一種能對測量結(jié)果有效性進(jìn)行監(jiān)測的天然氣濃度檢測儀的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種能對測量結(jié)果有效性進(jìn)行監(jiān)測的天然氣濃度檢測儀，包括單片機(jī)、溫濕度測量模塊和天然氣濃度檢測傳感器；天然氣濃度檢測傳感器為MQ?4氣體傳感器，溫濕度測量模塊主要由SHT2X芯片構(gòu)成；天然氣濃度檢測傳感器的模擬信號輸出端與所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的模擬信號輸入端相連接；SHT2X芯片的串行數(shù)據(jù)端SDA通過第一電阻R1與單片機(jī)的輸入輸出口相連接，SHT2X芯片的串行時鐘端SCL通過第二電阻R2與單片機(jī)的輸入輸出口相連接。本實用新型具有對測量環(huán)境的溫度和濕度進(jìn)行監(jiān)測，從而精確判斷測量結(jié)果有效性的優(yōu)點。
【專利說明】
-種能對測量結(jié)果有效性進(jìn)行監(jiān)測的天然氣濃度檢測儀
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實用新型設(shè)及一種天然氣濃度檢測儀，具體是一種能夠?qū)z測環(huán)境的溫濕度進(jìn) 行監(jiān)測從而對天然氣濃度測量結(jié)果的有效性實現(xiàn)判斷的檢測儀，屬于檢測與控制技術(shù)領(lǐng) 域。
【背景技術(shù)】
[0002] 天然氣作為一種清潔能源已經(jīng)得到廣泛使用，但是天然氣在使用過程中也存在一 些安全隱患，特別是天然氣泄漏導(dǎo)致的爆炸與火災(zāi)在各種安全事故中顯得尤為突出。因此 天然氣濃度的檢測在家用和工業(yè)領(lǐng)域都有廣泛的需求。
[0003] 目前廣泛采用的天然氣檢測傳感器有很多，其中MQ-4氣體傳感器是常見的一種， MQ-4氣體傳感器具有對天然氣有較好的靈敏度、工作可靠性高、使用壽命長、響應(yīng)恢復(fù)快速 等特點。但是MQ-4氣體傳感器的測量有效性與測量環(huán)境的溫度和濕度有關(guān)，測量環(huán)境的溫 度和濕度超過一定范圍則測量結(jié)果為無效結(jié)果。然而現(xiàn)有技術(shù)中采用MQ-4氣體傳感器為檢 測傳感器實現(xiàn)的天然氣濃度測量儀器在使用時只能依靠使用者主觀粗略地判斷溫度和濕 度是否超過傳感器的使用上限，因此存在不能對測量環(huán)境的溫度和濕度進(jìn)行監(jiān)測，從而精 確判斷測量結(jié)果有效性的缺陷。
[0004] 此外，MQ-4氣體傳感器還具有雙路檢測濃度信號輸出特點（模擬量輸出和TTL電平 輸出），其中TTL電平輸出端的檢測靈敏度可W通過一只手動調(diào)整的電位器進(jìn)行調(diào)節(jié):順時 針調(diào)節(jié)靈敏度增高，逆時針調(diào)節(jié)靈敏度降低。因此現(xiàn)有技術(shù)中采用MQ-4氣體傳感器為檢測 傳感器實現(xiàn)的天然氣濃度測量儀還存在W下缺陷:手動調(diào)整電位器實現(xiàn)靈敏度調(diào)整導(dǎo)致靈 敏度調(diào)整隨機(jī)性大、精準(zhǔn)性差，無法實現(xiàn)數(shù)字化調(diào)整。 【實用新型內(nèi)容】
[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本實用新型的目的是怎樣提供一種能對測量環(huán)境 的溫度和濕度進(jìn)行監(jiān)測，從而精確判斷測量結(jié)果有效性的天然氣濃度檢測儀。
[0006] 為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用了 W下的技術(shù)方案。
[0007] -種能對測量結(jié)果有效性進(jìn)行監(jiān)測的天然氣濃度檢測儀，其特征在于:包括單片 機(jī)、溫濕度測量模塊和天然氣濃度檢測傳感器；
[000引所述天然氣濃度檢測傳感器為MQ-4氣體傳感器，所述天然氣濃度檢測傳感器具有 模擬信號輸出端；
[0009] 所述溫濕度測量模塊主要由SHT2X忍片構(gòu)成；
[0010] 所述單片機(jī)內(nèi)部設(shè)置有模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊；
