CN205484165U - 一种能对测量结果有效性进行监测的天然气浓度检测仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种能对测量结果有效性进行监测的天然气浓度检测仪，包括单片机、温湿度测量模块和天然气浓度检测传感器；天然气浓度检测传感器为MQ‑4气体传感器，温湿度测量模块主要由SHT2X芯片构成；天然气浓度检测传感器的模拟信号输出端与所述模数转换模块的模拟信号输入端相连接；SHT2X芯片的串行数据端SDA通过第一电阻R1与单片机的输入输出口相连接，SHT2X芯片的串行时钟端SCL通过第二电阻R2与单片机的输入输出口相连接。本实用新型具有对测量环境的温度和湿度进行监测，从而精确判断测量结果有效性的优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种天然气浓度检测仪，具体是一种能够对检测环境的温湿度进行监测从而对天然气浓度测量结果的有效性实现判断的检测仪，属于检测与控制技术领域。
背景技术
天然气作为一种清洁能源已经得到广泛使用，但是天然气在使用过程中也存在一些安全隐患，特别是天然气泄漏导致的爆炸与火灾在各种安全事故中显得尤为突出。因此天然气浓度的检测在家用和工业领域都有广泛的需求。
目前广泛采用的天然气检测传感器有很多，其中MQ-4气体传感器是常见的一种，MQ-4气体传感器具有对天然气有较好的灵敏度、工作可靠性高、使用寿命长、响应恢复快速等特点。但是MQ-4气体传感器的测量有效性与测量环境的温度和湿度有关，测量环境的温度和湿度超过一定范围则测量结果为无效结果。然而现有技术中采用MQ-4气体传感器为检测传感器实现的天然气浓度测量仪器在使用时只能依靠使用者主观粗略地判断温度和湿度是否超过传感器的使用上限，因此存在不能对测量环境的温度和湿度进行监测，从而精确判断测量结果有效性的缺陷。
此外，MQ-4气体传感器还具有双路检测浓度信号输出特点(模拟量输出和TTL电平输出)，其中TTL电平输出端的检测灵敏度可以通过一只手动调整的电位器进行调节：顺时针调节灵敏度增高，逆时针调节灵敏度降低。因此现有技术中采用MQ-4气体传感器为检测传感器实现的天然气浓度测量仪还存在以下缺陷：手动调整电位器实现灵敏度调整导致灵敏度调整随机性大、精准性差，无法实现数字化调整。
实用新型内容
针对现有技术存在的上述不足，本实用新型的目的是怎样提供一种能对测量环境的温度和湿度进行监测，从而精确判断测量结果有效性的天然气浓度检测仪。
为了实现上述目的，本实用新型采用了以下的技术方案。
一种能对测量结果有效性进行监测的天然气浓度检测仪，其特征在于：包括单片机、温湿度测量模块和天然气浓度检测传感器；
所述天然气浓度检测传感器为MQ-4气体传感器，所述天然气浓度检测传感器具有模拟信号输出端；
所述温湿度测量模块主要由SHT2X芯片构成；
所述单片机内部设置有模数转换模块；
所述天然气浓度检测传感器的模拟信号输出端与所述模数转换模块的模拟信号输入端相连接；
所述SHT2X芯片的串行数据端SDA通过第一电阻R1与单片机的输入输出口相连接，所述SHT2X芯片的串行时钟端SCL通过第二电阻R2与单片机的输入输出口相连接，所述SHT2X芯片的电源端VCC通过第三电阻R3与单片机的输入输出口相连接。
进一步的，一种能对测量结果有效性进行监测的天然气浓度检测仪还包括运算放大器和电子电位器，所述运算放大器的负输入端与天然气浓度检测传感器的模拟信号输出端相连接；
所述电子电位器的高电位端与电源VDD相连接，电子电位器的低电位端接地，电子电位器的滑动端与所述运算放大器的正输入端相连接，电子电位器的受控端与单片机的输出口相连，所述运算放大器的正输入端还与单片机的输入口相连接；
