本發(fā)明屬于傳感器領(lǐng)域，尤其涉及一種VOCs傳感器。

背景技術(shù)：

在我國，VOCs(volatile organic compounds)揮發(fā)性有機物，是指常溫下飽和蒸汽壓大于70Pa、常壓下沸點在260℃以下的有機化合物，或在20℃條件下蒸汽壓大于或者等于10Pa具有相應(yīng)揮發(fā)性的全部有機化合物。隨著社會的發(fā)展，大氣的污染越來越嚴重，而企業(yè)排放的揮發(fā)性有機物是造成環(huán)境大氣污染的重要原因之一，尤其在化工園區(qū)，顯得更為突出。為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，加強環(huán)境保護已成為我國的一項基本國策，因此需要對VOCs進行實時監(jiān)測，目前最常見的VOCs傳感器為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，一般是采用鋰電池供電方案，但價格高而且要經(jīng)常更換電池，使用不方便。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種VOCs傳感器。

技術(shù)方案：本發(fā)明所述的一種VOCs傳感器，包括主控制器、電源、采樣供電模塊、顯示器、傳感器信號輸入與放大模塊、RS485模塊、鍵盤、4～20mA模擬量輸出模塊，

所述電源為獨立結(jié)構(gòu)，分別向所述主控制器、顯示器、4～20mA模擬量輸出模塊、RS485模塊、鍵盤供電，對于所述傳感器信號輸入與放大模塊設(shè)有專用的采樣供電模塊，

所述采樣供電模塊的充放電控制信號接入所述主控制器的P1.0口，

所述顯示器的8位數(shù)據(jù)線接入所述主控制器的P4口，所述顯示器的控制信號接入P2.2口，所述顯示器的CS1和CS2信號分別接入P2.1和P2.0口，所述顯示器的R/W信號接入P2.7口，

所述鍵盤設(shè)有四個控制按鍵K1、K2、K3和K4，所述四個控制按鍵K1、K2、K3和K4的信號分別接入所述主控制器的P5.0、P5.1、P5.2和P5.3口，

所述主控制器內(nèi)置D/A轉(zhuǎn)換器通過P1.6口向4～20mA模擬量輸出模塊提供模擬電壓，

所述傳感器信號輸入與放大模塊提供差分輸入信號A-和A+，所述差分輸入信號A-和A+分別接入所述主控制器的P6.1和P6.0口，所述主控制器的P6.1和P6.0口為所述主控制器內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器的兩個差分模擬信號輸入端，所述傳感器信號輸入與放大模塊包括傳感器電路模塊和程控信號放大電路，所述傳感器信號輸入與放大模塊的程控信號放大電路的信號CLK、SDO和DIN分別接入所述主控制器的P3.3、P3.2和P3.1口，

所述RS485模塊發(fā)送的控制信號，數(shù)據(jù)檢測信號和數(shù)據(jù)信號分別接入所述主控制器的 P2.3、P2.4和P2.5口。

其中，所述主控制器采用MSP430F477芯片。

其中，所述電源包括數(shù)字電源和模擬電源，所述數(shù)字電源為3.3V，采用AMS1117-3.3芯片，所述模擬電源為3.3V，采用AMS1117-3.3芯片。

其中，所述模擬電源為2.5V，采用ADR4525芯片。

其中，所述4～20mA模擬量輸出模塊采用LMP7702芯片。

其中，所述RS485模塊采用SN65LBC184通信芯片。

其中，所述采樣供電模塊包括電容和MOS開關(guān)管。

其中，所述電容為470uF。

其中，所述MOS開關(guān)管為060N03L。

其中，所述顯示器為12864B2液晶顯示器。

其中，所述傳感器電路模塊采用ADA4505芯片。

其中，所述程控放大電路采用ADA4505芯片和AD5270芯片。

有益效果：本發(fā)明所述的一種VOCs傳感器，結(jié)構(gòu)簡單、成本低，便捷、靈敏的檢測手段，對于那些濃度非常低的氣體泄漏(leak)有著其他類型傳感器不可比擬的優(yōu)勢，實用性強。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

