Detector de contenido de alcohol (desarrollo de detector inalámbrico de concentración de alcohol)
1 Esquema general del sistema
El detector de concentración de alcohol consta de un transmisor y un receptor, y su diagrama de bloques funcional se muestra en la Figura 1 y la Figura 2 respectivamente. El transmisor incluye principalmente seis partes: sensor de concentración de alcohol y circuito de conversión A/D, microcontrolador STC90C52RC, ajuste de umbral de concentración y circuito de alarma sonora, circuito de transmisión de voz, circuito de pantalla de cristal líquido y circuito transceptor inalámbrico. El receptor consta de un circuito transceptor inalámbrico, un microcontrolador STC90C52RC, un circuito de comunicación de interfaz de datos y una computadora host.
2 Diseño del circuito del hardware del sistema
2.1 Circuito del sensor y circuito de conversión A/D
TGS2620 es un sensor de gas semiconductor producido por la empresa japonesa FIGARO, que puede detectar concentración de alcohol en gases. Tiene las características de alta sensibilidad, bajo consumo de energía, larga vida útil y bajo costo [5-6]. La conexión del circuito se muestra en la Figura 3, donde RH es la resistencia del calentador, que es 83 ± 8ω a temperatura ambiente; RS es la resistencia del sensor, y la relación matemática entre su resistencia y la concentración de gas reductor es la siguiente:
Al detectar VRL, se puede determinar la concentración de gas C.
El amplificador operacional OP07 en el circuito está conectado en forma de seguidor de voltaje para aislar el sensor del circuito posterior y reducir el impacto de las fluctuaciones de la fuente de alimentación y los factores externos en los datos muestreados. ICL7660 es un convertidor de potencia con inversión de polaridad de baja potencia producido por MAXIM Company. Se utiliza para convertir una fuente de alimentación de 5 V en una fuente de alimentación de -5 V para uso OP07. Entre ellos, CC2 utiliza un condensador de tantalio de 10 μF, que tiene pequeñas fugas y bajas pérdidas dieléctricas, lo que mejora la eficiencia de conversión de energía. TLC1549 es un chip ADC de aproximación sucesiva con resolución de 10 bits producido por TI. Tiene funciones como muestreo y retención automáticos, calibración de rango proporcional y rango de conversión e interferencia antiruido. El error total máximo en la escala completa es de solo 1 LSB.
2.2 Pantalla de cristal líquido, ajuste de umbral y circuito de alarma sonora
El módulo LCD de 16×2 caracteres DM-162 muestra el umbral de alarma y el valor de concentración de alcohol. Para reducir el número de puertos de E/S y simplificar la estructura del circuito, se utiliza control indirecto (bus de datos de 4 bits). El circuito de interfaz se muestra en la parte superior de la Figura 4. Durante la inicialización, se debe escribir un código de instrucción 28H para convertir el bus de 8 bits al modo de interfaz de datos de 4 bits. Los pines BLA, BLK y VL son los terminales positivo, negativo y de ajuste de contraste de la pantalla de la retroiluminación de cristal líquido, respectivamente. RS y E son el terminal de selección de registro, la línea de señal de lectura/escritura y el terminal de habilitación, respectivamente.
El ajuste del umbral de concentración de alcohol y el circuito de alarma sonora se muestran en la parte inferior de la Figura 4. Cuando se presiona la tecla de configuración S1, se ingresa a la interfaz de configuración del umbral (el umbral inicial es 500 ppm) y luego se presiona la tecla S2 o S3 para aumentar o disminuir el umbral con un tamaño de paso de 20 ppm. Una vez establecido el umbral, escriba las direcciones 2000H y 2001H del primer sector de la EEPROM de 5 KB en el microcontrolador STC90C52RC, para que no sea necesario reiniciar el sistema.
Si el valor de concentración de alcohol es mayor que el umbral, configure la línea del puerto P0.7 en un nivel bajo y el transistor 8550 activa el zumbador para activar la alarma.
