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便携式气体分析仪项目总结

时间：10-02 整理：3721RD 点击：

在本次项目中，我们实现的实际上是2套设备：便携式氧气分析仪以及便携式甲烷分析仪。但这两台仪器实际使用的主控板我们是设计了一套，所以主控板是适合于这两个设备的。

1、硬件设计

便携式气体分析仪的功能比较专一，主要涉及数据采集，输出控制、数据交互与显示、数据持久化等，在完成测试的过程中我们的设计也就基本形成了。

（1）模拟量电路

对于模拟量采集前面已经描述过，这次我们需要精度较高的采集有2路，其他的采用单片机自带的ADC就可以了，所以在这里我们只考虑AD7705的电路设计。具体如下：


（2）开关量控制电路

开关量主要用于气路中的电磁阀和气泵的控制，采用继电器输出控制，可以选择输出干触点或者24VDC的湿触点。具体电路如下图：


（3）串口通讯电路

串行通讯前面已经有所描述。串行通讯一个采用RS232接口，另一个直接采用TTL方式。采用RS232通讯的电路如下：


使用TTL通讯的电路如下：


（4）PWM输出电路

PWM是用来控制气路采样气体的流量的，比例调节阀采用24V电源，所以我们采用L6207D驱动电路来实现，如下图。


（5）SD卡读写电路

为了设计简便和安装方便，SD卡读卡器我们选择独立的小板。该读卡器与主控板之间的接口采用10Pin的DC3简易牛角座，所以设计连接图如下：


2、软件设计

硬件确定后，根据功能需求编写为软件就是一件顺理成章的事情了。软件我们也是按不同的功能模块来设计，在这里我们主要说一说如下几个方面：

（1）模拟量采集操作

模拟量的采集相对简单，就是通过SPI总线操作ADC采样并获取相应的值。硬件配置等再次不用多说，我们主要看一看ADC的操作以及数据获取与转化，并对采集到的数据做滤波处理，滤波的目的是在数据稳定时，避免数据小数点后的微小变化。

/*获取采集的物理量值，并作平滑处理*/

voidGetMeasuredValue(void)

{

  float currentValue[2]={-1.0,-1.0};

  CalcMeasuredValue(currentValue);

    if(smoothIndex>=SmoothCount)

  {

    smoothIndex=0;

  }

  

aPara.phyPara.o2Concentration=SmoothingFilter(currentValue[0],AD1Value,smoothIndex,SmoothCount,(O2RANGE-O2ZERO),2.0,0.2);

aPara.phyPara.h2Concentration=SmoothingFilter(currentValue[1],AD2Value,smoothIndex,SmoothCount,(H2RANGE-H2ZERO),2.0,0.2);

  

  smoothIndex++;

}

/*计算测量值，将AD转换的值转为物理量的对应值*/

static voidCalcMeasuredValue(float *newValue)

{

  uint16_t measuredValue=0;

  

  /*转化通道1的值*/

  ADDA_AD7705_ENABLE();//使能器件

  Delayus(200);

measuredValue=GetAD7705ChannelValue(Channel1,SPIReadWriteByte,CheckDataIsReady);

  ADDA_AD7705_DISABLE();//片选取消

newValue[0]=PowerNPolyfit(((float)(measuredValue-AD1Zero)/(float)(AD1Scale-AD1Zero)),ADFactor[0],3)*(O2RANGE-O2ZERO)+O2ZERO;

  Delayms(1);

  

  /*转化通道2的值*/

  ADDA_AD7705_ENABLE();//使能器件

  Delayus(200);

  measuredValue=GetAD7705ChannelValue(Channel2,SPIReadWriteByte,CheckDataIsReady);

  ADDA_AD7705_DISABLE();//片选取消

newValue[1]=PowerNPolyfit(((float)(measuredValue-AD2Zero)/(float)(AD2Scale-AD2Zero)),ADFactor[1],3)*(H2RANGE-H2ZERO)+H2ZERO;

  Delayms(1);

}

（2）开关量控制操作

开关量的操作就更为通用一点，我们定义了DI、DO的一般性操作，然后需要操作哪一个DI和DO直接调用就好了。具体的实现如下，使用了HAL库。

/*获取全部DI量状态输入值*/

/*输入参数TargetPin*diPin为需要读取的DI通道列表*/

/*输入参数BOOL *result为读取的通道值返回列表*/

void GetAllDIStatusInput(TargetPin *diPin,bool *result)

{

  DigitalInput DIChannel;

  for(DIChannel=DIChannel1;DIChannel<DIChannelNum;DIChannel++)

  {

   result[DIChannel]=GetSingleDigitalInput(diPin[DIChannel]);

  }

}

/*操作全部继电器DO通道*/

/*输入参数TargetPin*doPin为要操作的DO通道列表*/

/*输入参数BOOL *commands欲写给DO通道的值列表*/

void OperationAllDOChannel(TargetPin *doPin,bool *commands)

