本實(shí)用新型屬于有害氣體檢測(cè)裝置技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種智能檢測(cè)裝置，尤其涉及一種基于FPGA的智能氣體檢測(cè)裝置。

背景技術(shù)：

工業(yè)家居領(lǐng)域通常使用氣體檢測(cè)裝置檢測(cè)有害氣體。但是現(xiàn)有的氣體檢測(cè)裝置存在一定的不足和缺陷：首先對(duì)于檢測(cè)的氣體來說，檢測(cè)的氣體較為單一，只能檢測(cè)一種氣體，然而在實(shí)際環(huán)境中有毒有害氣體的種類很多；如天然氣中就包括CH₄、H₂S、CO等多種氣體成份；其次就是檢測(cè)儀的準(zhǔn)確度與精度不高，存在延時(shí)報(bào)警、誤報(bào)警、不報(bào)警等情況，從而造成人力、物力以及財(cái)力上的重大損失。

近年來，F(xiàn)PGA技術(shù)飛速發(fā)展，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)通信、智能家居、國(guó)防、軍事、智能交通等各個(gè)方面，為智能氣體檢測(cè)裝置的發(fā)展與進(jìn)步提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。但在氣體檢測(cè)方面依然存在邏輯簡(jiǎn)單、檢測(cè)準(zhǔn)確度低、先進(jìn)性不夠、利用率低等問題，限制了智能氣體檢測(cè)裝置的廣泛應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是針對(duì)現(xiàn)有氣體檢測(cè)裝置的缺點(diǎn)，提供一種無線、低功耗、高效率的基于FPGA的智能氣體檢測(cè)裝置。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是：一種基于FPGA的智能氣體檢測(cè)裝置，包括電源電路和FPGA最小系統(tǒng)，F(xiàn)PGA最小系統(tǒng)分別與傳感器檢測(cè)電路、按鍵電路、LCD顯示電路、報(bào)警電路和GPRS通信模塊相連接，GPRS通信模塊與移動(dòng)通信設(shè)備信號(hào)連接；電源電路分別與FPGA最小系統(tǒng)、傳感器檢測(cè)電路、LCD顯示電路、報(bào)警電路和GPRS通信模塊相連接；

所述的FPGA最小系統(tǒng)采用芯片EP2C8Q208C8N，F(xiàn)PGA最小系統(tǒng)包括第一芯片、第二芯片、第三芯片和第四芯片；第一芯片的第30腳、第31腳、第33腳以及電源5V腳分別與傳感器檢測(cè)電路相連接；第二芯片的第180腳、第182腳、第185腳、第187腳、第188腳、第189腳、第191腳、第192腳、第193腳、第195腳和第197腳分別與LCD顯示電路相連接；第三芯片的第107腳、第108腳、第110腳、第112腳、第113腳、第114腳、第115腳和第116腳分別與按鍵電路相連接；第三芯片的第143引腳與第144引腳分別與GPRS通信模塊相連接；第四芯片的第7腳與電源電路相連接；

所述的傳感器檢測(cè)電路包括A/D轉(zhuǎn)換電路和三個(gè)傳感器；A/D轉(zhuǎn)換電路包括第五芯片，第五芯片采用逐次逼近式A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器 TLC549；第五芯片的第9腳接第三傳感器的一端，第三傳感器的另一端接第一芯片的第31腳，第五芯片的第11腳接第二傳感器的一端，第二傳感器的另一端接第一芯片的第30腳，第五芯片的第13腳分別與第一傳感器的一端和第一電阻的一端相連接，第一傳感器的另一端接第一芯片的第33腳；第一電阻的另一端、第五芯片的第7腳和第一電容的一端均接+5V電源，第五芯片的第8腳分別接第一電源輸出口和第二電容的一端，第一電容的另一端和第二電容的另一端均接地；第五芯片的第10腳分別與第三電容的一端和第二電阻的一端相連接，第五芯片的第12腳、第14腳和第三電容的另一端接地；第二電阻的另一端接第三電阻的滑片，第三電阻為變阻器，第三電阻的一端接地，第三電阻的另一端接第四電阻的一端，第四電阻的另一端接5V電源。