2.3 Circuito de transmisión de voz
Utilice el chip integrado de grabación y reproducción de voz ISD2560 de Winbond para reproducir el valor de concentración de alcohol. El circuito se muestra en la Figura 5. El micrófono está conectado diferencialmente al terminal MIC y al terminal MIC REF del preamplificador en chip para eliminar el ruido y mejorar la relación de rechazo del modo de entrada. Los altavoces están conectados en forma de salida de doble extremo y la potencia de salida es 4 veces mayor que la del uso de un solo extremo. Las líneas del puerto P2, el puerto P3.0 y el puerto P3.1 del microcontrolador están conectadas a las líneas de dirección A0 ~ A9 respectivamente, que se utilizan para configurar la dirección inicial del segmento de voz almacenado en la EEPROM de 480 KB del chip ISD2560. (la dirección es 0H~257H). Tanto las funciones de grabación como de reproducción comienzan desde esta dirección inicial, y la dirección del segmento de información aumenta automáticamente durante la grabación. La información de voz que este sistema necesita ingresar en ISD2560 incluye: el valor actual de concentración de alcohol es "cero", "uno", "dos", "tres", "cuatro", "cinco", "seis", "siete". , "Ocho", "nueve", "diez", "cien". Dado que el tiempo de grabación y reproducción de voz del ISD2560 es de 60 s, basado en 3 caracteres chinos por segundo, se pueden grabar y reproducir 180 caracteres chinos, lo que cumple con los requisitos de transmisión. Además, el modo de trabajo [7-8] (dirección: 300H~3FFH) del ISD2560 se puede configurar a través de los puertos P3.0, P3.1, P2.0~P2.6. Los puertos P3.4~P3.6 se utilizan para controlar la selección de chip, el cambio de chip y la selección del modo de grabación/reproducción respectivamente. El puerto P3.2 se utiliza para determinar si el espacio de almacenamiento del chip está lleno o si el almacenamiento de información se ha desbordado. Debido a que los marcadores se insertan automáticamente al final de cada segmento de información durante la grabación, cuando la reproducción encuentra un marcador, se produce un pulso negativo de aproximadamente 12,5 ms de ancho. Antes de reproducir otra grabación, utilice el puerto P3.3 para detectar el flanco ascendente de este pulso para evitar la reproducción de voz discontinua.
2.4 Circuito transceptor inalámbrico
El sistema utiliza el chip transceptor inalámbrico de un solo chip nRF24L01 producido por NORDIC Company que funciona en la banda de frecuencia ISM de 2,4 ~ 2,483 5 GHz para completar el envío y recepción de datos inalámbricos. La velocidad de transmisión máxima de nRF24L01 es 2 Mb/s y el circuito se muestra en la Figura 6. El chip regulador de voltaje LM1117-3.3 V convierte el voltaje de entrada de 5 V en 3,3 V para alimentar el nRF24L01. La interfaz entre nRF24L01 y MCU es un SPI de cuatro cables. Los pines CSN, SCK, MOSI y MISO son la línea de habilitación de selección de chip, la línea de reloj, la línea de entrada de datos y la línea de salida de datos de SPI, respectivamente. IRQ es una línea de señal de interrupción (nivel bajo activo) conectada al pin de interrupción externo del microcontrolador. El microcontrolador se comunica principalmente con nRF24L01 a través de esta línea de interfaz para determinar si se completa la recepción y transmisión de datos. CE es la línea de selección de modo RX/TX del chip. IREF es el terminal de entrada de corriente de referencia y está conectado a tierra a través de una resistencia de 22kΩ. Los pines ANT1 y ANT2 proporcionan una salida de RF balanceada a la antena y se obtiene una salida de impedancia de un solo extremo de 50 Ω a través de un circuito de adaptación de red de RF simple. Los circuitos de adaptación de red evitan armónicos en el modo de transmisión y suprimen las fugas del oscilador local en el modo de recepción. El pin VDD_PA genera un voltaje de 1,8 V para alimentar el amplificador de potencia en el chip.
2.5 Circuito de comunicación de interfaz de datos
La comunicación entre la computadora receptora y el microcontrolador se completa mediante el circuito integrado de interfaz USB serie CH340T, como se muestra en la Figura 7. CH340T admite comunicación USB1.1 o USB2.0/USB3.0, tiene una interfaz de emulación, puede actualizar dispositivos serie periféricos, admite señales de contacto MÓDEM comunes, admite comunicación infrarroja SIR estándar IRDA y proporciona interfaz RS23RS48RS422 y otras funciones.
CH340T tiene un búfer de transceptor independiente incorporado y admite comunicación en serie asíncrona simplex, semidúplex y dúplex completo. La velocidad en baudios de comunicación es de 50 b/s ~ 2 MB/s. En la Figura 7, el pin de transmisión del chip CH340T. TXD está conectado de manera inversa a un diodo 1N4001 para evitar que este pin inyecte corriente en el microcontrolador; se agrega una resistencia limitadora de corriente de 300 ω al pin receptor RXD para evitar que el microcontrolador inyecte corriente en el CH340T, evitando así otro chip que no lo haga; necesita suministro de energía La corriente regresa y continúa funcionando.
3 Diseño del software del sistema
3.1 Diseño del software de la computadora esclava
El desarrollo del programa y la depuración de la computadora esclava se llevan a cabo en el entorno de desarrollo integrado de Keil μVision4, incluido el lanzamiento Diseño de software de computadora y receptor.
