专利名称：基于单片机自动控制的有害气体采样器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种气体采样器，具体是一种基于单片机自动控制的有害气体 采样器。本实用新型的基于单片机自动控制的有害气体采样器既可以采用闭环自动控 制；同时考虑到传感器的成本也可采用开环自动控制，通过出厂前校准的方法同样达到 较高的准确度。
背景技术：
有毒有害气体采样器，也叫大气采样器，空气采样器，主要用于采集大气中的 污染物质，大气中有害物质的存在状态，大致可分为气态和气溶胶两大类。气态，指某些污染物质，因其化学性质不稳定、沸点低等因素的影响，在常温 常压下以气体形式分散在大气中。常见的气态污染物有CO、S02、NOx、C12和苯寸。气溶胶，有害物质的固体微粒或液体微粒逸散于空气中以多种状态同时存在的 分散系称气溶胶。有雾、烟和尘三类气溶胶。雾为液态，由气体蒸发至空气后遇冷凝聚 而成；烟和尘均为固态，前者由固态物质受热蒸发至空气中遇冷凝聚而成；后者是固态 物质因机械粉碎或爆破时产生的微粒，能长期悬浮于空气中。国内所有的，疾病控制中心，卫生监督所，环境监测站，必须要对室内外的 空气进行采样和检测，保障我们生活和生存的环境。现在国内外都是通过，动力气体流量采样方法，也就是说，采样过程中，气 体流量的精度，气流的稳定性，对样品最后的检测精度，有重大的影响。从以上我们可以看出，无论是国内还是国外，检测大气污染的手段，最廉价最 精确的，还是采用仪器采样法，再将样品在实验室中检测。国际上采样器的水平国际上以美国TSI公司等生产的，气体采样器，价格 在20000元人民币，主要是通过高精度传感器进行流量的自动测量和反馈，或者通过 高准确度计量器具校准后通过计算机软件拟合和存储，可实现高的准确度，避免因传统 玻璃流量计的加工工艺对准确度的影响。国内生产采样器的厂家，主要是通过玻璃转子流量计，对采样器的流量进行控 制和手工调整，读数，误差非常大，在5%,,仪器价格从1000元至1万元左右，，玻璃 转子流量计是以浮子在垂直锥形管中随着流量变化而升降，改变它们之间的流通面积来 进行测量的体积流量仪表。又称转子流量计。浮子流量计适用于小管径和低流速。常 用仪表口径40-50mm以下，最小口径做到1.5-4·。玻璃转子流量计对直管段要求不 高，并有较宽的流量范围度。目前，被广泛地应用在电力、石化、冶金等流程工业和污 水处理等公用事业。主要用作直观流动指示或测量精度要求不高的现场指示仪表。玻璃 转子流量计，外观设计不美观，容易碰撞损坏。因此，国内外，就使用的采样器流量控制方法和精度上，传统的玻璃转子流量 计，流量随着电源的波动，会出现偏差，要通过肉眼的观察和手工调整。发明内容本实用新型目的是为了克服上述缺陷，提供一种基于单片机自动控制的有害气 体采样器，该采样器采用自动化流量控制方法、具有高精度和无人值守的优越性能，解 决了传统的玻璃转子流量计，流量随着电源的波动，会出现偏差，要通过肉眼的观察和 手工调整，其误差在5%左右，严重影响实验室检测精度和可行性的技术问题。本实用新型的技术方案是一种基于单片机自动控制的有害气体采样器，包括单片机，所述单片机的计 数器的信号输出端连接隔离驱动模块，隔离驱动模块的驱动信号输出端连接气体提取采 集装置的驱动控制端，气体提取采集装置连接气体采集管。本实用新型还可以是一种基于单片机自动控制的有害气体采样器，包括单片机，所述单片机的计 数器的信号输出端连接隔离驱动模块，隔离驱动模块的驱动信号输出端连接气体提取采 集装置的驱动控制端，气体提取采集装置连接气体采集管；所述气体提取采集装置连接 气体采集管的一端，气体采集管的另一端内设有热流量传感器，热流量传感器的信号输 出端通过信号调理模块连接模数转换模块的模拟信号输入端，模数转换模块的数字信号 输出端连接单片机的反馈信号输入端。