所述运算放大器的输出端与单片机的输入口相连接。
更进一步的，所述单片机采用MSP430G2553芯片，所述电子电位器采用X9313芯片。
相比现有技术，本实用新型具有如下优点：
(1)本实用新型中采用SHT2X芯片为核心芯片同时实现了温度和湿度两种环境参数的测量(SHT2X芯片是Sensirion公司新一代高精度温湿度传感器，具有精度高、功耗低、稳定度好、体积小和数字输出的特点)，因此天然气浓度测量仪可以准确的对受测量环境温湿度所影响的天然气浓度测量结果有效性进行监测，从而避免了使用者主观判断环境温湿度所带来的测量误差与错误。此外，本实用新型只增设了一片芯片即实现了温湿度参数的检测与现有技术中通常会采用的互相独立的温度传感器模块和湿度传感器模块相比，本实用新型具有电路结构简单、成本低廉、调试容易的优点。
(2)本实用新型增设了灵敏度调整功能，电子电位器被设置为“调压器”，测量灵敏度可以通过电子电位器来实现调节，电子电位器的滑动端电位低则测量灵敏度高，也即是较小的天然气浓度检测传感器模拟信号输出端信号(对应较低的天然气浓度)也会导致运算放大器输出低电平，反之电位器的滑动端电位高则测量灵敏度低，并且因为电子电位器的滑动端电位是通过控制其受控端信号实现数字化调整的，所以本实用新型的灵敏度调整也就可以实现数字化，调整精准性强、可靠性高。此外运算放大器的正输入端还与单片机的输入口相连接，因此单片机可以通过内部模数转换模块将运算放大器的正输入端电压转换为数字量，从而计算出电压值，该电压值可以在液晶显示屏上显示，这使得灵敏度调整得以实现可视化和进一步的精确化。
附图说明
图1为本实用新型的电路结构图；
图2为增设测量灵敏度调整功能的天然气浓度测量仪电路结构图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。
一、电路结构
如图1所示，一种能对测量结果有效性进行监测的天然气浓度检测仪，包括单片机、温湿度测量模块和天然气浓度检测传感器。
天然气浓度检测传感器采用MQ-4气体传感器。MQ-4气体传感器具有对天然气有较好的灵敏度、并且工作可靠性高、使用寿命长、响应恢复快速。MQ-4气体传感器由5V直流电压供电，它具有一个模拟信号输出端，该模拟信号输出端输出0-5V电压，传感器所处环境天然气浓度越高则该信号电压越高。此外传感器还具有TTL电平输出端，该输出端的检测灵敏度可以通过一只手动调整的电位器进行调节：顺时针调节灵敏度增高，逆时针调节灵敏度降低，本实用新型中未使用该TTL电平输出端，此处不再赘述。
单片机采用普通单片机即可(例如MSP430G2553芯片)。
温湿度测量模块采用SHT2X芯片，它具有超小型的体积，特别适合移动测量设备。SHT2X芯片输出经过标定的数字信号，是标准的I2C总线格式，它内置放大器、A/D转换器、内存单元和数字处理单元，能同时检测温度和湿度。此外，SHT2X芯片的分辨率可以通过输入命令进行改变，SHT2X芯片可以检测到电池低电量状态，有极低功耗的节能模式，具有优异的长期稳定性。
具体电路连接关系是：为了实现天然气浓度检测传感器输出信号采集，天然气浓度检测传感器的模拟信号输出端与设置在单片机内部的模数转换模块的模拟信号输入端相连接。
