气体探测仪的制作方法

专利名称：气体探测仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种指示周边气体浓度的测试装置，尤其是能识别安全气体浓度和危险气体浓度，提供三级预警显示的探测仪。
背景技术：
目前，一般所用的探测仪是由测试触头(或传感器)，单片机，A/D转换器，显示电路或警报器，更简单一点的，连显示部分也没有，输出电压达到临界水平，便触动警报器。这些常用探测仪的关键问题是传感器不能达到线性输出，也即，输出的模拟电压和输入的气体浓度之间不存在严格的线性关系；单片机振荡器的选择不严格，振荡电路的配置不完善，从而所产生的机器周期的占空比不能精确控制继电器的开关，出了问题又不能在线编程，随时擦改程序；继电器的选择不当，其开关的时间滞后，这些问题造成目前一般的探测仪器不能真正鉴别安全的气体浓度和危险的气体浓度，给精确报警造成困难，容易造成错误判断。

发明内容
为了克服现有的一般探测仪不能区分危险的气体浓度和安全的气体浓度的不足，解决一般探测仪有警不报，报而非警的粗糙设计和质量问题，本实用新型提供一种探测仪，该探测仪不仅能区分危险的气体浓度和安全的气体浓度，而且能精确显示，三级预警，即时启动警报装置。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是1)无论是氧气，有毒气体还是易燃气体，都要保证特定气体传感器的输出线性模拟电压，也就是说，要保证输出讯号对应气体浓度以及对应环境温度的关系几乎线性，说明书附图3给出了氧气的输出讯号和输入气体浓度之间的线性关系，实际测检线和理论S曲线几乎吻合，只有采用这样的传感器，才能保证显示器上显示精确的气体浓度，对于微弱的原始被检测信号，必须经过放大与滤波等预处理，本实用新型采用多级运算放大器配合有源滤波器等模拟电路来实现，以提高系统测量和控制的精度。
2)本实用新型对于时钟电路，采用了锁相环技术，这样，本系统时钟不仅可以由外部晶振的分频得到，还可以由内部锁相环频率合成器PLL提供，根据时钟监控，可以从±25％的精度一直达到细部±4％的精度。锁相环电路包括压控振荡器/参考分频器/频率预定标/VCD频率分频器/鉴相器/环路滤波器/锁定检测器，它可以在使用外接32KHz晶振的情况下，通过软件编程得到多种总线时钟频率，最高频率可达8MHz。
在没有锁相环电路的微控制器应用系统中，晶振频率是最高的时钟频率，由于电路工作频率高，通常都有几兆甚至几十兆，其振荡器实际上是一个很大的干扰源。在系统设计，线路板布局时切须仔细考虑，光采用Protel软件包自动布线是不行的，必须采用局部手动布线以及有效的滤波电路等各种方法降低晶振电路对外界的干扰。
而采用锁相环频率发生器作为微控制器时钟源后，由于可采用32KHz的低频晶振，比起通常使用的数兆赫兹以上外接高频晶振来说，大大降低了微控制器系统晶振电路的电磁干扰，提高了应用系统的可靠性，此即本探测仪的极大优越，同时由于锁相环频率合成器的输出频率可用软件设定修改，为用户具体需要提供了更大灵活性。
锁相环外部电路设计还须注意几个问题a、PLL外部滤波电容器引脚CGMXFC，该脚连接一个外接滤波网络，为芯片内部的锁相环电路提供误差电平。
b、PLL电路电源引脚VDDA，该引脚应该和VDD引脚连接到同一电源，并连接1μf和.01μf的滤波电容，同时尽量靠近芯片。
c、PLL电路电源地引脚VssA，该引脚连接到系统地线，引线须宽而短。
d、时钟电路的外接器件都用地线相围，晶体采用卧式安装，滤波网络尽量靠近微控制器，用最短连线连接。
3)微控制器在运行过程中会受到各种外部干扰，在干扰严重的环境下甚至无法稳定工作，其主要原因之一是程序指针PC寄存器内容出错。PC一旦指向操作数地址，CPU则将该操作数当作操作码，出现系统操作错误，特别是当这个操作数恰好与转移指令的操作码相同时，PC指针将发生错误转移，最终导致微控制器陷入“死循环”，只能通过人工复位才可恢复正常。
