摘要 針對(duì)目前市場(chǎng)上氣體檢測(cè)設(shè)備存在檢測(cè)種類單一、可調(diào)性差、適用性較低等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種根據(jù)實(shí)際需要，用戶可自由選擇檢測(cè)氣體種類的無(wú)線氣體檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由MQ系列氣體傳感器、ADC0809、STC89C52、NRF905無(wú)線收發(fā)模塊和LCD顯示等構(gòu)成。測(cè)試證明，當(dāng)傳感器檢測(cè)到氣體濃度超標(biāo)時(shí)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警。
關(guān)鍵詞 單片機(jī)；多功能；分布式；無(wú)線；氣體監(jiān)測(cè)

    目前，在實(shí)際生產(chǎn)、生活的諸多領(lǐng)域中，氣體檢測(cè)都有著廣泛的應(yīng)用，它不僅適用于石油、化工、冶金等工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，也同樣適用于家庭、商場(chǎng)、加油站等各種生活服務(wù)場(chǎng)所。不過(guò)，正是因?yàn)槠溥m用領(lǐng)域較多，而帶來(lái)了一系列問(wèn)題。例如，有些場(chǎng)合由于環(huán)境復(fù)雜，線路鋪
設(shè)、檢修十分困難，而且線路故障、老化等不可見(jiàn)因素的存在，也成為了安全隱患。其次，不同的領(lǐng)域?qū)τ跈z測(cè)氣體的類型需求也不同，市場(chǎng)上出現(xiàn)了多種類型的氣體檢測(cè)裝置，雖然也可達(dá)到用戶要求，但是這無(wú)疑提高了成本，降低了裝置的適用性，造成資源浪費(fèi)。針對(duì)這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種可靠的能夠讓用戶自行選擇檢測(cè)氣體種類的分布式無(wú)線氣體檢測(cè)裝置，用來(lái)應(yīng)對(duì)復(fù)雜高危的工作環(huán)境，解決有線傳輸帶來(lái)的布線困難、故障檢查困難等缺點(diǎn)，最大程度上滿足不同用戶的需求，提高系統(tǒng)的適應(yīng)性和監(jiān)測(cè)能力。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    設(shè)計(jì)的氣體監(jiān)測(cè)裝置以多功能、易操作、穩(wěn)定可靠為目的，實(shí)現(xiàn)多種氣體無(wú)線監(jiān)測(cè)的功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。首先，用戶根據(jù)具體需要，確定要監(jiān)測(cè)的氣體種類，選擇特定的傳感模塊，并接入到分機(jī)指定的接口，系統(tǒng)設(shè)計(jì)最多可接入8種不同的氣體檢測(cè)模塊。系統(tǒng)正常工作時(shí)，分機(jī)監(jiān)測(cè)各氣體傳感模塊，一旦發(fā)現(xiàn)某氣體濃度超標(biāo)，單片機(jī)接收到相應(yīng)氣體傳感器發(fā)出的信號(hào)，啟動(dòng)無(wú)線發(fā)射單元，向主機(jī)發(fā)送信息。主機(jī)接收到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理分析，送到液晶顯示，并啟動(dòng)報(bào)警電路。

2 MQ系列氣體傳感模塊
    在選擇傳感器時(shí)，一定要考慮到穩(wěn)定性、靈敏度、選擇性和抗腐蝕性，系統(tǒng)采用MQ系列的氣體傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)氣體濃度信息。MQ系列氣體傳感器是氣敏傳感器，其具有很高的靈敏度良好的選擇性、長(zhǎng)期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性。MQ型氣敏傳感器由微型陶瓷管和敏感層，測(cè)量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件的工作提供了必要的工作條件。該系列氣敏傳感器類型全面，包括MQ-2煙霧傳感器、MQ-3酒精傳感器、MQ-4甲烷傳感器、MQ-5液化氣傳感器、MQ-8氫氣傳感器等多種氣敏傳感器，同時(shí)各個(gè)傳感器之間電路通用性強(qiáng)，能夠滿足不同場(chǎng)所中的氣體檢測(cè)要求。
    MQ系列氣體傳感模塊設(shè)有雙路信號(hào)輸出，設(shè)計(jì)中由于可監(jiān)測(cè)氣體種類較多，使用TTL電平輸出可減少單片機(jī)的數(shù)據(jù)量，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，其接口電路如圖2所示。

