本发明涉及一种基于总线技术的三合一气体探测器，属于管道安全监控系统技术领域。
背景技术：
石油是一种战略能源，是国家经济发展的命脉，石油在开采、储运、炼制等过程中有泄漏的可能性，石油泄漏后挥发的油气容易引起爆炸，石油中含有硫化氢，泄漏的是有容易挥发出硫化氢导致人员中毒事故。传统的可燃气体探测器无法及时、有效的同时检测石油泄漏、爆炸危险性和硫化氢浓度。
现阶段发现石油泄漏的手段主要是靠压力突变检测和人工巡检，只有当输油管道发生断裂等严重事故时压力突变检测才有效果，人工巡检的办法成本非常高，巡检周期很长，在巡检周期内产生隐患，巡检人员无法及时发现，隐患极易发展成爆炸事故，危及生命和财产安全。
现场安装的可燃气体探测器只能检测在1%lel~100%lel范围内的可燃气体浓度，无法检测泄漏和硫化氢。在同一位置安装3台探测器分别探测石油泄漏、爆炸危险性和硫化氢浓度，大大增加了采购、安装、维护难度和成本，影响现场美观。
技术实现要素：
为了克服上述现有技术的不足之处，本发明提供种基于总线技术的三合一气体探测器，仅占用一个单片机的串口，同时检测气体的泄漏、爆炸危险性、硫化氢浓度3个特性。
本发明是通过如下技术方案实现的：一种基于总线技术的三合一气体探测器，包括：
中央处理模块，由单片机和其最小系统电路组成；
输入模块，其与中央处理模块输入端相连，将接收的电信号输入给中央处理模块；
输出模块，其与中央处理模块输出端相连，将中央处理模块输出的ttl信号转换成rs485信号输出到探测器外部，并且接收来自外部的二总线信号；
人机接口模块，其与中央处理模块相连，用于显示油气、可燃气体、硫化氢的浓度和报警、故障信息；以及
电源转换模块，将输入电压转化成预设电压，为探测器所有模块供电。
优选的是，所述输入模块包括：
线性半导体传感器，将油气浓度转换成电压信号，输送给信号调理模块后再输送给中央处理模块；
红外线传感器，将可燃气体浓度转换成数字信号，输送给中央处理模块；以及
电化学传感器，将硫化氢浓度转换成电流信号，输送给信号调理模块后再输送给中央处理模块。
优选的是，所述红外线传感器采用mh440d芯片，共有5个引脚，其2脚vcc和1脚gnd为电源引脚，连接5v_sensor和gnd，3脚rxd和5脚txd为串口，与中央处理模块相连，中央处理模块通过串口读取红外线传感器的浓度数据。
优选的是，所述线性半导体传感器采用bdt芯片，其1脚接5v，3脚接gnd，2脚为信号输出；所述信号调理模块包括一个运算放大器和外围电路；线性半导体传感器的电压信号经过电阻r10和电容c5组成的滤波器，滤除频率大于15hz的交流信号后进入运算放大器的3脚，运算放大器的的4脚和1脚短接，形成电压跟随器以稳定信号，稳定后的信号经过电阻r11进入中央处理模块。
优选的是，所述电化学传感器有ce、re、we三个电极；所述信号调理模块包括一个前置放大器和外围电路；前置放大器1脚是数字地dgnd，连接到gnd，2脚是模块使能脚，低电平有效，连接到gnd,3脚和4脚是iic接口，通过两个电阻r1和r2上拉到3.3v，与中央处理模块对应脚连接，5脚为悬空脚，6脚为电源vdd，连接到3.3v，7脚为模拟地agnd，连接到gnd，8脚为模拟电压输出vout，连接到中央处理模块，9脚和10脚为滤波器脚，并联电阻r5和电容c3组成滤波器，11脚为参考电压输入脚vref，连接2.5v，12脚13脚14脚为传感器脚，分别连接电化学传感器的we、re和ce脚，15脚连接到gnd，电容c4a和c4b为u3的电源滤波，结型场效应管q1在断电时导通，短接电化学传感器的re和we脚以保护传感器。
优选的是，所述输出模块包括rs485收发芯片，其5脚连接逻辑地gnd，8脚连接5v，1脚为数据输出脚，拨码开关sw1和电阻r31连接中央处理模块，2脚和3脚为收发控制脚，通过电阻r33连接至中央处理模块，4脚为数据输入脚，通过拨码开关sw1和电阻r32连接中央处理模块，6脚为rs485的a+信号，通过电阻r35和保险丝ptc2连接到rs485总线的a，7脚为rs485的b-信号，通过电阻r34和保险丝ptc3连接到rs485总线的b。