為了加深對本發(fā)明的理解，下面將結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步詳述，該實施例僅用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明保護范圍的限定。

如圖1所示的一種VOCs傳感器，包括主控制器、電源、采樣供電模塊、顯示器、傳感器信號輸入與放大模塊、RS485模塊、鍵盤、4～20mA模擬量輸出模塊，

所述電源為獨立結(jié)構(gòu)，分別向所述主控制器、顯示器、4～20mA模擬量輸出模塊、RS485模塊、鍵盤供電，對于所述傳感器信號輸入與放大模塊設(shè)有專用的采樣供電模塊，

所述采樣供電模塊的充放電控制信號接入所述主控制器的P1.0口，

所述顯示器的8位數(shù)據(jù)線接入所述主控制器的P4口，所述顯示器的控制信號接入P2.2口，所述顯示器的CS1和CS2信號分別接入P2.1和P2.0口，所述顯示器的R/W信號接入P2.7口，

所述鍵盤設(shè)有四個控制按鍵K1、K2、K3和K4，所述四個控制按鍵K1、K2、K3和K4的信號分別接入所述主控制器的P5.0、P5.1、P5.2和P5.3口，

所述主控制器內(nèi)置D/A轉(zhuǎn)換器通過P1.6口向4～20mA模擬量輸出模塊提供模擬電壓，

所述傳感器信號輸入與放大模塊提供差分輸入信號A-和A+，所述差分輸入信號A-和A+分別接入所述主控制器的P6.1和P6.0口，所述主控制器的P6.1和P6.0口為所述主控制器內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器的兩個差分模擬信號輸入端，所述傳感器信號輸入與放大模塊包括傳感器電路模塊和程控信號放大電路，所述傳感器信號輸入與放大模塊的程控信號放大電路的信號CLK、SDO和DIN分別接入所述主控制器的P3.3、P3.2和P3.1口，

所述RS485模塊發(fā)送的控制信號，數(shù)據(jù)檢測信號和數(shù)據(jù)信號分別接入所述主控制器的P2.3、P2.4和P2.5口。

所述主控制器采用MSP430F477芯片。

所述電源包括數(shù)字電源和模擬電源，所述數(shù)字電源為3.3V，采用AMS1117-3.3芯片，所述模擬電源為3.3V，采用AMS1117-3.3芯片。

所述模擬電源為2.5V，采用ADR4525芯片。

所述4～20mA模擬量輸出模塊采用LMP7702芯片。

所述RS485模塊采用SN65LBC184通信芯片。

所述采樣供電模塊包括電容和MOS開關(guān)管。

所述電容為470uF。

所述MOS開關(guān)管為060N03L。

所述顯示器為12864B2液晶顯示器。

所述傳感器電路模塊采用ADA4505芯片。

所述程控放大電路采用ADA4505芯片和AD5270芯片。

主控制器需要A/D、D/A、顯示等功能。能夠?qū)崿F(xiàn)上述功能的單片機品種有51系列、ARM系列、MSP430F477芯片等。從技術(shù)參數(shù)上看，由于本設(shè)備要實現(xiàn)16位的高精度A/D轉(zhuǎn)換，以及較強的數(shù)據(jù)處理能力，51系列本身不能完成，ARM系列的雖然可以完成，功能過于強大且價格高，因此選用MSP430F477芯片。

電源包括數(shù)字電源和模擬電源，為了保證模擬部分的精度，兩部分的電源要分開。根據(jù)MSP430F477芯片的需要，電源要使用3.3V直流電壓。外部提供給主板的總電源只要能滿足穩(wěn)定住3.3V直流電壓即可，擬定采用5V直流輸入。

A/D、D/A部分需要基準電源，選擇ADR4525作為基準電源。其最大誤差電壓僅為0.02％。

數(shù)字電源采用AMS1117-3.3芯片將5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V。

