摘 要：危险气源的搜寻对于排除安全隐患十分重要。基于气体传感器和单片机控制技术设计了一种危险气体泄漏源搜寻智能车系统，整个系统由气敏传感器探头、信号采集与控制端、驱动电路、机械载体和在IAR平台上基于C语言编写的控制算法5部分组成。危险气体泄漏源搜寻智能车实现了有毒有害气体的泄漏源搜寻、自主巡逻等功能，可以模拟嗅探犬进行危险气体泄漏源搜寻的工作。
关键词：气源搜寻；IAR平台；气敏传感器；智能车
0 引言
在人类生活以及生产活动中，危险气体泄漏是非常危险的事情，可能会造成财产损失和人员伤亡的严重后果，因此在泄漏初期及时定位危险气体泄漏源位置并进行补救工作是很有必要的[1]。犬类的嗅觉是十分灵敏的，可以辨别出很多种不同的气味并且找出气味的来源，工作在机场安检的缉毒犬以及刑侦上使用的嗅探犬，都是利用犬类发达的嗅觉工作的，但是作为动物嗅探犬有一些无法克服的缺点比如需要休息、只能嗅探常规无毒无害的气体、易受外界干扰、训练成本高、训练周期长等[2]。目前随着传感器技术的发展，在气体监测中化学气体传感器有着越来越重要的应用[3]。由气敏传感器组成的气体检测网络可以实时检测不同位置的气体浓度，通常传感器安装在人类无法到达或者周围环境危险的位置，通过信号传输线或使用无线通信技术将检测到的气体信息传到位置较远的地方，由上位机获取信号后，人们就可以获取目标位置的气体种类和浓度等信息，达到实时检测的目的[4]。传感器网络相较于嗅探犬，其可以在更恶劣的工作环境下实施不间断检测，可靠性更强，成本也更小。但是由于传感器安装位置固定，探测距离有限且无法确定气体泄漏源的具体位置。为了解决上述检测方法的缺点，设计了可自主移动的气体检测智能车。本方案采用费加罗公司TGS2602型电阻式气敏传感器作为检测探头，这种传感器结构简单，响应时间较快，价格低廉。使用Feescale公司K60系列单片机对气敏检测端进行信号采集，并根据当前环境气体情况，控制机械载体的行进。它不仅可以工作在有毒害气体环境中，而且传感器随机械载体的移动可以保证搜寻到气体泄漏源的准确位置[5]。
1 危险气源搜寻系统设计原理
电阻式气敏传感器检测气体原理是敏感材料表面的气体吸附和加热解吸的共同作用。传感器内部器敏感材料由金属氧化物半导体制成，在清洁空气中电导率很低。当环境中出现敏感气体时，敏感材料的电导率随敏感气体浓度的增加而增大[6]。将其与合适阻值的电阻串联，经过分压就可将该敏感气体浓度值转换成与之对应的电压信号，气敏传感器电路框图如图1所示。
图1 气敏传感器电路框图
实际环境中气体扩散是个很复杂的过程，受到风速、地面粗糙程度、大气稳定程度等因素的影响[7]。在空旷无风的环境下理想气体自由扩散，气体分子会从气体泄漏源位置即高浓度区向低浓度区域移动。根据这一规律，机械载体上的2个或多个传感器检测不同位置的气体浓度信号，比较它们浓度大小，单片机就可以判断出哪个位置离泄漏源更近，并控制机械载体向浓度相对较高的位置行进，重复以上采集、比较、判断方向、行进的过程使机械载体逐步靠近泄漏源位置，最终到达浓度最高的地点。由于需要比较左、右两边气体浓度的高低，所以两个传感器之间的距离要足够远，而小车体积有限无法提供很大的安装空间。图2为传感器安装的示意图，在本次设计中左、右两个传感器之间距离L取20 cm。既保证左、右传感器之间有足够的距离来区分哪个方向气体浓度更大，又可以安装在小车有限的空间里。
图2 传感器安装示意图
2 系统设计及实现
2.1 系统设计
气体泄漏源搜寻智能车由5个部分组成组成：气敏传感器探头，信号采集与控制端，驱动电路，机械载体，控制算法。机械载体可分为提供移动动力的电机、控制前进方向的舵机、测量移动速度的编码器以及底盘和轮胎这5个部分。由金属氧化物半导体材料制成的气敏传感器和一合适阻值电阻串联，并在传感器和电阻两端加上5 V的恒压源。经过采集电路的阻抗变化和滤波处理，单片机内部A/D采集串联电阻上的电压，将环境中气体浓度转换成相对应的电压数据。经过多路采集后，判断气体泄漏源方向，之后通过电机驱动模块驱动车模行进，逐步靠近泄漏源。
2.2 系统硬件电路设计
硬件电路包括传感器探头、阻抗变化和滤波电路、电源模块、液晶显示模块、MCU模块以及电机驱动，系统电路框图如图3所示。
图3 系统电路框图