[0011] 所述天然氣濃度檢測傳感器的模擬信號輸出端與所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的模擬信號 輸入端相連接；
[0012] 所述SHT2X忍片的串行數(shù)據(jù)端SDA通過第一電阻R1與單片機(jī)的輸入輸出口相連接， 所述SHT^忍片的串行時鐘端SCL通過第二電阻R2與單片機(jī)的輸入輸出口相連接，所述 SHT2X忍片的電源端VCC通過第Ξ電阻R3與單片機(jī)的輸入輸出口相連接。
[0013] 進(jìn)一步的，一種能對測量結(jié)果有效性進(jìn)行監(jiān)測的天然氣濃度檢測儀還包括運(yùn)算放 大器和電子電位器，所述運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端與天然氣濃度檢測傳感器的模擬信號輸出 端相連接；
[0014] 所述電子電位器的高電位端與電源VDD相連接，電子電位器的低電位端接地，電子 電位器的滑動端與所述運(yùn)算放大器的正輸入端相連接，電子電位器的受控端與單片機(jī)的輸 出口相連，所述運(yùn)算放大器的正輸入端還與單片機(jī)的輸入口相連接；
[0015] 所述運(yùn)算放大器的輸出端與單片機(jī)的輸入口相連接。
[0016] 更進(jìn)一步的，所述單片機(jī)采用MSP430G2553忍片，所述電子電位器采用Χ9313忍片。
[0017] 相比現(xiàn)有技術(shù)，本實用新型具有如下優(yōu)點：
[0018] (1)本實用新型中采用細(xì)(忍片為核屯、忍片同時實現(xiàn)了溫度和濕度兩種環(huán)境參 數(shù)的測量(SHT2X忍片是Sensirion公司新一代高精度溫濕度傳感器，具有精度高、功耗低、 穩(wěn)定度好、體積小和數(shù)字輸出的特點），因此天然氣濃度測量儀可W準(zhǔn)確的對受測量環(huán)境溫 濕度所影響的天然氣濃度測量結(jié)果有效性進(jìn)行監(jiān)測，從而避免了使用者主觀判斷環(huán)境溫濕 度所帶來的測量誤差與錯誤。此外，本實用新型只增設(shè)了一片忍片即實現(xiàn)了溫濕度參數(shù)的 檢測與現(xiàn)有技術(shù)中通常會采用的互相獨立的溫度傳感器模塊和濕度傳感器模塊相比，本實 用新型具有電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、調(diào)試容易的優(yōu)點。
[0019] (2)本實用新型增設(shè)了靈敏度調(diào)整功能，電子電位器被設(shè)置為"調(diào)壓器"，測量靈敏 度可W通過電子電位器來實現(xiàn)調(diào)節(jié)，電子電位器的滑動端電位低則測量靈敏度高，也即是 較小的天然氣濃度檢測傳感器模擬信號輸出端信號(對應(yīng)較低的天然氣濃度)也會導(dǎo)致運(yùn) 算放大器輸出低電平，反之電位器的滑動端電位高則測量靈敏度低，并且因為電子電位器 的滑動端電位是通過控制其受控端信號實現(xiàn)數(shù)字化調(diào)整的，所W本實用新型的靈敏度調(diào)整 也就可W實現(xiàn)數(shù)字化，調(diào)整精準(zhǔn)性強(qiáng)、可靠性高。此外運(yùn)算放大器的正輸入端還與單片機(jī)的 輸入口相連接，因此單片機(jī)可W通過內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將運(yùn)算放大器的正輸入端電壓轉(zhuǎn)換 為數(shù)字量，從而計算出電壓值，該電壓值可W在液晶顯示屏上顯示，運(yùn)使得靈敏度調(diào)整得W 實現(xiàn)可視化和進(jìn)一步的精確化。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本實用新型的電路結(jié)構(gòu)圖；
[0021 ]圖2為增設(shè)測量靈敏度調(diào)整功能的天然氣濃度測量儀電路結(jié)構(gòu)圖；
【具體實施方式】
[0022] 下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本實用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0023] -、電路結(jié)構(gòu)