为了解决这种系统操作错误而导致的后果，本设计除内置看门狗之外，加上一个独立运行的计数器(DS1232)，让它发挥实时监视系统的作用，该计数器产生溢出时就会使系统复位，以提高系统的运行可靠性，我们称此计数器为COP，这时COP的作用在于尽早停止微控制器在混乱状态下运行，但对于控制应用或需要累计历史数据的场合，本设计设置COP自己的程序入口，浓度尽可能恢复复位前的运行现场，减少软件故障造成的损失，本实用新型的软件经过特别的设计，在正常状态下时刻为恢复准备条件，COP复位后，通过EEPROM对其进行计数，软件的相应设计可使用户通过键盘和显示器查看计数结果，了解系统运行的历史状况，为系统的维护和改进提供依据，在本系统具备实时时钟的条件下，在计数密度超过一定限度时发出错码和警告信息，提醒操作者注意。
4)一般探测仪大多使用不带缓冲的输出比较功能，这种输出比较的缺陷是，当需要更改下次输出比较信号时，新的预置值必须事先写入通道寄存器，这一操作自然要占用一定时间，结果两次输出比较之间的最小时间间隔就会因为重新写入操作而受到限制，可见，不带缓冲的输出比较仅适用于对时间变化不是太快的场合，而且脉冲的占空比也不可能太小，本设计增加了一级缓冲就可克服这一缺陷。
为了得到满意的D/A变换本电路除增加一级缓冲之外，还使用了脉宽调制波，这种波是一种可以任意改变脉冲占空比与相位的波形，通过软件编程即可达此目的，定时器的每一个通道都可以设置为溢出时自动翻转电平，输出比较中使用这一特性就可以产生脉宽调制波。通道寄存器中的预置比较值决定脉宽调制波的占空比，预制计数值寄存器的值将决定脉宽调制波的周期，当自由运行计数器的计数达到预置值时，该通道的输出将自动翻转，可见在一个周期内有比较符合输出与预置值溢出输出两次电平翻转，从而形成一个完整的PWM波形周期。
使用带缓冲的脉宽调制波技术方案是将一个定时器的两个通道联合起来交替控制通道口的脉宽调制输出，此时其输出的PWM波形将出现在TCH 0引脚上，而TCH 1引脚则仍然可以作为一般I/O引脚使用。
由于通道寄存器中的预置数据能控制脉冲宽度，而将不同占空比的脉冲信号通过滤波平滑后可转换成相应的直流电平，这就达到了数字到模拟电压输出的转换目的。
5)本实用新型的微控制器采用MC68HC908GT8芯片，该MCU集成了8Kbyte的FLASH存储器，这种存储器是一种新型的电可擦写不挥发存储器，通过开发工具就能方便地实现在线编程，程序与数据共享FLASH，一般无须再外接存储器。由于这种存储器在芯片内部集成了电荷泵，因而芯片只需要单一+5V/3V工作电压就可经电荷泵升压成编程电压，而且这种存储器存储的数据可以保持10年以上，可擦写次数在10万次以上，整体擦除时间可以控制在5ms以内，单字节的编程时间在40μs以内。
6)本设计的一个重要技术方案是采用断点模块，通过断点功能，可让被调试的程序分段运行。程序执行到断点处即产生断点中断，在断点中断服务中即可检查寄存器与有关存储器的前段程序执行结果，判断程序的错误，及时修改指令，在断点中断中要关闭COP计数器功能，以防止可能引起的意外复位。
7)还需要提到的一个技术方案是消除抖动干扰，这里采用矩阵键盘作为输入，当压下一个按键或释放一个按键时，按键接通或断开的瞬间过程中均有一个不稳定的抖动期，抖动期间读入的状态是不确定的，抖动时间的长短与按键开关的机械特性有关，一般为5ms-10ms，为了消抖，本实用新型内置了施密特迟滞特性电路作为消抖缓冲器，提供一个约20ms的延迟。
本实用新型的有益效果是，可以准确显示被测气体浓度，在被测气体达到危险的临界浓度时，分成三级，逐次可靠报警，由于采用了一系列最新的有效技术，致使本仪器稳定可靠，名符其实地发挥了气体探测仪的功效。
以下结合附图对本实用新型进一步说明