本系统使用的MCU是Feescale公司的K60单片机，该单片机使用ARM公司设计并授权的Cortex⁃M4内核，主频100 MHz可以运行较为复杂的算法，其内部还集成了12位A/D转换器，12位的转换精度保证了信号数字化后信息的细节不会丢失[8]。
气敏传感器探头使用的是费加罗公司生产的TGS2602型气敏传感器，该传感器有着功耗较低、对多钟气体有着高的灵敏度、寿命长、成本低、工作稳定可靠性强、集成度高外围电路简单等特点。由于该传感器外围电路是传感器与一固定阻值电阻串联，经过计算该电阻取值与传感器静态时阻值相同时，可以保证达到合适量程并且确保信号的精确。选取阻值为20 kΩ的电阻，对于A/D转换器来说输出内阻太大，有必要进行阻抗变换和滤波处理，故使用ADI公司生产的AD8032运算放大器搭建一阶RC滤波阻抗变化电路，该运放是双路运放可以采集两个气敏传感器的电压值。传感器采集电路如图4所示。
图4 传感器采集处理电路
电源模块的设计主要考虑功率需求，纹波影响，功耗限制这三个方面。单片机和运放功耗较低不需要大电流输出的电压芯片，而气敏传感器内部的59 Ω的加热电阻会消耗大约85 mA电流，传感器信号微小对电源纹波敏感，为保证有效信号不被干扰，应设计输出电压稳定纹波小的电源电路，而作为移动设备自身携带电池容量有限电源模块效率太低会减少续航时间。综合考虑以上因素设计电源模块，最终选用TPS7333芯片产生3.3 V电压为单片机提供工作电源，TPS7350产生5 V电压为传感器，运算放大器等芯片提供工作电源，TPS73XX系列电源芯片具有静态功耗小，电压稳定等优点。电源模块原理图如图5所示。
图5 电源模块
电机驱动模块有2种方案：一种是使用集成芯片，这种方案设计简单，且芯片的过流过压等功能齐全，可以预防驱动电路对主控板的影响；另一种方案是采用半桥控制芯片组合4个MOSFET，这种方案驱动能力更强，功耗更低，因此选取Infineon公司的IPB180型MOS管和国际整流器公司半桥驱动芯片IR2104组建驱动电路[9]如图6所示。
图6 电机驱动电路
各个电路模块调试成功后，将PCB安装在机械载体上，在安装传感器前清洗双手并佩戴无菌一次性手套，保证污渍不会沾染到传感器上以免降低传感器精度，实际安装图如图7所示。
图7 危险气源搜寻智能车
2.3 系统控制算法设计
危险气源搜寻智能车的控制程序是在IAR Embed⁃ded Workbench平台上使用C语言编写的。系统上电后将气敏传感器加热到合适工作温度并进行各个模块初始化。A/D模块将气敏传感器电压值转换成数字信号后，K60对其进行算数平均滤波处理，减小环境噪声的干扰。在环境中没有敏感气体时，小车沿固定路线自主巡逻并检测环境气体情况，此时小车行进速度较快，速度的稳定控制是编码测速器检测小车电机的转速，单片机根据当前电机转速情况使用PID控制算法对车速进行闭环控制而实现的。
当检测到周围环境有敏感气体时系统退出巡逻模式，小车减缓移动速度并根据左、右两侧传感器检测到的浓度大小判断浓度高的区域。如果一侧的传感器高于另一侧的一定值则判定该方向气体浓度更高，此时单片机控制舵机转向使小车向该区域移动；否则认定左右两侧浓度值相同继续保持原移动方向，当行进到环境中敏感气体浓度达到最大时，小车驻停并开启蜂鸣器报警，表明危险气体泄漏源的位置[4，10]。小车的控制流程图如图8所示。
3 系统测试
为了验证方案的可行性，模拟气体泄漏情况，避免其他因素干扰，仅考虑气体的自由扩散，将测试环境选定在空旷无风的地点，使用无毒害易挥发的无水乙醇作为测试试剂。
图9为这次测试的示意图，将200 mL乙醇试剂放置在A处，气体未泄漏时小车沿着白色路线巡逻检测，某一时刻打开A处盛有乙醇的容器，观察小车能否发现敏感气体并沿着灰色路径向高浓度区域行进最终找到泄漏源。改变乙醇试剂放置点A和小车巡逻轨迹之间的距离L并重复试验。
图8 控制流程图
经过观察当泄漏位置离巡逻轨迹较近时，小车可以检测到敏感气体并向气源位置行进，但是当泄漏位置较远时，小车可以检测到敏感气体的存在但无法判断出方向，如果距离太远就无法检测出当前环境中的乙醇气体。
4 结语
基于气敏传感器的气源定位智能车具有结构简单、造价低、检测范围广、准确性相对较好的特点；作为可移动的检测系统有着更好的灵活性，可以模仿嗅探动物在危险环境下进行搜寻危险气体泄漏位置的工作。
图9 测试示意图