优选的是，所述输出模块包括二总线收发芯片，其1脚为电源vcc接3.3v，8脚为电源gnd接gnd，2脚为数据发送脚，通过拨码开关sw1和电阻r31接中央处理模块，3脚为数据接收脚，通过拨码开关sw1和电阻r32接中央处理模块，4脚为悬空脚，5脚为2总线发送脚，通过电阻r3控制三极管q1的导通和关断，从而控制电阻r4在电源正和负之间拉电流，通过电流环向总线发送数据，6脚为二总线接收脚pi，电阻r1和r2跨接在24v和gnd之间，pi采集电阻r2的分压接收来自二总线的数据。
优选的是，所述人机接口模块包括输入部分和输出部分；所述输入部分包括红外遥控芯片，接收遥控器信号并编码发送给中央处理模块；所述输出部分包括一个点阵oled和三个发光二极管led2、led3、led4，三个发光二极管分别指示探测器的电源、报警、故障状态；探测器通电工作时，led2以1hz的频率闪烁，当浓度大于设定的报警阈值时，led3常亮，当浓度小于设定的报警阈值时，led3常灭，当探测器的传感器有故障时，led4常亮，当探测器的传感器无故障时，led4常灭。
优选的是，还包括升压芯片，将输入的3.3v升压至14v给点阵oled供电；升压芯片5脚为输入脚，连接3.3v，4脚为使能脚，连接到3.3v，1脚为开关输出脚，2脚为反馈脚，连接到gnd，3脚为gnd脚，连接到由电阻r3和r4组成的分压电路。
优选的是，所述电源转换模块包括电源转换芯片和外围电路；电源转换芯片将dc24v电源转换成dc5v电源，其4脚为接地脚，连接gnd，2脚为输入脚，连接24v电源，6脚为使能脚，通过一个电阻r5连接到输入的24v电源vin，当该脚连接高点平时，芯片开始电压转换；3脚为输出脚，输出一个脉宽调制电压，经过l4和c7a、c7b的滤波，脉宽电压变成稳定的电压，8脚为反馈脚，接收电阻r9和r10的分压，用于控制输出电压稳定在5v；还包括线性稳压芯片，将dc5v电源转换成dc3.3v电源，其1脚为接地脚，连接到逻辑地gnd，3脚为输入脚，连接dc5v电源，2脚为输出脚，连接3.3v电源。
本发明有益效果：
本发明通讯方式支持rs485总线和二总线，两种通讯总线仅占用一个单片机的串口，通过拨码开关切换总线形式。同时检测原油、柴油等重油挥发气体的泄漏、爆炸危险性、硫化氢浓度3个特性。
本发明代替传统的可燃气体探测器和硫化氢探测器，增加泄漏检测功能，对容易泄漏的管道、储罐等设备进行实时检测，以低廉的成本实现对油气的检测灵敏度达到1ppm，对可燃气体爆炸危险性的检测方位1%lel~100%lel，对硫化氢的检测范围在0-100ppm。
本发明的有益效果是：本发明通讯方式支持rs485总线和二总线，两种通讯总线仅占用一个单片机的串口，通过拨码开关切换总线形式。同时检测原油、柴油等重油挥发气体的泄漏、爆炸危险性、硫化氢浓度3个特性。
本发明代替传统的可燃气体探测器和硫化氢探测器，增加泄漏检测功能，对容易泄漏的管道、储罐等设备进行实时检测，以低廉的成本实现对油气的检测灵敏度达到1ppm，对可燃气体爆炸危险性的检测方位1%lel~100%lel，对硫化氢的检测范围在0-100ppm。
附图说明
下面根据附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明的结构原理框图；
图2为本发明的中央处理模块电路图；
图3为本发明的电源转换模块电路图；
图4为本发明的输出模块电路图；
图5为本发明的红外线传感器电路图；
图6为本发明的线性半导体传感器及信号调理模块电路图；
图7为本发明的电化学传感器及信号调理模块电路图；
图8为本发明的人机接口模块电路图；
图9为本发明的中央处理模块相连的辅助电路图。
具体实施方式
以下结合附图，通过具体实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，一种基于总线技术的三合一气体探测器，包括：中央处理模块、输入模块、输出模块、人机接口模块、电源转换模块和信号调理模块；
中央处理模块由单片机和其最小系统电路组成；输入模块与中央处理模块输入端相连，将接收的电信号输入给中央处理模块；输出模块与中央处理模块输出端相连，能够将中央处理模块输出的ttl信号转换成rs485信号输出到探测器外部，并且还能够接收来自外部的二总线信号；人机接口模块与中央处理模块相连，用于显示油气、可燃气体、硫化氢的浓度和报警、故障信息；电源转换模块将输入电压转化成预设电压，为探测器所有模块供电。
