具有无线收发功能的气体检测装置设计

引言

气体检测在社会中有着广泛的应用，适用于石油、化工、冶金、等工业现场和家庭、商场、加油站等各种场所。如何快速、准确地对易燃、易爆、有毒、有害气体进行监测预报已成为当前亟待解决的重要问题。但有些场合由于环境复杂，线路敷设较困难，给气体的检测带来巨大困难，增加了事故隐患。在将气体探测领域引入无线通信技术，可以解决恶劣环境（有毒气体、高温、低温等）的远程监控和无法布线环境下的气体监控难题，同时可以解决有线传输带来的布线麻烦、出现故障检查困难等缺点，提高了系统的适应性和检测能力。

1 系统方案设计

本文设计的可燃气体检测装置是以高稳定性、高测量精度，以及能够实现数据实时传输为目的的。系统结构框图如图 1 所示。

从机部分主要完成数据的采集和无线发送。系统工作过程如下：可燃气体传感器，采集气体浓度信号，经信号调理电路进行放大、稳压，再通过 A/D 转换电路送入单片机（从机）处理，处理后的数据通过无线收发芯片nRF905 发送。主机部分主要完成接收数据、显示和报警的功能。首先，单片机通过无线收发芯片nRF905 接收数据，并用4 位LED数码管显示气体浓度，当气体浓度出现异常时驱动扬声器发出报警信号。

2 信号采集及调理电路

2.1 气敏电阻传感器TGS813

TGS813 是一款专门设计成针对于家庭应用的气体泄露报警器、工业用可燃气体报警器以及便携式气体检知器而开发的气敏电阻传感器元件。其内部结构和基础测量电路如图2 所示，TGS813 共有6个引脚, 其中管脚1、3、4、6为TGS813气敏电阻传感器的内部电阻变化相关管脚，引脚1 和引脚3 传感器外部短接，将短接端接入电桥电压输入端;引脚4和引脚6 也在传感器外部短接，短接后接入负载电阻端，作为气敏电阻传感器的信号输出端。引脚2 和引脚5 是气敏电阻传感器加热部分的输入端，正常使用传感器时，需要将引脚2 和引脚5 之间接入加热电压，用以给气敏传感器加热，保证传感器检测目标气体时气敏电阻部分处于正常的特定工作温度。

因此，TGS813 传感器需要同时施加两个工作电压：加热器电压VH 和回路电压VC。VH 施加在集成的加热器上，用于维持敏感素子处于与对象气体相适应的特定温度。VC 则是用于测定与传感器串联的负载电阻RL 上的两端电压VRL。图 2 TGS813 基础测量电路

2.2 信号采集及调理电路

TGS813 的基本原理是将气敏电阻传感器的电阻比——气敏输出特性转换成可以测量的电压信号，即通过气敏电阻 RS的变化来检测可燃性气体浓度的。本系统中采用R0、R9、R10和TGS813的RS构成一个电桥，来实现电阻到电压的转换。LM324 中的一个运算放大器A 接成电压跟随器，和电阻 R7、稳压管 D1 组成稳压电路，为电桥供电，以提高电桥激励电压的稳定性。电桥转换后的输出电压通过LM324的另外一个运算放大器B进行放大，放大倍数可通过电阻R11进行调节，以便于输出合适的电压供 A/D 转换 。