[0024] 如圖1所示，一種能對測量結(jié)果有效性進(jìn)行監(jiān)測的天然氣濃度檢測儀，包括單片 機(jī)、溫濕度測量模塊和天然氣濃度檢測傳感器。
[0025] 天然氣濃度檢測傳感器采用MQ-4氣體傳感器。MQ-4氣體傳感器具有對天然氣有較 好的靈敏度、并且工作可靠性高、使用壽命長、響應(yīng)恢復(fù)快速。MQ-4氣體傳感器由5V直流電 壓供電，它具有一個模擬信號輸出端，該模擬信號輸出端輸出0-5V電壓，傳感器所處環(huán)境天 然氣濃度越高則該信號電壓越高。此外傳感器還具有TTL電平輸出端，該輸出端的檢測靈敏 度可W通過一只手動調(diào)整的電位器進(jìn)行調(diào)節(jié):順時針調(diào)節(jié)靈敏度增高，逆時針調(diào)節(jié)靈敏度 降低，本實用新型中未使用該TTL電平輸出端，此處不再寶述。
[0026] 單片機(jī)采用普通單片機(jī)即可(例如MSP430G2553忍片）。
[0027] 溫濕度測量模塊采用甜了^(忍片，它具有超小型的體積，特別適合移動測量設(shè)備。 SHT2X忍片輸出經(jīng)過標(biāo)定的數(shù)字信號，是標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線格式，它內(nèi)置放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、內(nèi) 存單元和數(shù)字處理單元，能同時檢測溫度和濕度。此外，SHT2X忍片的分辨率可W通過輸入 命令進(jìn)行改變，SHT2X忍片可W檢測到電池低電量狀態(tài)，有極低功耗的節(jié)能模式，具有優(yōu)異 的長期穩(wěn)定性。
[0028] 具體電路連接關(guān)系是:為了實現(xiàn)天然氣濃度檢測傳感器輸出信號采集，天然氣濃 度檢測傳感器的模擬信號輸出端與設(shè)置在單片機(jī)內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的模擬信號輸入端 相連接。
[0029] 為了實現(xiàn)溫濕度測量采用如下電路連接關(guān)系：SHT2X忍片的串行數(shù)據(jù)端SDA通過第 一電阻R1與單片機(jī)的10相連接，SHT2X忍片的串行時鐘端SCL通過第二電阻R2與單片機(jī)的10 相連接，SHT2X忍片的電源端VCC通過第Ξ電阻R3與單片機(jī)的10相連接。甜T2X忍片的電源端 VCC和接地端GND之間設(shè)置有第一電容C1。SHT2X采用標(biāo)準(zhǔn)的12C總線協(xié)議進(jìn)行通信，其中，第 一電阻R1和第二電阻R2是串行數(shù)據(jù)線和串行時鐘線的上拉電阻。甜T2X忍片的電源端VCC通 過第Ξ電阻R3與單片機(jī)的10,將單片機(jī)10設(shè)置為強(qiáng)推挽，單片機(jī)輸出電流可達(dá)20mA，而 SHT2X的最大工作電流為330uA，I0高電平電壓約為3V，運(yùn)是甜T2X的推薦工作電壓，因此從 供電電壓和供電電流兩方面分析，用單片機(jī)的一個引腳能提供為SHT2X供電的可控電源，并 能將SHT2X的靜態(tài)電流減小到0。此外，SHT2X是一種混合信號1C，需要低噪聲供電，通過單片 機(jī)的引腳供電，易受單片機(jī)電源的數(shù)字噪聲的影響，因此，要在單片機(jī)的供電引腳加一個RC 濾波器，如圖1所示，第Ξ電阻R3和第一電容C1構(gòu)成了一個RC濾波器。
[0030] 本實用新型還增設(shè)了測量靈敏度數(shù)字化調(diào)整功能，相關(guān)電路結(jié)構(gòu)如下：如圖2所 示，電路增設(shè)電子電位器和運(yùn)算放大器兩塊忍片。其中電子電位器采用X9313忍片，該電子 電位器具有如下引腳："增加輸入引腳瓦萬開降輸入引腳麗"，"高電位端VH"，"低電位 端VL"，"地端VSS"，"滑動端VW"和％選輸入端孩"，其中"增加輸入引腳瓦它V開降輸入引 腳反及'和"片選輸入端這"為電子電位器的受控端。運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端與天然氣濃度 檢測傳感器的模擬信號輸出端相連接;電子電位器的高電位端與電源VCC相連接，電子電位 器的低電位端接地，電子電位器的滑動端與運(yùn)算放大器的正輸入端相連接，電子電位器的 受控端與單片機(jī)的輸出口相連，運(yùn)算放大器的正輸入端還與單片機(jī)的輸入口相連接;運(yùn)算 放大器的輸出端與單片機(jī)的輸入口相連接。