模擬電源采用AMS1117-3.3芯片將5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V。

模擬電源采用ADR4525芯片將5V電壓轉(zhuǎn)換為2.5V。

利用微控制器芯片MSP430F477提供的內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換器，將傳感器采集的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號供MCU處理。

為防止MCU部分對傳輸?shù)哪M信號造成干擾。擬定選擇ADA4505線性放大器作為跟隨器對輸入的模擬信號進行隔離。

為了便于在不改變硬件電路的情況下適應(yīng)各種類型傳感器的采樣，能對不同的傳感器信號進行放大，在傳感放大部分采用程控反饋電阻。通過程序控制調(diào)整放大倍數(shù)，采用AD5270數(shù)字電位器。

為了保證傳感器工作電壓的穩(wěn)定，設(shè)置采樣供電模塊(大容量電容儲能供電方式)，即在A/D采樣前，斷開主電源對傳感器模塊的供電改由大容量電容提供的能源供電(可以保證在采樣周期內(nèi)傳感器工作電壓的穩(wěn)定)；在采樣后，由主電源對大容量電容充電以保證下一次采樣時的傳感器工作電壓的穩(wěn)定。通過此方法可以有效提高采樣精度。

為了解決變送器與后臺機通訊和數(shù)據(jù)交換，設(shè)置RS485接口以數(shù)字信號完成遠距離數(shù)據(jù)傳輸和交換。選擇SN65LBC184作為通信芯片。

為保證微控制器MCU可靠工作，通訊上必須考慮光電耦合器將MCU與通訊芯片進行隔離，采用6N137將MCU與SN65LBC184隔離。

為了將變送器采集的模擬量轉(zhuǎn)換成標準的4～20mA的模擬信號輸出，通過MCU將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為4～20mA的模擬信號經(jīng)輸出端口傳送給遠端的接收機。電流輸出端口采用VI轉(zhuǎn)換電路(采用LMP7702芯片)作為末級輸出。

通過按鍵對整個系統(tǒng)的工作模式進行調(diào)整，設(shè)置四個普通控制按鍵。按鍵K1定義為菜單顯示鍵，即按下按鍵K1后，系統(tǒng)從數(shù)據(jù)采樣顯示狀態(tài)進入到菜單顯示狀態(tài)(系統(tǒng)工作模式有：系統(tǒng)調(diào)零選擇模式——選擇后按“確認”鍵即可、RS485模塊參數(shù)選擇模式——選擇后按“確認”鍵進入RS485模塊參數(shù)選擇菜單，在此界面設(shè)置RS485模塊的波特率、數(shù)據(jù)位位數(shù)、停止位和校驗位等通信參數(shù)，最后按“確認”鍵即可、自動數(shù)據(jù)上報工作模式(系統(tǒng)每隔0.5s采樣一次數(shù)據(jù)，并且把調(diào)整后的數(shù)據(jù)輸出至A/D、顯示器和RS485模塊接口上報數(shù)據(jù))——選擇后按“確認”鍵即可、輪詢數(shù)據(jù)上報工作模式(系統(tǒng)通過RS485模塊接收到上位機讀取數(shù)據(jù)指令后，執(zhí)行一次采樣數(shù)據(jù)，并且把調(diào)整后的數(shù)據(jù)輸出至A/D、顯示器和RS485模塊接口上報數(shù)據(jù))——選擇后按“確認”鍵即可、)；按鍵K2定義為向下選擇鍵；按鍵K3定義為向上選擇鍵；按鍵K4定義為確認鍵。

顯示器不采用普通的數(shù)碼管，而是采用12864B2液晶顯示器作為數(shù)據(jù)信息的顯示器。

下面以“自動數(shù)據(jù)上報工作模式”為例說明系統(tǒng)采樣主要工作流程：在通過按鍵設(shè)置后，系統(tǒng)進入“自動數(shù)據(jù)上報工作模式”，當0.5S計時信號到時，觸發(fā)定時中斷，系統(tǒng)進入0.5S計時中斷服務(wù)程序，首先系統(tǒng)關(guān)閉計時中斷，此后系統(tǒng)將P1.0口置低電位，使得采樣供電模塊與主電源斷開，從而將傳感器模塊的供電切換為采樣供電模塊供電。緊接著， 系統(tǒng)進入放大電路的放大倍數(shù)自適應(yīng)調(diào)整子程序，最后輸入定時器初值，開中斷。至此定時中斷服務(wù)程序結(jié)束。