本實(shí)用新型智能氣體檢測(cè)裝置以 FPGA 為控制器（中央處理器），采用CH4傳感器、H2S傳感器以及CO傳感器作為氣體檢測(cè)裝置。為了安全和方便，利用 RS232總線/GPRS無線通信模塊增設(shè)了語音（短信）通信和自動(dòng)報(bào)警等功能，集氣體檢測(cè)、顯示、報(bào)警、通信等多種功能為一體，實(shí)現(xiàn)智能氣體檢測(cè)，滿足家用以及工業(yè)的需求。該智能氣體檢測(cè)裝置具有如下特點(diǎn)：

1）將FPGA技術(shù)應(yīng)用于智能氣體檢測(cè)裝置，只需要對(duì)FPGA芯片進(jìn)行調(diào)節(jié)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，可以大大降低成本，并提高檢測(cè)準(zhǔn)確度，便于實(shí)施應(yīng)用。

2）采用RS232總線/GPRS拓展網(wǎng)絡(luò)，不僅可以與互聯(lián)網(wǎng)相連接，可以進(jìn)行存儲(chǔ)，而且還可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)主機(jī)帶多個(gè)從機(jī)，即一臺(tái)PC機(jī)可以監(jiān)控多臺(tái)下位機(jī)，主從機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)了多機(jī)通信。既有利于降低成本，又方便整理分析信息和數(shù)據(jù)。

3）能記憶和存儲(chǔ)檢測(cè)到的氣體濃度數(shù)據(jù)，使用AT24C08可以對(duì)檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行多次和長(zhǎng)時(shí)間的存儲(chǔ)，方便對(duì)數(shù)據(jù)的調(diào)用和對(duì)比分析；

4）集GSM通信模塊、LCD顯示裝置以及報(bào)警模塊于一體，可以隨時(shí)了解氣體檢測(cè)裝置的相關(guān)信息，通過報(bào)警模塊對(duì)于出現(xiàn)的問題及時(shí)處理，大大降低了事故的發(fā)生率進(jìn)而減少人力、物力以及財(cái)力的損失。

FPGA技術(shù)使各方面更朝著能耗低、體積小、效率高、資源利用率高的趨勢(shì)發(fā)展。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型智能氣體檢測(cè)裝置的示意圖。

圖2是本實(shí)用新型智能氣體檢測(cè)裝置中FPGA最小系統(tǒng)的示意圖。

圖3是圖2所示傳感器檢測(cè)電路中A/D轉(zhuǎn)換電路的示意圖。

圖4是本實(shí)用新型智能氣體檢測(cè)裝置中按鍵部分電路的示意圖。

圖5是本實(shí)用新型智能氣體檢測(cè)裝置LCD顯示電路的示意圖。

圖6是本實(shí)用智能氣體檢測(cè)裝置的GPRS通信模塊中外圍電路的示意圖。

圖7是本實(shí)用智能氣體檢測(cè)裝置中報(bào)警電路的示意圖。

圖8是本實(shí)用智能氣體檢測(cè)裝置中電源電路的示意圖。

圖9是本實(shí)用新型檢測(cè)系統(tǒng)的流程圖。

圖1中：1.FPGA最小系統(tǒng)，2.傳感器檢測(cè)電路，3.按鍵部分，4.電源電路，5.LCD顯示電路，6.報(bào)警電路，7.GPRS通信模塊，8.移動(dòng)通信設(shè)備。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說明。

如圖1所示，本實(shí)用新型智能氣體檢測(cè)裝置，包括電源電路4和FPGA最小系統(tǒng)1，F(xiàn)PGA最小系統(tǒng)1分別與傳感器檢測(cè)電路2、按鍵電路3、LCD顯示電路5、報(bào)警電路6和GPRS通信模塊7相連接，GPRS通信模塊7與移動(dòng)通信設(shè)備8信號(hào)連接；電源電路4分別與FPGA最小系統(tǒng)1、傳感器檢測(cè)電路2、LCD顯示電路5、報(bào)警電路6和GPRS通信模塊7相連接。