3 NRF905無(wú)線收發(fā)模塊
    系統(tǒng)選用以挪威Nordic公司生產(chǎn)的無(wú)線數(shù)傳芯片NRP905為核心設(shè)計(jì)的NRF905無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。該模塊具有以下特點(diǎn)：(1)工作電源電壓范圍1．9～3．6 V。(2)輸出功率可調(diào)至10 dBm。(3)偵測(cè)接收的數(shù)據(jù)包、當(dāng)?shù)刂氛_輸出地址匹配信號(hào)。(4)數(shù)據(jù)包自動(dòng)重發(fā)功能。(5)自動(dòng)產(chǎn)生CRC校驗(yàn)碼和前導(dǎo)碼。(6)低工作電流，TX工作狀態(tài)在輸出功率為-10 dBm時(shí)典型值為11 mA，RX工作狀態(tài)，典型值為12.5 nA。(7)數(shù)據(jù)包發(fā)送：曼切斯特編碼，抗零電平能力強(qiáng)。(8)傳輸速率：100 kbit·s-1；工作頻率：433／868／915 MHz。
    nRF905模塊具有ShockBurst接收、ShockBurst發(fā)射、掉電與SPI編程、待機(jī)與SPI編程4種工作模式，這4種模式的選擇通過(guò)對(duì)PWR_UP、TRX _CE和TX_EN的設(shè)置來(lái)決定。nRF905模塊在ShockBurst工作模式的特點(diǎn)是自動(dòng)產(chǎn)生前導(dǎo)碼和CRC校驗(yàn)碼，使用SPI接口與微控制器通信。下面給出了nRF905模塊的SPI串行接口的指令設(shè)置：
    #define WC0x00／／寫(xiě)配置寄存器指令
    #define RC0x10／／讀配置寄存器指令
    #defme WTP0x20／／向TX_Payload寄存器寫(xiě)入發(fā)送有效數(shù)據(jù)指令
    #define RTP0x21／／從TX_Payload寄存器讀取發(fā)送有效數(shù)據(jù)指令
    #define WTA 0x22／／向TX_Address寄存器寫(xiě)入發(fā)送地址指令
    #define RTA 0x23／／從TX_Address寄存器讀取發(fā)送地址指令
    #define RRP 0x24／／從RX_Payload寄存器讀取接收到的有效數(shù)據(jù)指令
    綜上所述，NRF905具有通信速率快、微控制器編程工作量小、功耗低、提高抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，滿足通信可靠性要求。同時(shí)，433 MHz的ISM頻段，具有較強(qiáng)的穿透能力和較遠(yuǎn)的傳輸距離，可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的較遠(yuǎn)距離傳輸。圖3為NRF905芯片應(yīng)用原理圖。

4 軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的程序流程如圖4所示，單片機(jī)可以通過(guò)上電復(fù)位實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)裝置的重啟，并進(jìn)行相應(yīng)的模塊初始化。當(dāng)分機(jī)氣體傳感器監(jiān)測(cè)到氣體濃度超標(biāo)后，給單片機(jī)發(fā)送信號(hào)，單片機(jī)判斷處理無(wú)誤后，啟動(dòng)無(wú)線發(fā)送；主機(jī)接收到數(shù)據(jù)后，返回一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，分機(jī)復(fù)位，無(wú)線模塊恢復(fù)待機(jī)模式。主機(jī)開(kāi)始對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，而后將結(jié)果送入LCD顯示，并啟動(dòng)報(bào)警電路，當(dāng)對(duì)主機(jī)手動(dòng)復(fù)位后，恢復(fù)正常工作模式，繼續(xù)檢測(cè)新數(shù)據(jù)。

5 測(cè)試結(jié)果
    在實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)一旦監(jiān)測(cè)到當(dāng)前區(qū)域內(nèi)的氣體濃度大于所設(shè)定的閾值時(shí)，自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并通過(guò)液晶顯示當(dāng)前的超標(biāo)氣體類型及相關(guān)監(jiān)測(cè)點(diǎn)地址等信息，待監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)的氣體濃度值恢復(fù)正?；虮皇謩?dòng)復(fù)位后，停止報(bào)警。經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該裝置在室內(nèi)實(shí)際收發(fā)距離約為50m，室外開(kāi)闊地帶通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)200m，短距離數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，但實(shí)際應(yīng)用中由于環(huán)境復(fù)雜，有時(shí)需要較遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)通信。為解決這一問(wèn)題，特對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)做出了一些改進(jìn)，通過(guò)增設(shè)中繼機(jī)，作為數(shù)據(jù)傳輸樞紐，可大幅增加系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸范圍，使系統(tǒng)的適應(yīng)性得到提高。

6 結(jié)束語(yǔ)
    系統(tǒng)的創(chuàng)新之處在于：采用分布式無(wú)線通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和同系列多種氣體傳感模塊的配合使用，系統(tǒng)根據(jù)具體需要，可以完成各類氣體的監(jiān)測(cè)工作。通過(guò)設(shè)置中繼機(jī)，還可增加通信距離，有效解決了各工作現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜的問(wèn)題，具有良好的應(yīng)用前景。