所述输入模块包括线性半导体传感器、红外线传感器和电化学传感器；其中，
线性半导体传感器将油气浓度转换成电压信号，输送给信号调理模块后再输送给中央处理模块；红外线传感器将可燃气体浓度转换成数字信号，输送给中央处理模块；电化学传感器将硫化氢浓度转换成电流信号，输送给信号调理模块后再输送给中央处理模块。
具体方案如下：
如图3所示，芯片u1是电源转换芯片，其作用是将dc24v电源转换成dc5v电源，u1的4脚为接地脚，连接到逻辑地gnd，u1的2脚为输入脚，连接24v电源，u1的6脚为使能脚，通过一个电阻r5连接到输入的24v电源vin，当该脚连接高点平时，芯片开始电压转换。u1的3脚为输出脚，输出一个脉宽调制电压，经过l4和c7a、c7b的滤波，脉宽电压变成稳定的电压，u1的8脚为反馈脚，接收电阻r9和r10的分压，用于控制输出电压稳定在5v。
芯片u2是线性稳压电源，其作用是将dc5v电源转换成dc3.3v电源，u2的1脚为接地脚，连接到逻辑地gnd，u2的3脚为输入脚，连接dc5v电源，u2的2脚为输出脚，连接3.3v电源。
如图2、图9所示，由一个单片机u3和其最小系统电路组成。是一种基于总线技术的三合一气体探测器的核心模块，用于接收其他模块输入的模拟、数字信号，输出模拟、数字信号，并控制人机接口模块。中央处理模块负责对半导体传感器信号的线性化处理和零点跟随处理，中央处理模块通过信号分段算法、查表算法和积分算法将半导体传感器的信号进行线性化处理，中央处理模块通过微分算法对半导体传感器的零点进行动态跟随。
中央处理模块通过串口和红外线传感器通讯，读取红外传感器测量得到的可燃气体浓度值，向红外传感器发送零点调节和校准命令。
中央处理模块通过iic总线与前置信号调理模块的前置放大器通讯，配置前置放大器的参数，通过单片机内置12bitadc采集硫化氢的浓度信息。
中央处理单元通过iic总线与eeprom通讯，读取和写入线性半导体传感器的零点和校准参数，读取和写入电化学传感器的零点和校准参数。
如图5所示，红外线传感器mh440d，共有5个引脚，2脚vcc和1脚gnd为电源引脚，连接5v_sensor和gnd，3脚rxd和5脚txd为串口，与单片机的串口tx2和rx2相连，单片机通过串口读取红外线传感器的浓度数据，4脚vout为电压输出引脚，本发明不使用。
如图6所示，线性半导体传感器采用bdt芯片，其1脚接5v，3脚接gnd，2脚为信号输出；信号调理模块包括一个运算放大器u4和外围电路；线性半导体传感器的电压信号经过电阻r10和电容c5组成的滤波器，滤除频率大于15hz的交流信号后进入运算放大器的3脚，运算放大器的的4脚和1脚短接，形成电压跟随器以稳定信号，稳定后的信号经过电阻r11进入单片机的adc脚adnd。
u2是eeprom，用于存放线性半导体传感器的零点数据和校准数据,1脚2脚3脚为地址脚，全部连接到gnd，4脚为电源地vss，连接到gnd，5脚和6脚为iic接口，连接到单片机的对应管脚，7脚为使能脚，连接到gnd,8脚为电源脚，连接到3.3v。
如图7所示，电化学传感器有ce、re、we三个电极；信号调理模块包括一个前置放大器u3和外围电路；前置放大器1脚是数字地dgnd，连接到gnd，2脚是模块使能脚，低电平有效，连接到gnd,3脚和4脚是iic接口，通过两个电阻r1和r2上拉到3.3v，与单片机对应脚连接，5脚为悬空脚，6脚为电源vdd，连接到3.3v，7脚为模拟地agnd，连接到gnd，8脚为模拟电压输出vout，连接到单片机的adc输入ad_1，9脚和10脚为滤波器脚，并联电阻r5和电容c3组成滤波器，11脚为参考电压输入脚vref，连接2.5v，12脚13脚14脚为传感器脚，分别连接电化学传感器的we、re和ce脚，15脚连接到gnd，电容c4a和c4b为u3的电源滤波，结型场效应管q1在断电时导通，短接电化学传感器的re和we脚以保护传感器。
u2是eeprom，用于存放电化学传感器的零点数据和校准数据,1脚2脚3脚为地址脚，全部连接到gnd，4脚为电源地vss，连接到gnd，5脚和6脚为iic接口，连接到单片机的对应管脚，7脚为使能脚，连接到gnd,8脚为电源脚，连接到3.3v。