當A/D轉(zhuǎn)換完成后，將觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換完成中斷(注意A/D單次采樣完成時間遠遠小于0.5S)，此時進入A/D轉(zhuǎn)換中斷服務(wù)程序，首先判斷是否為“自適應(yīng)放大倍數(shù)調(diào)整”階段，若不是該階段，系統(tǒng)將首先讀取A/D轉(zhuǎn)換值，然后系統(tǒng)將P1.0口置高電位，使得采樣供電模塊與主電源連接，利用主電源為采樣供電模塊充電，保證后續(xù)再次采樣時的工作電壓穩(wěn)定。緊接著，系統(tǒng)把采樣數(shù)據(jù)送入D/A轉(zhuǎn)換模塊，并對其進行數(shù)值換算，將換算結(jié)果送入顯示屏顯示，并送入RS485串口模塊發(fā)送至上位機。至此一次采用結(jié)束。

關(guān)于自適應(yīng)調(diào)整放大電路放大倍數(shù)主要工作流程：系統(tǒng)使能內(nèi)置16位A/D轉(zhuǎn)換模塊，并至為目前狀態(tài)“自適應(yīng)放大倍數(shù)調(diào)整”狀態(tài)。循環(huán)判斷目前狀態(tài)，直至不在“自適應(yīng)放大倍數(shù)調(diào)整”狀態(tài)才能退出循環(huán)，最后再次使能內(nèi)置16位A/D轉(zhuǎn)換模塊結(jié)束流程。

而與此同時當A/D轉(zhuǎn)換完成后，進入A/D轉(zhuǎn)換中斷服務(wù)程序，首先判斷是否為“自適應(yīng)放大倍數(shù)調(diào)整”狀態(tài)，若是則將“自適應(yīng)放大倍數(shù)調(diào)整”次數(shù)計數(shù)器增一，緊接著判斷“自適應(yīng)放大倍數(shù)調(diào)整”次數(shù)是否超過4次，若是則將P1.0口置高電位，使得采樣供電模塊與主電源連接，利用主電源為采樣供電模塊充電(因為采樣供電模塊是利用大容量電容放電方式供電，時間短，若調(diào)整時間過長，則將影響采樣精度)，而后系統(tǒng)關(guān)斷定時器中斷并進入充電延時狀態(tài)，充電完成后將“自適應(yīng)放大倍數(shù)調(diào)整”次數(shù)計數(shù)器清零并再次將P1.0口置低電位，使能內(nèi)置16位A/D轉(zhuǎn)換模塊和定時器中斷。若沒有超過4次，則首先讀取A/D轉(zhuǎn)換值，若A/D值>65000則將現(xiàn)有放大倍數(shù)調(diào)整為原來的一半，若調(diào)整后的放大倍數(shù)<＝1,則采用1倍放大倍數(shù)，并退出“自適應(yīng)放大倍數(shù)調(diào)整”狀態(tài)。若A/D值<30000則將現(xiàn)有放大倍數(shù)調(diào)整為原來的一倍，若調(diào)整后的放大倍數(shù)>1024,則采用1024倍放大倍數(shù)，并退出“自適應(yīng)放大倍數(shù)調(diào)整”狀態(tài)。若30000<A/D值<65000,計算n＝65000/(A/D值),則待調(diào)整后的放大倍數(shù)＝n×原來的放大倍數(shù)，而調(diào)整后的放大倍數(shù)為小于待調(diào)整后的放大倍數(shù)并最接近待調(diào)整后的放大倍數(shù)的2的冪值，最后退出“自適應(yīng)放大倍數(shù)調(diào)整”狀態(tài)。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。