[0031] 二、電路工作原理
[0032] (一)測量結(jié)果有效性監(jiān)測的實現(xiàn)原理
[0033] 本實用新型中細(xì)T2X忍片采用標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線協(xié)議進(jìn)行通信，SHT2X忍片測量得到 的溫度和濕度數(shù)據(jù)直接W數(shù)字形式通過I2C總線傳入單片機(jī)進(jìn)行處理得到實際的溫度和濕 度數(shù)據(jù)，通常SDA數(shù)據(jù)線上的后兩位(通常為第43和44位用來傳輸相關(guān)的狀態(tài)信息，第43位 表示測量的類型，"0"表示測量溫度，"Γ表示測量濕度）。
[0034] 最終，SHT2X忍片串行數(shù)據(jù)端SDA輸出數(shù)據(jù)經(jīng)固定公式轉(zhuǎn)換后可W得到實際的溫度 和濕度數(shù)據(jù)，例如采用公式τ =-46.85+175.72 X (ST/216)就可w直接計算出實際的溫度， 其中ST是SHT2X忍片通過串行數(shù)據(jù)端SDA輸出的相對溫度數(shù)據(jù)。
[0035] 單片機(jī)通過持續(xù)不斷的采集測量環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)，并將其與MQ-4氣體傳感器的 使用溫度和使用濕度上下限數(shù)值進(jìn)行比較即可準(zhǔn)確的對受測量環(huán)境溫濕度所影響的天然 氣濃度測量結(jié)果有效性進(jìn)行監(jiān)測。(MQ-4氣體傳感器的使用溫度范圍為:-10°C~50°C ;相對 濕度范圍為:小于95%化，W上參數(shù)為該氣體傳感器傳感器使用說明書的標(biāo)稱參數(shù)）。
[0036] 此外測量靈敏度的數(shù)字化調(diào)整是運(yùn)樣實現(xiàn)的：電子電位器的連接構(gòu)成了一個調(diào)壓 電路，調(diào)壓電路的輸出端為電子電位器的滑動端VW，由于電子電位器的高電位端與電源VCC 相連接，電子電位器的低電位端接地，因此電子電位器的滑動端VW電壓可在電源電壓（5V) 與地電壓(0V)之間變化，調(diào)節(jié)精度由所選電子電位器的抽頭數(shù)決定，本實用新型具體實施 方式所舉例的X9313忍片調(diào)節(jié)精度為0.6V(也可W選擇其他調(diào)節(jié)精度電壓更小的電子電位 器忍片，電子電位器型號很多，運(yùn)里不一一舉例）。
[0037] 具體工作時，增加輸入引腳方萬由下降沿觸發(fā)，該引腳上出現(xiàn)的下降沿將使得滑 動端VW朝內(nèi)部計數(shù)器增加或減小的方向移動，升降輸入引腳石5上的邏輯電平控制著電子 電位器滑動端VW移動的方向；增加輸入引腳瓦它和升降輸入引腳乙面的信號均由單片機(jī)提 供，從而實現(xiàn)電子電位器的滑動端VW電壓在5V與0V之間連續(xù)調(diào)節(jié)。
[0038] 基于W上電子電位器的工作原理，天然氣濃度檢測傳感器的輸出信號（天然氣濃 度越高，該信號電壓越大）得W和一個能夠數(shù)字化變化的電壓（電子電位器的滑動端VW電 壓)進(jìn)行比較，當(dāng)天然氣濃度檢測傳感器的輸出信號電壓小于電子電位器的滑動端電壓時， 運(yùn)算放大器輸出端輸出高電平，否則輸出低電平，而單片機(jī)可W通過檢測運(yùn)算放大器輸出 端信號的高低電平來判斷天然氣濃度是否超標(biāo)(檢測到輸出低電平則超標(biāo)），因此本實用新 型的測量靈敏度可W通過電子電位器來實現(xiàn)調(diào)節(jié)，電子電位器的滑動端電位低則測量靈敏 度高，也即是較小的天然氣濃度檢測傳感器模擬信號輸出端信號(對應(yīng)較低的天然氣濃度） 也會導(dǎo)致運(yùn)算放大器輸出低電平，反之電位器的滑動端電位高則測量靈敏度低，并且因為 電子電位器的滑動端電位是通過控制其受控端信號實現(xiàn)數(shù)字化調(diào)整的，所W本實用新型的 靈敏度調(diào)整也就可W實現(xiàn)數(shù)字化，調(diào)整精準(zhǔn)性強(qiáng)、可靠性高。需要說明的是在上述調(diào)整過程 中，運(yùn)算放大器構(gòu)成一個電壓比較模塊，電子電位器的滑動端電壓為電壓比較模塊的參考 電位。