为了实现温湿度测量采用如下电路连接关系：SHT2X芯片的串行数据端SDA通过第一电阻R1与单片机的IO相连接，SHT2X芯片的串行时钟端SCL通过第二电阻R2与单片机的IO相连接，SHT2X芯片的电源端VCC通过第三电阻R3与单片机的IO相连接。SHT2X芯片的电源端VCC和接地端GND之间设置有第一电容C1。SHT2X采用标准的I2C总线协议进行通信，其中，第一电阻R1和第二电阻R2是串行数据线和串行时钟线的上拉电阻。SHT2X芯片的电源端VCC通过第三电阻R3与单片机的IO，将单片机IO设置为强推挽，单片机输出电流可达20mA，而SHT2X的最大工作电流为330uA，IO高电平电压约为3V，这是SHT2X的推荐工作电压，因此从供电电压和供电电流两方面分析，用单片机的一个引脚能提供为SHT2X供电的可控电源，并能将SHT2X的静态电流减小到0。此外，SHT2X是一种混合信号IC，需要低噪声供电，通过单片机的引脚供电，易受单片机电源的数字噪声的影响，因此，要在单片机的供电引脚加一个RC滤波器，如图1所示，第三电阻R3和第一电容C1构成了一个RC滤波器。
本实用新型还增设了测量灵敏度数字化调整功能，相关电路结构如下：如图2所示，电路增设电子电位器和运算放大器两块芯片。其中电子电位器采用X9313芯片，该电子电位器具有如下引脚：“增加输入引脚”，“升降输入引脚”，“高电位端VH”，“低电位端VL”，“地端VSS”，“滑动端VW”和“片选输入端”，其中“增加输入引脚”，“升降输入引脚”和“片选输入端”为电子电位器的受控端。运算放大器的负输入端与天然气浓度检测传感器的模拟信号输出端相连接；电子电位器的高电位端与电源VCC相连接，电子电位器的低电位端接地，电子电位器的滑动端与运算放大器的正输入端相连接，电子电位器的受控端与单片机的输出口相连，运算放大器的正输入端还与单片机的输入口相连接；运算放大器的输出端与单片机的输入口相连接。
二、电路工作原理
(一)测量结果有效性监测的实现原理
本实用新型中SHT2X芯片采用标准的I2C总线协议进行通信，SHT2X芯片测量得到的温度和湿度数据直接以数字形式通过I2C总线传入单片机进行处理得到实际的温度和湿度数据，通常SDA数据线上的后两位(通常为第43和44位用来传输相关的状态信息，第43位表示测量的类型，“0”表示测量温度，“1”表示测量湿度)。
最终，SHT2X芯片串行数据端SDA输出数据经固定公式转换后可以得到实际的温度和湿度数据，例如采用公式T＝-46.85+175.72×(ST/216)就可以直接计算出实际的温度，其中ST是SHT2X芯片通过串行数据端SDA输出的相对温度数据。
单片机通过持续不断的采集测量环境的温湿度数据，并将其与MQ-4气体传感器的使用温度和使用湿度上下限数值进行比较即可准确的对受测量环境温湿度所影响的天然气浓度测量结果有效性进行监测。(MQ-4气体传感器的使用温度范围为：-10℃～50℃；相对湿度范围为：小于95％Rh，以上参数为该气体传感器传感器使用说明书的标称参数)。
此外测量灵敏度的数字化调整是这样实现的：电子电位器的连接构成了一个调压电路，调压电路的输出端为电子电位器的滑动端VW，由于电子电位器的高电位端与电源VCC相连接，电子电位器的低电位端接地，因此电子电位器的滑动端VW电压可在电源电压(5V)与地电压(0V)之间变化，调节精度由所选电子电位器的抽头数决定，本实用新型具体实施方式所举例的X9313芯片调节精度为0.6V(也可以选择其他调节精度电压更小的电子电位器芯片，电子电位器型号很多，这里不一一举例)。
具体工作时，增加输入引脚由下降沿触发，该引脚上出现的下降沿将使得滑动端VW朝内部计数器增加或减小的方向移动，升降输入引脚上的逻辑电平控制着电子电位器滑动端VW移动的方向；增加输入引脚和升降输入引脚的信号均由单片机提供，从而实现电子电位器的滑动端VW电压在5V与0V之间连续调节。
