transmisión máxima es de 2 Mb/s y el circuito se muestra en la Figura 6. El chip regulador de voltaje LM1117-3.3 V convierte el voltaje de entrada de 5 V en 3,3 V para alimentar el nRF24L01. La interfaz entre nRF24L01 y el microcontrolador es un modo SPI de cuatro cables. Los pines CSN, SCK, MOSI y MISO son la línea de habilitación de selección de chip, la línea de reloj, la línea de entrada de datos y la línea de salida de datos de SPI, respectivamente. IRQ es una línea de señal de interrupción (activa a bajo nivel), que está conectada al pin de interrupción externo del microcontrolador. El microcontrolador se comunica principalmente con nRF24L01 a través de esta línea de interfaz y determina si se completa la recepción y transmisión de datos. CE es la línea de selección de modo RX/TX del chip. IREF es el terminal de entrada de corriente de referencia y está conectado a tierra a través de una resistencia de 22 kΩ. Los pines ANT1 y ANT2 proporcionan una salida de RF balanceada a la antena, y se obtiene una salida de impedancia de 50 Ω de un solo extremo a través de un circuito de adaptación de red de RF simple. El circuito de adaptación de red bloquea los armónicos en el modo de transmisión y suprime las fugas de oscilación local en el modo de recepción. El pin VDD_PA genera un voltaje de 1,8 V para proporcionar energía al amplificador de potencia en el chip.
2.5 Circuito de comunicación de interfaz de datos
La comunicación entre la computadora en el extremo receptor y el microcontrolador se completa mediante el circuito integrado de interfaz USB serie CH340T, como se muestra en la Figura 7.
CH340T admite comunicación USB1.1 o USB2.0/USB3.0, tiene una interfaz de emulación y puede actualizar dispositivos seriales periféricos. Admite señales de contacto MODEM de uso común, admite comunicación infrarroja SIR estándar IRDA y proporciona una interfaz RS23RS48RS422 y otras funciones. CH340T tiene un búfer de transceptor independiente incorporado y admite comunicaciones en serie simplex, semidúplex, dúplex completo y otras asíncronas con una velocidad de comunicación en baudios de 50 b/s ~ 2 Mb/s. En la Figura 7, se conecta un diodo 1N4001 al pin transmisor TXD del chip CH340T para evitar que el pin vuelva a inyectar corriente en el microcontrolador; se agrega una resistencia limitadora de corriente de 300 Ω al pin receptor RXD para evitar que el microcontrolador vierta corriente de regreso al CH340T; esto evita que el reflujo de corriente cause que el otro chip que no necesita fuente de alimentación continúe funcionando.
3 Diseño del software del sistema
3.1 Diseño del software de la computadora inferior
El desarrollo del programa y la depuración de la computadora inferior se llevan a cabo en el entorno de desarrollo integrado Keil μVision4. incluido el envío del diseño del software al final y el final de recepción.
3.1.1 Diseño del software del extremo emisor
El proceso del software del extremo emisor se muestra en la Figura 8. Después de encender el microcontrolador, realiza la inicialización del sistema, completa la inicialización de las variables internas del sistema del microcontrolador y la configuración inicial de dispositivos externos como TLC154DM-16ISD2560 y nRF24L01 y luego demora aproximadamente 5 minutos para precalentar el sensor TGS2620 a; asegúrese de que el sensor funcione normalmente después de que se complete la inicialización del programa, el sistema ingresa al estado de monitoreo; Si se presiona la tecla de configuración del umbral de alarma, se ingresa al modo de configuración del límite de alarma; si se presiona la tecla de grabación, se ingresa al modo de grabación, luego se inicia la conversión A/D para obtener datos de muestreo y el alcohol medido se obtiene después del filtrado; , transformación de escala y corrección de errores del sistema. Este valor se compara con el umbral de alarma. Si el resultado es "mayor que" o "igual a", se iniciará el programa de sonido del timbre para emitir una alarma audible, indicando que la concentración de alcohol excede el estándar; se muestra en tiempo real en el módulo LCD DM-162 y finalmente se emitirá el juicio si se presiona la tecla de sonido. Si se presiona, buscará la dirección de almacenamiento de la información de voz correspondiente en ISD2560 de acuerdo con el valor de concentración de alcohol y comenzará a reproducir una vez completada la reproducción, el valor se envía al extremo receptor mediante el programa de envío nRF24L01 después de realizar el envío; Completada una nueva ronda de recolección, visualización y envío de datos de concentración de alcohol.