{

  DigitalOutput DOChannel;

for(DOChannel=DOChannel1;DOChannel<DOChannelNum;DOChannel++)

  {

   OperationSingleDigitalOutput(doPin[DOChannel],commands[DOChannel]);

  }

}

（3）数据通讯操作

正如前面硬件设计中提到了，本次需要的串行通讯有2个方面，显示屏和甲烷传感器，我们先来看看如何通过串口向屏发送数据：

/*写数据变量存储器，一次最多允许写47个字，即length<=94*/

void WriteFlashDataToDwinLCD(uint16_t startAddress,uint8_t*txData,uint16_t length,SendDataForDwinType SendData)

{

  /*命令的长度由帧头（2个字节）+数据长度（1个字节）+指令（1个字节）+起始地址（2个字节）+数据（长度为length）*/

  uint16_t cmd_Length=length+6;

  uint8_t cmd_VAR_Write[100];

  cmd_VAR_Write[0]=0x5A;

  cmd_VAR_Write[1]=0xA5;

cmd_VAR_Write[2]=(uint8_t)(length+3);

  cmd_VAR_Write[3]= FC_VAR_Write;

cmd_VAR_Write[4]=(uint8_t)(startAddress>>8);//起始地址

cmd_VAR_Write[5]=(uint8_t)startAddress;//起始地址

  for(intdataIndex=0;dataIndex<length;dataIndex++)

  {

   cmd_VAR_Write[dataIndex+6]=txData[dataIndex];

  }

  

SendData(cmd_VAR_Write,cmd_Length);

}

甲烷传感器通讯只在便携式甲烷分析仪中才会用到。它是一种收发单总线的方式，我们前面已经设计了它的通讯电路。这里我们讨论一下它的软件实现，该传感器采用了一种类式于Modbus ASCII的编码格式，所以我们按照其要求编写代码就好了。

/*从非分光红外气体检测模块读取浓度值*/

float ReadConcentrationData(uint8_t moduleAddress,SendByteToNdirTypeSendByteToNdir,uint8_t * receiveDataBuffer)

{

  uint8_t txData[6];

  txData[0]=moduleAddress;

  txData[1]=ReadRegisterFC;

  txData[2]=0x00;//起始地址高位

  txData[3]=0x0A;//起始地址低位

  txData[4]=0x00;//寄存器数量高位

  txData[5]=0x01;//寄存器数量低位

  

NDIR_SendData(txData,6,SendByteToNdir);

//  Delayms(100);                 //延时100毫秒等待处理响应

  uint8_t result[2]={0xFF,0xFF};

ParseReceiveData(receiveDataBuffer,result);

  uint16_t conc=result[0];

  conc=(conc<<8)+result[1];

  return ((float)conc*0.01);    /*浓度包含2位小数*/

}

（4）流量控制操作

流量的控制操作其实就是采集流量的实时值，与设定值一起作为输入送给PID控制器。PID控制器的具体实现我们在前面已经测试好了。对于PID控制器的输出，用于计算PWM的占空比，以此来调节阀门开度。具体实现如下：

void PMWControl(void)

{

  uint16_t TimerPeriod = 0;

  uint16_t PWM1Pulse = 0;

  uint16_t PWM2Pulse = 0;

  

  //PID设定值赋值,系统运行时，设定值由屏幕设定，系统不运行时，设定值为0

  if(runningStatus==1)

  {

   vPID1.setpoint=stdSetVolume(FlowRateA,presProcessValue,tempProcessValue);

   vPID2.setpoint=stdSetVolume(FlowRateB,presProcessValue,tempProcessValue);

  }

  else

  {

    vPID1.setpoint=0.0;

    vPID2.setpoint=0.0;

  }

  //PID调节

  PIDRegulation(&vPID1,flowProcessValue1);

  PIDRegulation(&vPID2,flowProcessValue2);

  

  dutyfactor1=vPID1.result/flowScale1;

dutyfactor2=vPID2.result/flowScale2;

//计算初始化的频率和占空比

  TimerPeriod = PWMTimePeriod;//计算用于设置ARR寄存器的值使产生信号的频率为17.57 Khz

  PWM1Pulse = (uint16_t)((TimerPeriod - 1)*dutyfactor1);//计算CCR1寄存器的值在通道1和1N产生50%占空比，用于TIM1

  TIM_SetCompare1(TIM1,PWM1Pulse);//修改TIM1 PWM占空比

  PWM2Pulse = (uint16_t)((TimerPeriod - 1)*dutyfactor2);//计算CCR1寄存器的值在通道1和1N产生50%占空比，用于TIM8

  TIM_SetCompare1(TIM8,PWM2Pulse);//修改TIM8 PWM占空比

}

对于PID控制器前面已经有详细的叙述再次不多说了，该PID控制器的输出既有物理量值也有百分比，可根据需要选择。

（5）数据存取操作

数据存储到SD卡的操作，我们已经在前面封装过SD卡的操作命令，所以在这里我们只需要按照SD卡的数据读写过程要求调用相关命令就能完成，据提的实现代码如下：

//向SD卡中写数据

uint8_t SDCardFileOperation(void)