基于以上电子电位器的工作原理，天然气浓度检测传感器的输出信号(天然气浓度越高，该信号电压越大)得以和一个能够数字化变化的电压(电子电位器的滑动端VW电压)进行比较，当天然气浓度检测传感器的输出信号电压小于电子电位器的滑动端电压时，运算放大器输出端输出高电平，否则输出低电平，而单片机可以通过检测运算放大器输出端信号的高低电平来判断天然气浓度是否超标(检测到输出低电平则超标)，因此本实用新型的测量灵敏度可以通过电子电位器来实现调节，电子电位器的滑动端电位低则测量灵敏度高，也即是较小的天然气浓度检测传感器模拟信号输出端信号(对应较低的天然气浓度)也会导致运算放大器输出低电平，反之电位器的滑动端电位高则测量灵敏度低，并且因为电子电位器的滑动端电位是通过控制其受控端信号实现数字化调整的，所以本实用新型的灵敏度调整也就可以实现数字化，调整精准性强、可靠性高。需要说明的是在上述调整过程中，运算放大器构成一个电压比较模块，电子电位器的滑动端电压为电压比较模块的参考电位。
此外运算放大器的正输入端还与单片机的输入口相连接，因此单片机可以通过内部模数转换模块将运算放大器的正输入端电压转换为数字量，从而计算出电压值，该电压值可以在液晶显示屏上显示，这使得灵敏度调整得以实现可视化和进一步的精确化。单片机还可以通过与之连接的上位机来发送控制参数实现调压电路输出电压调整，或者如图2所示通过两个与单片机输入口相连接的按键来实调压电路输出电压调整(单片机接收到按键产生的电平后通过向电子电位器的受控端发送控制信号控制电子电位器的滑动端VW电压，当然按键按下的次数与电位器的滑动端VW电压被调整的值之间存在一个对应关系)。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
Claims (3)
1.一种能对测量结果有效性进行监测的天然气浓度检测仪，其特征在于：包括单片机、温湿度测量模块和天然气浓度检测传感器；
所述天然气浓度检测传感器为MQ-4气体传感器，所述天然气浓度检测传感器具有模拟信号输出端；
所述温湿度测量模块主要由SHT2X芯片构成；
所述单片机内部设置有模数转换模块；
所述天然气浓度检测传感器的模拟信号输出端与所述模数转换模块的模拟信号输入端相连接；
所述SHT2X芯片的串行数据端SDA通过第一电阻R1与单片机的输入输出口相连接，所述SHT2X芯片的串行时钟端SCL通过第二电阻R2与单片机的输入输出口相连接，所述SHT2X芯片的电源端VCC通过第三电阻R3与单片机的输入输出口相连接。
2.根据权利要求1所述的一种能对测量结果有效性进行监测的天然气浓度检测仪，其特征在于，还包括运算放大器和电子电位器，所述运算放大器的负输入端与天然气浓度检测传感器的模拟信号输出端相连接；
所述电子电位器的高电位端与电源VDD相连接，电子电位器的低电位端接地，电子电位器的滑动端与所述运算放大器的正输入端相连接，电子电位器的受控端与单片机的输出口相连，所述运算放大器的正输入端还与单片机的输入口相连接；
所述运算放大器的输出端与单片机的输入口相连接。
3.根据权利要求2所述的一种能对测量结果有效性进行监测的天然气浓度检测仪，其特征在于，所述单片机采用MSP430G2553芯片，所述电子电位器采用X9313芯片。
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| CN115836191A (zh) * | 2020-11-09 | 2023-03-21 | 爱德万测试公司 | 用于确定测量系统是否在有效状态下使用的方法、用于支持确定测量系统是否在有效状态下使用的方法、被配置为执行这些方法的测量系统以及用于执行这些方法的计算机程序 |
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