3.1.1 Diseño de software del transmisor
El flujo de software del transmisor se muestra en la Figura 8. Después de encender el microcontrolador, el sistema se inicializa y completa la configuración inicial de las variables internas del sistema del microcontrolador y de los dispositivos externos como TLC154DM-16ISD2560 y nRF24L01. Luego espere unos 5 minutos para precalentar el sensor TGS2620 para garantizar el funcionamiento normal del sensor después de que se inicialice el programa, el sistema ingresa al estado de monitoreo; Si se presiona la tecla de configuración del umbral de alarma, se ingresa al modo de configuración del límite de alarma; si se presiona la tecla de grabación, se ingresa al modo de grabación, luego se inicia la conversión A/D para obtener los datos de muestreo y la medición se obtiene después del filtrado; , conversión de escala y corrección de errores del sistema. Compare este valor con el umbral de alarma. Si el resultado es "mayor que" o "igual a", se iniciará el programa de sonido del timbre para indicar que la concentración de alcohol excede el estándar y luego se mostrará el valor; el módulo LCD DM-162 en tiempo real, finalmente, determine si se presiona el botón de reproducción; Si se presiona, la dirección de almacenamiento de la información de voz correspondiente se busca en ISD2560 de acuerdo con el valor de concentración de alcohol y comienza a reproducirse después de la reproducción, el valor se envía al receptor por el remitente nRF24L01. Después del envío, se recopila, muestra y envía una nueva ronda de datos de concentración de alcohol.
El software del transmisor utiliza el método de filtrado promedio de interferencia anti-pulso [9] para preprocesar los datos de muestreo A/D. El principio es: muestrear continuamente K veces, luego comparar los K datos muestreados, eliminar los valores máximo y mínimo y calcular la media aritmética de los datos K-2 restantes como el valor de muestra efectivo. Este método combina las ventajas del método de filtrado de mediana y el método de filtrado de promedio aritmético, que no solo puede eliminar la interferencia pulsante, sino también la desviación del valor de muestreo causada por la interferencia de pulso esporádica. Para acelerar el cálculo, K=10 al diseñar el filtro digital.
Para mejorar el rendimiento en tiempo real del sistema, el software utiliza el método de interpolación lineal por partes [10-11] para la transformación de escala. El proceso es el siguiente: (1) Según la curva de calibración del sensor TGS2620, divida la curva en segmentos no equidistantes (cuando el cambio de curvatura es grande (ligero), cuando el espacio entre los puntos de muestreo es pequeño (grande)), seleccionar las coordenadas de cada segmento (VRLi, Ci)(I = 0, 1,...,m), donde: (2) Calcular la pendiente de la recta ajustada entre puntos de muestreo adyacentes Ki =(ci 1-ci) /(vrli 1-vrli)(I = 0, 1, ..., m-1); (3) Almacenar M conjuntos de datos de coordenadas (VRLi, Ci) y la pendiente ki correspondiente en el segundo sector del chip EEPROM (dirección: 2200H~23FFH) (4) Cada adquisición Para un valor de voltaje VRL, consulte la tabla EEPROM para averiguar el intervalo (VRLi, Ci) ~ (VRLi 1, Ci 1) donde se encuentra VRL, saque el intervalo (VRLi, Ci) y los datos ki, y utilice el cálculo de la fórmula de interpolación lineal C=Ci ki(VRL -VRLi).
Sustituya los n datos de muestra recopilados (xi, Yi) en la ecuación (5) para obtener los valores de los coeficientes A y B, y guárdelos en la unidad de almacenamiento del microcontrolador. En la medición del sistema, el valor de medición de concentración de alcohol convertido
3.1.2 Diseño del software del receptor
El flujo de software de la MCU del receptor se muestra en la Figura 9.
Después de encender el receptor, el programa inicializa el nRF24L01 y el puerto serie, y luego ingresa a la escena de monitoreo. Cuando el nRF24L01 recibe un cuadro completo de datos de concentración de alcohol, lo envía inmediatamente a la computadora host a través del puerto serie. La interacción de datos entre el microcontrolador del extremo receptor y la PC adopta un modo de comunicación asíncrona. Velocidad de baudios independiente, las configuraciones del protocolo del puerto serie son: velocidad de baudios 9 600 b/s, 8 bits de datos, 1 bit de parada, sin bit de paridad.