所述单片机的计数器的信号输出端输出的是PWM脉宽调制信号，其占空比为 0至1范围。所述隔离驱动模块为型号为L298的H桥驱动芯片。所述气体提取采集装置包括直流电机和气泵，隔离驱动模块的驱动信号输出 端连接直流电机的驱动控制端。所述采样器还包括显示模块和键盘，显示模块和键盘分别与单片机的显示驱 动端和键盘驱动端连接。所述单片机为包括8K的Flash和512个字节的RAM数据存储器，并有8个中断源。本实用新型的有益效果是本实用新型的基于单片机自动控制的有害气体采样器利用自动化控制技术，通 过高精度传感器进行流量的自动测量和反馈，再通过高准确度计量器具校准后通过计算 机软件拟合和存储，可实现高准确度的流量恒定和自动控制。本实用新型的基于单片机自动控制的有害气体采样器既可以采用闭环自动控 制；也可采用开环自动控制，通过出厂前校准的方法同样达到较高的准确度，配置灵 活、适用性强。本实用新型还具有如下特点1、通过面板按键，可以任意设定采样流量，采样时间(起、止)2、利用计算机自动化技术，自动检测和反馈，控制和调整流量3、软件必须可以对流量大小进行参数修正，方便计量部门对仪器进行计量测试 时，可以修正参数。4、仪器在开机时，自动对采样器的工作电压，气泵的工作状态进行自检。5、面板操作，要求简单，达到不看说明书，也可以一目了然。[0029]本实用新型具有广泛的应用前景，目前在中国，有5000个县以上的疾病控制中 心，有5000个县以上的卫生监督所，有5000个县以上的环境监测站，再加上几千个大型 企业，几千个大专院校和科研机构，常规的县级使用单位，如金坛市环境监测站，最 少都要使用20台以上气体采样器。中国在奥运会时，在北京成立40个监测小分队，应付恐怖分子破坏使用毒气 检测和采样，其中使用的全是国外厂家生产的设备。随着生产和市场的推广，必将可以产生非常大的经济效益。本实用新型同时还可以做成如下标准仪器供相关部门使用有毒有害双路气体采样器、粉尘采样器、呼吸性粉尘采样器、六级空气微生物 采样器。
图1是本实用新型的基于闭环控制的实施例的采样器结构框图。图2是本实用新型的基于开环控制的实施例的采样器结构框图。图3是本实用新型的H桥驱动电路示意图。图4是本实用新型的整体控制程序流程图。图5是本实用新型的PWM中断服务程序流程图。图6本实用新型的定时器中断服务程序流程图。图7是本实用新型的可实现流量键和时间键的刷新设置示意图。图中1、单片机，2、隔离驱动模块，3、气体提取采集装置，4、气体采集 管，5、显示模块，6、键盘，7、热流量传感器，8、信号调理模块，9、模数转换模块。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步描述如图1，一种基于单片机开环自动控制的有害气体采样器，包括单片机1，单 片机1的计数器的信号输出端连接隔离驱动模块2，隔离驱动模块2的驱动信号输出端连 接气体提取采集装置3的驱动控制端，气体提取采集装置3连接气体采集管4。如图2，本实用新型还可以是基于单片机闭环自动控制的有害气体采样器一种基于单片机闭环自动控制的有害气体采样器，包括单片机1，单片机1的 计数器的信号输出端连接隔离驱动模块2，隔离驱动模块2的驱动信号输出端连接气体提 取采集装置3的驱动控制端，气体提取采集装置3连接气体采集管4 ；所述气体提取采集 装置3连接气体采集管4的一端，气体采集管4的另一端内设有热流量传感器7，热流量 传感器7的信号输出端通过信号调理模块8连接模数转换模块9的模拟信号输入端，模数 转换模块9的数字信号输出端连接单片机1的反馈信号输入端。上述实施例中，所单片机1的计数器的信号输出端输出的是PWM脉宽调制信 号，其占空比为0至1范围。隔离驱动模块2为型号为L298的H桥驱动芯片。气体提 取采集装置3包括直流电机和气泵，隔离驱动模块2的驱动信号输出端连接直流电机的驱 动控制端。采样器还包括显示模块5和键盘6，显示模块5和键盘6分别与单片机1的显 示驱动端和键盘驱动端连接。单片机1为包括8K的Flash和512个字节的RAM数据存
