一种新型高可靠性甲烷传感器的原理与设计

4 软件设计和算法实现

系统上电后,首先对单片机进行初始化,然后对A /D进行初始化,之后系统开始工作。首先采样甲烷浓度并显示,超过安全值报警; 然后采样环境温度并显示; 最后显示时间,循环采样并实时显示。

另一方面用外部中断INT0等待键盘输入,INT0中断即进入键盘设置程序,可调整日历时间、设置安全报警值。其主程序与PC机和红外线、键盘中断程序流程图如图4所示。在系统工作的初始状态设定完成之后,可以对甲烷传感器进行气体的测定。





图4 主程序与PC和红外线、键盘中断程序流程图

   

5 误差讨论

5.1 工作电压带来的误差

由传感器测量电路输出电压推导公式可知,在对输出电压线性化时忽略了二次项,因此存在着非线性误差,这个误差可以在单片机中采用模糊数学补偿的方法进行消除。在A /D ( TLC2543)转换通道中,基准电压的波动可导致不可预测的误差甚至错误结果。这种误差的消除方法只有在基准电压输入端采用精密电源芯片,使电压值稳定在准确值2.5 V。

5.2 算法误差

设计中乘除法采用4字节的定点算法,数字表示范围是: 0～4 294 967 295。计算结果的相对误差在0.9 ×10-4 ,所以计算精度可以得到保证。最终的相对误差在0.3%以下。

6 结论

(1)处理芯片的升级,满足0%～4%甲烷浓度测量。在此范围之中测量误差在0.3%以内。甲烷浓度超出安全值准确报警,同时可测量和显示环境温度。

(2)传统仪表功能扩展:日历、时钟显示,红外遥控芯片使用和硬件看门狗电路。

(3)测量仪表自动化程度高,无需大量手工操作。可与PC机进行通信,为矿井环境数据库的建立,从而分析井下环境走势提供了必要条件。尤其是仪表的红外芯片的使用方便了调试和使用。

(4)实现了低功耗,高可靠性,操作方便。正常工作情况下处于充电,备用电池在现场断电情况下自动切换。

在目前的试用中,对该传感器的设计反映很好,它能够可靠、稳定、安全的测量井下瓦斯,对于预防井下安全事故起到了重要作用,具有推广应用价值。