El software del extremo emisor aplica el método de filtrado promedio de interferencia anti-pulso [9] para preprocesar los datos de muestreo A/D. El principio es: muestrear continuamente K veces, luego comparar los K datos muestreados, eliminar los valores máximo y mínimo y calcular la media aritmética de los datos K-2 restantes como el valor de muestreo efectivo. Este método combina las ventajas del método de filtrado de mediana y el método de filtrado de media aritmética. No solo puede eliminar la interferencia pulsante, sino también la desviación del valor de muestreo causada por la interferencia impulsiva ocasional. Para acelerar el cálculo, se utiliza K=10 al diseñar el filtro digital.
Para mejorar el rendimiento en tiempo real del sistema, se utiliza el método de interpolación lineal por partes [10-11] para escalar la transformación en el software. El proceso es el siguiente: (1) Según la curva de calibración del sensor TGS2620, la curva se divide en segmentos no equidistantes (cuando el cambio de curvatura es grande (pequeño), la distancia del punto de muestra es menor (mayor)), y las coordenadas de cada punto de segmentación (VRLi, Ci) (i=0, 1,...,M), donde: VRLi y Ci son los valores de voltaje de salida del sensor y los valores de concentración correspondientes en diferentes puntos de muestra respectivamente. ; (2) Calcular la pendiente de la recta ajustada entre puntos de muestra adyacentes ki= (Ci 1-Ci)/(VRLi 1-VRLi)(i=0, 1,...,M-1); Almacene M conjuntos de datos de coordenadas (VRLi, Ci) y la pendiente ki correspondiente en la EEPROM en el chip del microcontrolador en el segundo sector (dirección 2200H~23FFH (4). Cada vez que se recopile un valor de voltaje VRL, consulte la EEPROM; tabla para averiguar el intervalo (VRLi, Ci) ~ (VRLi 1, Ci 1) donde se encuentra VRL, y sacar los datos del Intervalo (VRLi, Ci) y ki, use la fórmula de interpolación lineal C=Ci ki (VRL- VRLi) para calcular el valor actual de concentración de alcohol C.
Sustituir los N datos de muestra recopilados (xi, yi) en la ecuación (5) para obtener los valores de los coeficientes a y b, y almacenarlos en la unidad de memoria del microcontrolador. Durante la medición del sistema, el valor de medición de la concentración de alcohol x después de la conversión de escala se sustituye en la ecuación de corrección de errores y = ax b, y se puede obtener el valor de concentración de alcohol corregido y, eliminando así el error del sistema.
3.1.2 Diseño del software del receptor
El flujo de software del microcontrolador del receptor se muestra en la Figura 9. Una vez que se enciende el extremo receptor, el programa inicializa la configuración del puerto serie y nRF24L01, y luego ingresa a la escena de monitoreo. Cuando el nRF24L01 recibe un cuadro completo de datos de concentración de alcohol, lo envía inmediatamente a la computadora host a través del puerto serie. La interacción de datos entre el microcontrolador del extremo receptor y la PC adopta un modo de comunicación asíncrona. La velocidad en baudios independiente, las configuraciones del protocolo del puerto serie son: velocidad en baudios 9 600 b/s, 8 bits de datos, 1 bit de parada, sin bit de paridad.
3.2 Diseño del software del ordenador anfitrión
La interfaz de usuario del ordenador anfitrión se desarrolla utilizando el lenguaje de programación común basado en objetos Microsoft Visual Basic 6.0 para realizar la recepción, visualización y almacenamiento de datos de concentración de alcohol. . El software utiliza el control de comunicación serie MSComm. El control MSComm es un control ActiveX para la programación de comunicaciones en serie en Windows proporcionado por Microsoft. Al realizar las operaciones de programación correspondientes en las propiedades y eventos de este control, se puede lograr fácilmente la comunicación en serie. El protocolo de comunicación en serie es exactamente el mismo que el del extremo receptor. El flujo del programa del software del ordenador host se muestra en la Figura 10.