图1是本实用新型的电路原理图；图2是氧气传感器气体浓度对应输出信号的实验和理论曲线的比较图；图3是氧气传感器的环境温度对应输出信号的曲线图；图4是MC68HC908GT8 MCU功能结构框图；图5是MC68HC908GT8所用封装和42引脚示意图。
其中图1中的1为稳压电源，2为传感器，3为微控制器MCU(MC68HC908GT8)，4为看门狗计数器，5为模拟输出，6为RS-485高速通道，7为LED显示器，8为LED光色管，9为继电器，10为矩阵键盘。
具体实施方式
在图1中，被测气体的参数经过传感器变成模拟信号，再经MCU(3)的时序控制和A/D转换后得到一系列数码，这些数码值并不等于原来带有量纲的参数值，仅仅对应于参数的大小，故必须经过标度变换把它转换成带有量纲的数值才能显示，经过D/A转换后才能驱动蜂鸣器报警。
具体的实施例分成三部分1、装配和连接首先确定一个固定探测仪的位置，该位置要选在大气能够笼罩的地方或接近有毒气体源头的地方，探测仪应该被牢固地装在这个位置，探测仪的传感器必须指向下方，装传感器的小匣用螺栓固定在探测仪的固有凸缘上，对于直流仪器，宜用屏蔽电缆防止电气干扰，将屏蔽线接到稳压电源(1)的接地端。
键盘输入在4×4的矩阵键盘中(10)，其中的4根I/O线用作输入，其余4根I/O线用作输出，并且用作输入的4根I/O线应该配置内部上拉电阻，使之平常保持在高电平状态，4根输出I/O线则都输出低电率，当某一按键按下时，按键连通相应的I/O输出线和输入线，此时会在相应的输入线上出现下降沿和低电平，若输入I/O允许键盘中断，则会产生键盘中断，在键盘中断服务程序中便可通过软件扫描获取相应的按键值以及进行键盘编码工作。
模拟输出(4)相对于公共端来说，可提供4-20mA的输出信号，这相应于探测仪的满程输出。
RS-485(5)包括两种连接数值A端和B端连接线为绞接的屏蔽线，仅用于传输信息距离超过15m，而且需要构成一点对多点的通信网络，但接线总长不应超过1220m。
传感器(2)附有一根电缆连到探测仪的终端块上，传感器也可用延伸线接在探测仪外部，所用的电缆线须有正确的接地屏蔽，有毒气体/氧气类别的传感器应被置于和探测仪相同的温度环境中。
继电器(9)本实用新型使用4个继电器，分别对应低、中、高和错，每个继电器可有三个终端块位置，分别对应开启，公共端和闭合，继电器的连接应被置于非能量态，继电器所连接的负载在30VDC或230VAC下不得超过8安培，正常操作时，错码继电器总是处于能量化态(相对于警示器为非能量态)。
2、显示和警告完成接线后，可将探测仪接在电源上，在电源驱动下，四个三色LED发光管对应于0到7有三种颜色变化，从红色到琥珀色到绿色。这时，LED显示管将显示探测仪的鉴别号码，在完成初始的起动程序后，所有四个三色LED将显示稳定的绿色，而LED的显示将指出气体浓度值。
电源连接后1分钟内，继电器无动作，具体来说，连接电源后，探测仪的显示将会上升，传感器稳定后，又会逐渐回降。这是正常的，在这段时间内，继电器无动作以便消除不必要的警示器工作，在一分钟内，模拟输出将保持在4mA而不管显示值是多少。
1)显示一分钟暖身后，探测仪可开始工作，LED显示持续指出当时的气体浓度值，如果被连到在RS-485网络的显示设备上，则探测仪在接到指令后会报告其状态和程序信息，探测仪变产生4-20mA的信号，这是支持显示读出的连续信号。
探测仪在探测有毒气体时，气体浓度一般以PPM(Parts Per Million)来显示；而在探测氧气时，其显示是以氧气在大气中的百分比来读出浓度值，在大气中，通常氧气的浓度值占20.9％，如氧气浓度低于此值，由于缺氧就会很危险，如高于此值，就会有爆炸的危险。
2)警告本实用新型最重要的功能是气体浓度逼近危险值时，发出警告，对于气体浓度设置三级警告，分别以低、中、高来显示，可以使用为本仪器编制的C程序来分别予以调节。