{

  uint8_t busy;

  int8_t status=0x00;

  //读取SD卡的状态

  uint8_t num=0;

  status=GetSDCardStatus();//获取SD卡的状态

  if((status & 0xC0)！=0x00)//如果命令执行不成功则返回

  {

    sderror=status;

    return 1;

  }

  Delayms(50);//延时50ms以便进入下一步操作

//创建文件

  busy=GPIO_ReadInputDataBit(GPIOD,GPIO_Pin_7);

  num=0;

while(busy&&(num<RepeatCount))//系统忙则等待

  {

    Delayms(10);//延时10ms等待系统空闲

    num++;

    busy=GPIO_ReadInputDataBit(GPIOD,GPIO_Pin_7);

  }

  GenerateFileName();//生成文件名

  status=CreateFile(fileName);//创建文件

  if((status & 0xEF)！=0x00)//创建文件故障，退出

  {

    if((status & 0x04)==0x04)//文件处于打开状态

    {

      CloseFile();

    }

    else

    {

    sderror=status;

    return 2;

    }

  }

  Delayms(50);//延时50ms以便进入下一步操作

      

  //打开文件

  busy=GPIO_ReadInputDataBit(GPIOD,GPIO_Pin_7);

  num=0;

while(busy&&(num<RepeatCount))//系统忙则等待

  {

    Delayms(10);//延时10ms等待系统空闲

    num++;

   busy=GPIO_ReadInputDataBit(GPIOD, GPIO_Pin_7);

  }

  status=OpenFile(fileName);//打开文件

  if((status & 0x80)！=0x00)

  {

    sderror=status;

    return 4;

  }

  Delayms(50);//延时50ms以便进入下一步操作

  

  //获取文件信息

  busy=GPIO_ReadInputDataBit(GPIOD,GPIO_Pin_7);

  num=0;

while(busy&&(num<RepeatCount))//系统忙则等待

  {

    Delayms(10);//延时10ms等待系统空闲

    num++;

   busy=GPIO_ReadInputDataBit(GPIOD, GPIO_Pin_7);

  }

  uint8_t rxData[9];

  GetFileStatus(rxData);//获取文件信息

  status=rxData[0];

  if((status & 0x80)！=0x00)

  {

    sderror=status;

    return 8;

  }

  Delayms(50);//延时50ms以便进入下一步操作

  

  //写文件

  busy=GPIO_ReadInputDataBit(GPIOD,GPIO_Pin_7);

  num=0;

while(busy&&(num<RepeatCount))//系统忙则等待

  {

    Delayms(10);//延时10ms等待系统空闲

    num++;

   busy=GPIO_ReadInputDataBit(GPIOD, GPIO_Pin_7);

  }

  uint8_t address[4];

  address[0]=rxData[1];

  address[1]=rxData[2];

  address[2]=rxData[3];

  address[3]=rxData[4];

  uint8_t result[120];

  uint8_tdatalength=DataProcess(saveData,result);//格式化将要写入的数据

status=WriteToFile(address,result,datalength); //写文件

  if((status & 0xFF)！=0x00)

  {

    sderror=status;

    return 16;

  }

  Delayms(50);//延时50ms以便进入下一步操作

  

  //保存文件

  busy=GPIO_ReadInputDataBit(GPIOD,GPIO_Pin_7);

  num=0;

while(busy&&(num<RepeatCount))//系统忙则等待

  {

    Delayms(10);//延时10ms等待系统空闲

    num++;

   busy=GPIO_ReadInputDataBit(GPIOD, GPIO_Pin_7);

  }

  status=SaveFile();//保存文件

  

  if((status & 0xFF)！=0x00)

  {

    sderror=status;

    return 32;

  }

  Delayms(50);//延时50ms以便进入下一步操作

  

  //关闭文件

  busy=GPIO_ReadInputDataBit(GPIOD,GPIO_Pin_7);

  num=0;

while(busy&&(num<RepeatCount))//系统忙则等待

  {

    Delayms(10);//延时10ms等待系统空闲

    num++;

   busy=GPIO_ReadInputDataBit(GPIOD, GPIO_Pin_7);

  }

  status=CloseFile();

  if((status & 0xFF)！=0x00)

  {

    sderror=status;

    return 64;

  }

  Delayms(50);//延时50ms以便进入下一步操作

  return 0;

}

3、测试结果

本次项目我们实际上是2个设备，其一是便携式氧气分析仪，其二是便携式甲烷分析仪。不过他们仅是内部传感器不一样，外观和主控板是一样的。完成后的外观如下：



  运行界面如下：





最后再次感谢ST公司和电子发烧友网站提供的试用服务。对我们项目的进展有非常大的帮助。


好资料，煤矿瓦斯检测可以借鉴一下

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