5储器，并有8个中断源。如图1，是本实用新型的基于闭环控制的实施例的采样器结构框图。此实施例 是一个一级闭环系统，通过中断键盘6进行流量设定，单片机1根据相应流量初步计算出 相应的占空比，通过软件控制定时器计数器的初始值，产生PWM波(PWM波的占空比 范围0到1)，然后利用此PWM去控制驱动芯片L298以达到以合适占空比去驱动气泵直 流电机。反馈信息来自基于热式流量传感器，型号为FS4008 30SLPM，得到的模拟电压 范围0.5V到4.5V，再通过AD转化器将模拟电压转化成相应的数字信号送入单片机，单 片机通过软件增量PID算法，去调节PWM的占空比，来实现与设置值相等的平稳流量。另外考虑到热式流量传感器的准确度和对环境的敏感性，同时也可采用如图 二的开环系统，此系统需在产品出厂前，通过标准的流量计进行软件校准和存储，可以 对相应的标准流量值以一定间隔做一张采样表，然后通过线性插值获取连续的流量值。 这种思路在实现上有很多优点，一是稳定性好，避免了流量传感器因环境变化而带来的 干扰，二是通过计量部门的高准确度流量计校准后可以保持较高的准确度，三是对企业 来说节约了成本，用软件代码的灵活性替换了较高硬件的成本。本实用新型在设计时兼顾考虑了上述两种思路，可以较灵活的扩展实现。本系统的硬件设计主要包括单片机实现部分、驱动模块、稳压电源模块、中断 键盘模块和数码管显示模块。本系统采用低成本较高性能的STC89C52RC作为处理器， 此处理器有8K的Flash和512个字节的RAM数据存储器，并有8个中断源。本实用新型考虑到常用4*4扫描键盘占用太多时间资源，采用外部中断的方 式，并通过型号为CD4532的优先编码器对中断键盘模块的16个按键进行编码以节约输 入输出I/O 口，同时通过型号为74HC04的非门起到信号整形的作用。16个按键中包括 0到9和小数点11个数字键，一个流量设置键，一个时间设置键，一个设置确认键和一个 启动计时键。驱动部分采用H桥驱动方案，图3所示的H桥式电机驱动电路包括4个三极 管和一个电机，要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的 导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。本使用新 型中驱动芯片L298是内部集成了两个H桥的驱动芯片，恰当并联可实现最大4A的输出 电流。控制L298驱动芯片有两种策略，一是固定Ql到Q4的逻辑，通过PWM脉宽 调制控制芯片使能端，二是使芯片使能端恒为高电平，Ql恒为高电平，通过PWM脉宽 调制控制Q4。两种方案皆可实现调速。本系统的显示部分采用6位7段的数码管，其中三位用来显示0到999SLPM的 流量，另外三位用来显示0到999分钟的时间设定值，并且时间呈现按分钟递减的显示， 当递减到0时，采样器停止抽气。为了节约单片机IO 口，通过控制74HC573来实现数 码管的位选通和段选通的复用。稳压电源模块提供芯片工作的5V电压，以及直流电机中所用的可调电压。考 虑直流电机的启动电流很大，需要在常用的集成稳压芯片上进行扩流。在软件设计中以开环控制设计为例，总体的程序流程图如图4，当主程序扫 描到设置确认按键有效时，取相应的设定值。