所有的警告都在气体浓度上升时发出，唯有低氧的警告在浓度下降时发出，当气体浓度超过低点所设置的水平(或者氧气浓度低于低点水平)时，和低点对应的继电器工作，从而和低点对应的LED变成红色；当气体浓度超过中点设置水平时，和中点对应的继电器工作，中点LED变成红色；当气体浓度超过高点设置水平时，和高点对应的继电器工作，高点LED变成红色。
如果产生错误的状态和错码对应的继电器工作，错码LED变成红色，探测仪对应于该时的气体浓度含有错码显示，在所有的警告状态下，模拟输出电流将会降到0mA。
3、传感器调试和设定调试日期通常使用要被探测的有代表性的气体作为样品来调试探测仪。
调试包括把探测仪传感器暴露在气体样品中，然后调节电子电路产生输出其大小等于要调试的气体浓度值，此调节由本实用新型的电子电路来完成，不再需要任何特定的工具。
为求最大精确度，调试气体的浓度值将选取一个在探测范围内的百分比，所准备的气体混合物需置于有压力刻度的容器里，并使用调试仪和调试器具。
调试频率取决于调试仪器所使用的时间间隔和调试环境，要指出间隔多久探测仪需要调试，须根据调节气体的总量，这个总量即为探测气体的样品量，如果探测仪须被持续地调节一份有意义的样品量，即调试的间隔应大大缩短。
本实用新型可用手动开关或编存在FLASH里的C程序来调试，下列步骤说明了如何用手动开关来调试探测仪1)如探测仪已接上电源，则须给予传感器至少五分钟稳定期，记下仪器的序号和调试时间。
2)连接一个可调节的阀门到装纳调试气体的容器，该容器须满足调试探测仪的气体探测量，在调试表格上记下实际的气体浓度量，注意已被编程于本探测仪E2pROM里的探测气体量必需和所用的调试气体同量。
3)使用活动的试管，连在容量的阀门上，通过1个0-2SCFH(0-1LPM)流量表到调试接收器上(流量应设定在1LPM上)。
4)按下手动开关3次，探测仪将交替显示CALGAS××(××＝已编程入探测仪存储器中的调试气体值)×××(×××＝已编程入探测仪存储器中的气体单位)例如CAL GAS 50 LEL在调试模式，所有四个三色LED指示灯将闪现绿色，模拟输出将下降到1.5mA，继电器保持在非激活态。
注意如显示的调试气体值，在这个步骤中不等同于所使用的调试气体值，则需改变气体量重来。
5)探测仪将显示A CAL和开始工作，显示传感器输出的模拟信号电压。
6)探测仪将显示ZERO，和当时的气体浓度值交替出现，当传感器在已知零气压的环境中，按下手动开关两次以锁住零气压值，如环境的气压未知，可算作零气压，一旦零值被锁定，探测仪将显示ZERO一秒钟。
7)探测仪然后将显示SPAN，和当时的气体浓度值交替出现。
8)打开调试气体的阀门，调节流量表到1LPM。
9)附一调试试管到传感器盒子表面的接收管上，为了减少时间和需要的气体量，可在传感器盒子表面的通风口上盖一胶布，一旦调试完毕，即移去胶布。
10)传感器的显示器将指出调试气体的浓度值，此气体将引起传感器的感应，至少等待一分钟让显示值稳定。
11)按下手动开关两次以锁住扩展的气体值。
12)探测仪然后将显示SPAN，稳定持续约一秒，移去调试接收器，且关掉气体阀门。
13)探测仪然后显示YEAR和最后调试的年代交替出现，此年代则被打入探测仪的存储器。
14)如果所显示的年代不是当前的年代，按下并按住手动开关，显示的年代将开始上升(如03、04、05……)，在当前年代显示后，松开手动开关，如果当前年代“遗失”，则继续按住手动开关，当显示达到99，以后会跳到0，然后逐步递升。在当前年代显示后，按下手动开关两次以锁住此数值。
15)探测仪然后显示mnTH，和刚被打入存储体的最后调试的月份交替出现，如果所显示的月份并非当前月份，按下并按住手动开关，则显示的月份开始逐月递升。在当前月份显示后，松开手动开关，如果当前月份“遗失”，则继续按住手动开关，在显示达到12，它将跳到0，然后开始再次逐步递升，在当前月份显示后，按下手动开关两次以锁住此值。