[0039] 此外運(yùn)算放大器的正輸入端還與單片機(jī)的輸入口相連接，因此單片機(jī)可W通過內(nèi) 部模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將運(yùn)算放大器的正輸入端電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，從而計算出電壓值，該電壓 值可W在液晶顯示屏上顯示，運(yùn)使得靈敏度調(diào)整得W實現(xiàn)可視化和進(jìn)一步的精確化。單片 機(jī)還可W通過與之連接的上位機(jī)來發(fā)送控制參數(shù)實現(xiàn)調(diào)壓電路輸出電壓調(diào)整，或者如圖2 所示通過兩個與單片機(jī)輸入口相連接的按鍵來實調(diào)壓電路輸出電壓調(diào)整(單片機(jī)接收到按 鍵產(chǎn)生的電平后通過向電子電位器的受控端發(fā)送控制信號控制電子電位器的滑動端VW電 壓，當(dāng)然按鍵按下的次數(shù)與電位器的滑動端VW電壓被調(diào)整的值之間存在一個對應(yīng)關(guān)系）。
[0040] 最后說明的是，W上實施例僅用W說明本實用新型的技術(shù)方案而非限制，盡管參 照較佳實施例對本實用新型進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可W對本 實用新型的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本實用新型技術(shù)方案的宗旨和范 圍，其均應(yīng)涵蓋在本實用新型的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【主權(quán)項】
1. 一種能對測量結(jié)果有效性進(jìn)行監(jiān)測的天然氣濃度檢測儀，其特征在于:包括單片機(jī)、 溫濕度測量模塊和天然氣濃度檢測傳感器； 所述天然氣濃度檢測傳感器為MQ-4氣體傳感器，所述天然氣濃度檢測傳感器具有模擬 信號輸出端； 所述溫濕度測量模塊主要由SHT2X芯片構(gòu)成； 所述單片機(jī)內(nèi)部設(shè)置有模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊； 所述天然氣濃度檢測傳感器的模擬信號輸出端與所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的模擬信號輸入 端相連接； 所述SHT2X芯片的串行數(shù)據(jù)端SDA通過第一電阻Rl與單片機(jī)的輸入輸出口相連接，所述 SHT2X芯片的串行時鐘端SCL通過第二電阻R2與單片機(jī)的輸入輸出口相連接，所述SHT2X芯 片的電源端VCC通過第三電阻R3與單片機(jī)的輸入輸出口相連接。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種能對測量結(jié)果有效性進(jìn)行監(jiān)測的天然氣濃度檢測儀，其 特征在于，還包括運(yùn)算放大器和電子電位器，所述運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端與天然氣濃度檢 測傳感器的模擬信號輸出端相連接； 所述電子電位器的高電位端與電源VDD相連接，電子電位器的低電位端接地，電子電位 器的滑動端與所述運(yùn)算放大器的正輸入端相連接，電子電位器的受控端與單片機(jī)的輸出口 相連，所述運(yùn)算放大器的正輸入端還與單片機(jī)的輸入口相連接； 所述運(yùn)算放大器的輸出端與單片機(jī)的輸入口相連接。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種能對測量結(jié)果有效性進(jìn)行監(jiān)測的天然氣濃度檢測儀，其 特征在于，所述單片機(jī)采用MSP430G2553芯片，所述電子電位器采用X9313芯片。
【文檔編號】G01N27/00GK205484165SQ201620320322
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月8日
【發(fā)明人】趙娟
【申請人】重慶凱源石油天然氣有限責(zé)任公司