3.2 Diseño del software del ordenador anfitrión
La interfaz de usuario del ordenador anfitrión se desarrolla utilizando el lenguaje de programación común basado en objetos Microsoft Visual Basic 6.0, que realiza la recepción, visualización y almacenamiento de la concentración de alcohol. datos. El software utiliza el control de comunicación serie MSComm. El control MSComm es un control ActiveX proporcionado por Microsoft para la programación de comunicación serie en Windows. La comunicación en serie se puede lograr fácilmente programando las propiedades y eventos de este control. El protocolo de comunicación en serie es exactamente el mismo que en el extremo receptor. El flujo del programa del software del ordenador host se muestra en la Figura 10.
Prueba del sistema 4
Para probar el rendimiento de medición de este sistema, utilice alcohol absoluto y agua purificada para preparar una solución de alcohol estándar en una determinada proporción de volumen. Los resultados de la prueba son. se muestra en la Tabla 1. En la fórmula: la unidad ppm=μg/mL representa el contenido de alcohol en 1 ml de solución alcohólica. Se puede ver en los resultados de la medición que los datos de la prueba cubren el rango del sensor y el error relativo máximo de la prueba es inferior a 2, lo que es mejor que productos de diseño similar [3-5].
Para obtener la máxima distancia de comunicación libre de errores entre el transmisor y el receptor del instrumento, se realizó un experimento de prueba al aire libre para probar el cambio de la tasa de error de bits (intervalo crítico) del nRF24L01 con distancia. Los resultados se muestran en la Tabla 2. Entre ellos, la tasa de error por metro es el promedio calculado después de 10 pruebas. Se puede ver que la distancia de transmisión de nRF24L01 puede alcanzar los 100 m, que es ligeramente mayor que las tecnologías de comunicación inalámbrica RFID, ZIGBEE y Bluetooth [12].
5 Principales indicadores técnicos
Los principales indicadores técnicos del instrumento son los siguientes: (1) Rango de medición: 50 ~ 5000 ppm (2) Sensibilidad (tasa de cambio de resistencia del sensor); : 0,3 ~ 0,5; (3) Precisión de medición: ≤2; (4) Distancia de transmisión: ≤100 m; (5) Fuente de alimentación de funcionamiento: CC 5 V (6) Temperatura ambiente de trabajo: -40 ℃ ~ 70 ℃; Ambiente de trabajo Humedad relativa: 0 ~ 85 RH.
6 Conclusión
Este artículo diseñó y desarrolló un detector de concentración de alcohol basado en el microcontrolador STC90C52RC, el sensor de alcohol TGS2620 y el chip de comunicación inalámbrica nRF24L01. Este instrumento se ha puesto en producción en una pequeña fábrica de cerveza en Chengdu. El trabajo de campo muestra que el sistema funciona con normalidad y confiabilidad. El sistema tiene las ventajas de alta selectividad de gas, alta sensibilidad, buena estabilidad, alta inteligencia, larga distancia de comunicación, bajo consumo de energía, fuerte resistencia a la interferencia industrial y alto costo de rendimiento. Este instrumento se puede utilizar en la industria de procesamiento de alimentos, empresas industriales y mineras, industria petroquímica, pruebas y protección ambiental, servicios sociales, trabajadores de gran altitud, gestión del tráfico de seguridad pública (como conducir en estado de ebriedad, aplicación de la ley de la policía de tránsito) y otras ocasiones en las que requieren detección in situ o medición remota inalámbrica de la concentración de gas alcohol. Tiene amplias perspectivas de aplicación en el mercado y un alto valor de promoción.
Referencia
Li Haitao. Sistema de monitoreo inteligente de vehículos remotos para conducir en estado de ebriedad basado en QNX [J]. Aplicaciones de tecnología electrónica, 2014, 40 (8): 136-139.
[2] Song Xiaoyu, Gao Guowei, Li Shichuan, et al. Diseño de un sistema de detección de concentración de alcohol basado en microcontrolador [J Sensor World, 2017, 23 (8): 18-23.
Lu, Tao Dajin. Diseño de detector de concentración de alcohol basado en microcontrolador [J]. Microcomputadora y Aplicación, 2014, 33 (22): 34-36.
Ge Yu. Diseño de circuito de control de detección de alcohol en vehículos basado en GPRS/GPS [D Nanchang: Universidad de Nanchang, 2010].
[5] Zhang Zhe, Jin Tong, Chen Donghui, et al. Aplicación de una nariz electrónica basada en una matriz de sensores de aire en la detección de frescura de la carne [J]. : 67-73.
[6]Grupo Fígaro. Información general sobre sensores TGS [EB/OL]. (2008-04-23)[2019-07-03]./2065 438 08 _ 05/d78-ffddd 177 E3 BCA html
Hu Shibing, Chen
(Chengdu. Escuela de Información de Ingeniería Electrónica, Universidad de Ingeniería, Chengdu, Sichuan 610225)