16)探测仪然后显示DAY，和刚打入探测仪存储器的最后调试日期(1-31)交替出现，如果显示的日期不是当前的日期，按下并按住手动开关，显示的日期将逐次递升，在当前日期显示后，松开手动开关，如果当前日子“遗失”，则继续按住手动开关，当显示达到31，它将会跳到0，然后开始逐次递升，在当前日子显示后，按下手动开关两次以锁住此值，探测仪然后显示DONE。
17)按下手动开关两次以结束调试，探测仪然后显示DONE，稳定持续一秒钟，然后LED开始闪光五分钟。大这段时间内，探测仪保持在非激活态，一旦五分钟过去，四个三色LED发光管趋向稳定绿色，显示指出当前气体浓度值，探测仪回复到基本的显示状态。
须指出，在调试过程的每一步，如果探测仪保持不接触超过五分钟，它将自动回复到正常的工作状态。
权利要求1.一种气体探测仪，用传感器探测待试气体浓度其特征是整个探测仪置于21×16×10立方厘米的NEMA12粉涂钢盒内，钢盒顶盖可开启，钢盒上端连一打孔接柱，可供悬桂，下端用4个螺栓连一12×6.5×4.8立方厘米的传感器金属匣，本探测仪主要由五部分组成整流电源部份，进气变换部分，控制处理部份输出显示部分，置数调试部分，(a)电源变压器用螺栓固定在主机板上，而主机板则用4个螺栓固定在铜盒底部的4个立柱上，用串接，并接和跨接的不同导线焊接来实现外部电源为220V，110V或24V的不同情况(b)待测气体通过伟感器金属匣的气孔弥漫入传感器内，这里使用CITICeL传感器，为一薄膜覆盖的立式筒形容器，不同气体传感器的尺寸也不同，氧气传感器40×(2)的高度为16.6毫米，底部直径为20.4毫米，流量为每分钟400mls，底部3个腿高4.3毫米，分别为正，负输出和固定，输出极须用金属粉剂粘接在感应器板插孔内，传感器输出讯号由电缆穿过钢盒下端孔洞连到主板的接线柱，(c)控制部分使用Motorola公司生产的MC68HC908GT16单片机，其中央处理器为CPU08，采用42脚双排直插的封装焊在主机板上，输出时序脉冲通过中继电路控制在主机板最下端的Omron公司生产的微型继电器(d)焊于主机板中问间的显示器和光电管通过钢盒顶盖的槽孔对外显示输出电压和相应颜色，(e)焊于显示器，光电管下方的16位键盘输入，则用于时间，日期、身份设定及调试。
2.根据权利要求1所述的探测仪，其特征是传感器附有一根电缆连到探测仪的终端块上，传感器也可用延伸线接在探测仪外部，所用的电缆线须有正确的接地屏蔽，有毒气体/氧气-类别的传感器应被置于和探测仪相同的温度环境中。
3.根据权利要求1所述的探测仪，其特征是使用LED显示气体浓度，错码和一系列操作短讯，LED显示器下方是四个三色LED电珠，分别对应于低、中、高和错，每个这样的电珠能发出绿色、琥珀色和红色来显示探测仪的操作状态。
4.根据权利要求1所述的探测仪，其特征是四个继电器分别对应低、中、高和错位，每个继电器可有三个终端块位置，分别是开启，公共端和闭合，继电器的连接应被置于非能量状态，继电器所连接的负载在30VDC或230VAC下不得超过8安培。
5.根据权利要求1所述的探测仪，其特征是R5-485数据高连通路包括两种连接，数据A端和B端连接线应为绞接的屏蔽线。
专利摘要本气体探测仪是一种能够识别气体安全浓度和危险浓度的探测仪器，置于21×16×10立方厘米的涂塑钢盒内。本仪器的关键是保证气体浓度和输出讯号的线性关系，为此，将高精度传感器装在塑盒下顶的金属屏蔽匣内，用金属涂料固定后，用电缆连到主机板接柱上，待测气体从进气管透入传感器，经过电化学反应，将气体浓度的化学量转化成电讯号的模拟输出。在微控制单片机的作用下，输出数字时讯讯号，通过继电器控制开关，通过光电管显示数码和颜色。光电管装在顶盖中央，作四位数字显示，显示屏下方装置16位键盘输入，用于调试，本探测仪可用于探测20种以上不同气体，包括氧气，有毒气体和易燃气体，当气体浓度超过预定值，仪器即会发出警示。
文档编号G08B21/12GK2932384SQ200520144958
公开日2007年8月8日 申请日期2005年12月22日 优先权日2005年12月22日
发明者王匡 申请人:王匡