如果此设定值是流量，根据流量值查找定时器0初始值表，从而改变PWM占空比。如果此设定值是时间，即改变定时器1的计 时初始值。其中定时器0主要实现PWM功能，其中断优先级在本系统中最高，以保证 PWM驱动的稳定性，通过设置相邻两次中断计数器的初始值来改变占空比，但是总的周 期是不变的。如图5所示。定时器1主要实现计时功能，在计时启动后，通过定时递减到0，然后清零 PWM输出。如图6所示。按键中断采用外部中断1下降沿有效的方式，在按下设置键后，可实现流量 键和时间键的分别设定，通过设置确认键刷新设置值。如图7所示。上面所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实 用新型的构思和范围进行限定，在不脱离本实用新型设计构思前提下，本领域中普通工 程技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本实用新型的保 护范围，本实用新型请求保护的技术内容已经全部记载在权利要求书中。
权利要求1.一种基于单片机自动控制的有害气体采样器，包括单片机(1)，其特征是所述单 片机(1)的计数器的信号输出端连接隔离驱动模块(2)，隔离驱动模块(2)的驱动 信号输出端连接气体提取采集装置(3)的驱动控制端，气体提取采集装置(3)连接气 体采集管(4)。
2.根据权利要求1所述的基于单片机自动控制的有害气体采样器，其特征在于所述气 体提取采集装置(3)连接气体采集管(4)的一端，气体采集管(4)的另一端内设有 热流量传感器(7)，热流量传感器(7)的信号输出端通过信号调理模块(8)连接模 数转换模块(9)的模拟信号输入端，模数转换模块(9)的数字信号输出端连接单片机(1)的反馈信号输入端。
3.根据权利要求1所述的基于单片机自动控制的有害气体采样器，其特征在于所述 单片机(1)的计数器的信号输出端输出的是PWM脉宽调制信号，其占空比为O至1范 围。
4.根据权利要求1所述的基于单片机自动控制的有害气体采样器，其特征在于所述隔 离驱动模块(2)为型号为L298的H桥驱动芯片。
5.根据权利要求1所述的基于单片机自动控制的有害气体采样器，其特征在于所述气 体提取采集装置(3)包括直流电机和气泵，隔离驱动模块(2)的驱动信号输出端连接 直流电机的驱动控制端。
6.根据权利要求1所述的基于单片机自动控制的有害气体采样器，其特征在于还包括 显示模块(5)和键盘(6)，显示模块(5)和键盘(6)分别与单片机(1)的显示驱 动端和键盘驱动端连接。
7.根据权利要求1所述的基于单片机自动控制的有害气体采样器，其特征在于所述单 片机(1)为包括8K的Flash和512个字节的RAM数据存储器，并有8个中断源。
专利摘要一种基于单片机自动控制的有害气体采样器，包括单片机(1)，其特征是所述单片机(1)的计数器的信号输出端连接隔离驱动模块(2)，隔离驱动模块(2)的驱动信号输出端连接气体提取采集装置(3)的驱动控制端，气体提取采集装置(3)连接气体采集管(4)。本实用新型的基于单片机自动控制的有害气体采样器利用自动化控制技术，通过高精度传感器进行流量的自动测量和反馈，再通过高准确度计量器具校准后通过计算机软件拟合和存储，可实现高准确度的流量恒定和自动控制。本实用新型的基于单片机自动控制的有害气体采样器既可以采用闭环自动控制；也可采用开环自动控制，通过出厂前校准的方法同样达到较高的准确度，配置灵活、适用性强。
文档编号G05B19/042GK201803879SQ20102056141
公开日2011年4月20日 申请日期2010年10月14日 优先权日2010年10月14日
发明者兰江, 陈荣海 申请人:金坛市亿通电子有限公司