Prueba del sistema 4
Para probar el rendimiento de medición de este sistema, se utiliza como medida la solución de alcohol estándar preparada con etanol absoluto y agua pura según una determinada proporción en volumen. objeto Los resultados de la prueba son los que se muestran en la tabla 1. Entre ellos: la unidad ppm=μg/mL representa la masa de alcohol en 1 ml de solución alcohólica. Se puede ver en los resultados de la medición que los datos de la prueba cubren el rango del sensor y el error relativo máximo de la prueba es inferior a ±2, lo que es mejor que productos diseñados similares [3-5].
Para obtener la máxima distancia de comunicación libre de errores entre el transmisor y el receptor de este instrumento, el experimento de prueba de tasa de error (intervalo crítico) nRF24L01 con distancia se realizó al aire libre. Los resultados se muestran en la tabla. 2. Entre ellos, la tasa de error por metro es el promedio calculado después de 10 intentos. Se puede ver que la distancia de transmisión de nRF24L01 puede alcanzar los 100 m, que es ligeramente mayor que la de las tecnologías de comunicación inalámbrica como RFID, ZIGBEE y Bluetooth [12].
5 Indicadores técnicos principales
Los principales indicadores técnicos de este instrumento son los siguientes: (1) Rango de medición: 50 ~ 5 000 ppm (2) Sensibilidad (tasa de cambio de resistencia del sensor; ): 0,3 ~ 0,5; (3) Precisión de medición: ≤±2; (4) Distancia de transmisión: ≤100 m; (5) Fuente de alimentación de trabajo: CC 5 V (6) Temperatura ambiente de trabajo: -40 ℃ ~ 70 ℃ (7) Humedad relativa ambiental de trabajo: 0~85%RH.
6 Conclusión
Este artículo diseñó y desarrolló un detector de concentración de alcohol basado en el microcontrolador STC90C52RC, el sensor de alcohol TGS2620 y el chip de comunicación inalámbrica nRF24L01. Este instrumento se ha utilizado ahora para la producción real de vino en una pequeña cervecería de Chengdu. El trabajo in situ muestra que el sistema funciona normalmente y funciona de manera confiable. El sistema tiene las ventajas de alta selectividad y sensibilidad al gas, buena estabilidad, alto grado de inteligencia, larga distancia de comunicación, bajo consumo de energía, fuerte resistencia a la interferencia industrial y excelente; rendimiento de costos. Este instrumento se puede utilizar en industrias de procesamiento de alimentos, empresas industriales y mineras, industrias petroleras y químicas, detección y protección ambiental, servicios sociales, trabajadores de gran altitud, gestión del tráfico de seguridad pública (como conducir en estado de ebriedad, aplicación de la ley de la policía de tránsito), etc. que requieren detección in situ o telemetría inalámbrica. En el caso de una alta concentración de gas alcohólico, tiene amplias perspectivas de aplicación en el mercado y un alto valor de promoción.
Referencias
[1] Li Haitao. Sistema de monitoreo inteligente de conducción en estado de ebriedad montado a distancia en un vehículo basado en QNX [J], 2014, 40(8): 136-. 139.
[2] Song Xiaoyu, Gao Guowei, Li Shichuan, et al. Diseño de un sistema de detección de concentración de alcohol basado en control por microcontrolador [J Sensor World, 2017, 23(8): 18-. 23.
[3] Yu Lulu, Tao Dajin. Diseño de detector de concentración de alcohol basado en microcomputadora de un solo chip [J]. Microcomputadora y aplicación, 2014, 33(22): 34-36. p>
[4] Ge Yu. Diseño de un circuito de control y detección de alcohol montado en un vehículo basado en GPRS/GPS [D Nanchang: Universidad de Nanchang, 2010.
[5] Zhang Zhe, Tong Jin, Chen Donghui, et al. Nariz electrónica con una matriz de sensor de aire para detectar la frescura de la carne [J]. Journal of Bionic Engineering, 2008, 5(1):
[6]. Grupo FIGARO. Información general para sensores TGS[EB /OL].(2008-04-23)[2019-07-03]./2018_05/d78-ffddd177e3bca.html
Hu Shibing, Chen Ziwei.
(Escuela de Información de Ingeniería Electrónica de Chengdu, Universidad de Ingeniería, Chengdu, Sichuan 610225)