u1是线性稳压器，用于将输入的5v转换成2.5v给前置放大器u3提供基准电压。2脚为逻辑地gnd，4脚为5v输入，3脚为使能脚，为高电平时u1可以将5v转换成2.5v，5脚为2.5v输出。
如图4所示，芯片u4是rs485收发芯片，用于接收来自外部的rs485信号，转换成ttl信号给单片机，并且能够将单片机输出的ttl信号转换成rs485信号输出的探测器外部。u4的5脚连接逻辑地gnd，u4的8脚连接5v，u4的1脚为数据输出脚，拨码开关sw1和电阻r31连接单片机的rx1脚，u4的2脚和3脚为收发控制脚，通过电阻r33连接至单片机的fx485脚，u4的4脚为数据输入脚，通过拨码开关sw1和电阻r32连接单片机的tx1脚，u4的6脚为rs485的a+信号，通过电阻r35和保险丝ptc2连接到rs485总线的a，u4的7脚为rs485的b-信号，通过电阻r34和保险丝ptc3连接到rs485总线的b。
芯片u5为二总线收发芯片，用于接受来自外部的二总线信号，1脚为电源vcc接3.3v，8脚为电源gnd接gnd，2脚为数据发送脚，通过拨码开关sw1和电阻r31接单片机的rx1，3脚为数据接收脚，通过拨码开关sw1和电阻r32接单片机的tx1，4脚为悬空脚，5脚为二总线发送脚，通过电阻r3控制三极管q1的导通和关段，从而控制电阻r4在电源正和负之间拉电流，通过电流环向总线发送数据，6脚为2总线接收脚pi，电阻r1和r2跨接在24v和gnd之间，pi采集电阻r2的分压接收来自二总线的数据。
如图8所示，连接件jp1与电源板相连，作用是获取电源板的电源和控制信号。
u1为人机接口模块的升压芯片，将输入的3.3v升压至14v给oled供电。5脚为输入脚，连接3.3v，4脚为使能脚，连接到3.3v，1脚为开关输出脚，2脚为反馈脚，连接到gnd，3脚为gnd脚，连接到由电阻r3和r4组成的分压电路。
u2是红外线接收器，用于接收遥控器的信号，并按编码规则将遥控信号传送给单片机。u2的1脚连接3.3v，u2的2脚连接gnd，u2的3脚为输出脚。
led2、led3、led4为发光二极管，分别指示探测器的电源、报警、故障状态。探测器通电工作时，led2以1hz的频率闪烁，当浓度大于设定的报警阈值时，led3常亮，当浓度小于设定的报警阈值时，led3常灭，当探测器的传感器有故障时，led4常亮，当探测器的传感器无故障时，led4常灭。
jp2连接的是oled，1脚、2脚、3脚、4脚、7脚、8脚、16脚、17脚、18脚、19脚、20脚、24脚全连接到gnd。5脚为vdd，接3.3v,6脚通过电阻r10接地，9脚、10脚、13脚、14脚组合在一起用作spi总线，连接到单片机对应的脚。21脚、22脚、23脚、24脚为oled发光管电源，23脚连接到14v。
本发明通讯方式支持rs485总线和二总线，两种通讯总线仅占用一个单片机的串口，通过拨码开关切换总线形式。同时检测原油、柴油等重油挥发气体的泄漏、爆炸危险性、硫化氢浓度3个特性。
本发明代替传统的可燃气体探测器和硫化氢探测器，增加泄漏检测功能，对容易泄漏的管道、储罐等设备进行实时检测，以低廉的成本实现对油气的检测灵敏度达到1ppm，对可燃气体爆炸危险性的检测方位1%lel~100%lel，对硫化氢的检测范围在0-100ppm。
本发明采用了半导体线性化技术检测原油、柴油等重油挥发气体的泄漏，原理是：对半导体传感器输出的抛物线信号进行线性化计算，将抛物线信号转换成直线型信号。将抛物线分成两部分，第一部分近似线性，通过查表法将其转换成线性信号，第二部分为积分曲线，通过计算对时间的积分转换成线性信号。
解决了半导体传感器零点不稳定问题。对零点附近的传感器信号变化求时间的微分，对微分设一个阈值，微分值大于该阈值的信号，进行浓度计算，微分值小于该阈值的信号，浓度值直接赋值为0，同时零点值调整到新的信号值，动态跟踪半导体传感器的零点变化，从而保证在半导体传感器的信号不稳定的前提下，探测器保持零点稳定。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。