本實(shí)用新型智能氣體檢測(cè)裝置中的FPGA最小系統(tǒng)1采用芯片EP2C8Q208C8N。如圖2所示，F(xiàn)PGA最小系統(tǒng)1包括第一芯片U1、第二芯片U2、第三芯片U3和第四芯片U4。第一芯片U1的第30腳、第31腳、第33腳以及電源5V腳（第一芯片U1自帶的電源5V）分別與傳感器檢測(cè)電路2相連接。第二芯片U2的第180腳、第182腳、第185腳、第187腳、第188腳、第189腳、第191腳、第192腳、第193腳、第195腳和第197腳分別與LCD顯示電路3相連接；第三芯片U3的第107腳、第108腳、第110腳、第112腳、第113腳、第114腳、第115腳和第116腳分別與按鍵電路3相連接。第三芯片U3的第143引腳與第144引腳分別與GPRS通信模塊7相連接；第四芯片U4的第7腳與電源電路4相連接。

如圖3所示，本實(shí)用新型智能氣體檢測(cè)裝置中的傳感器檢測(cè)電路2，包括A/D轉(zhuǎn)換電路和三個(gè)傳感器。其中的A/D轉(zhuǎn)換電路包括第五芯片U5，第五芯片U5 采用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的CMOS工藝8通道、8位逐次逼近式A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器 TLC549，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器是以 8 位開關(guān)電容逐次逼近 A/D 轉(zhuǎn)換器為基礎(chǔ)構(gòu)造的 CMOS A/D 轉(zhuǎn)換器、設(shè)計(jì)成能通過 3 態(tài)數(shù)據(jù)輸出和模擬輸入與微處理器或外圍設(shè)備串行接口。其內(nèi)部有一個(gè)8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

第五芯片U5的第9腳接第三傳感器的一端，第三傳感器的另一端接第一芯片U1的第31腳，第五芯片U5的第11腳接第二傳感器的一端，第二傳感器的另一端接第一芯片U1的第30腳，第五芯片U5的第13腳分別與第一傳感器的一端和第一電阻R1的一端相連接，第一傳感器的另一端接第一芯片U1的第33腳；第一電阻R1的另一端、第五芯片U5的第7腳和第一電容C1的一端均接+5V電源，第五芯片U5的第8腳分別接第一電源輸出口PO1和第二電容C2的一端，第一電容C1的另一端和第二電容C2的另一端均接地；第五芯片U5的第10腳分別與第三電容C3的一端和第二電阻R2的一端相連接，第五芯片U5的第12腳、第14腳和第三電容C3的另一端接地；第二電阻R2的另一端接第三電阻R3的滑片，第三電阻R3為變阻器，第三電阻R3的一端接地，第三電阻R3的另一端接第四電阻R4的一端，第四電阻R4的另一端接5V電源。

第一傳感器采用CH₄傳感器、H₂S傳感器或CO傳感器；第二傳感器采用CH₄傳感器、H₂S傳感器或CO傳感器；第一傳感器采用CH₄傳感器、H₂S傳感器或CO傳感器。使用時(shí)，第一傳感器、第二傳感器和第三傳感器采用不同類型的傳感器。

本實(shí)用新型智能氣體檢測(cè)裝置中的按鍵電路3采用與FPGA最小系統(tǒng)1相匹配的按鍵裝置。如圖4所示，按鍵電路3設(shè)有S1～S8共八個(gè)按鍵，該八個(gè)按鍵的一端直接接地，一個(gè)按鍵的另一端通過一個(gè)上拉電阻與電源電路4相連接。通過按鍵來控制整個(gè)FPGA最小系統(tǒng)1的開始與停止以及各個(gè)子部分系統(tǒng)的工作。同時(shí)，該八個(gè)按鍵的非接地端還分別與FPGA最小系統(tǒng)1對(duì)應(yīng)的腳相連接，即第一按鍵S1接第三芯片U3的第107腳，第二按鍵S2接第三芯片U3的第108腳，第三按鍵S3接第三芯片U3的第110腳，第四按鍵S4接第三芯片U3的第112腳，第五按鍵S5接第三芯片U3的第113腳，第六按鍵S6接第三芯片U3的第114腳，第五按鍵S7接第三芯片U3的第115腳，第八按鍵S8接第三芯片U3的第116腳。

如圖5所示，本實(shí)用新型智能氣體檢測(cè)裝置中的LCD顯示電路5，包括第六芯片U6，第六芯片U6采用具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國(guó)標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡(jiǎn)體中文字庫的點(diǎn)陣圖形的LCD12864液晶顯示模塊；該液晶顯示模塊的顯示分辨率為128×64，內(nèi)置8192個(gè)16×16點(diǎn)漢字和128個(gè)16×8點(diǎn)ASCII字符集。第六芯片U6的第1腳和第20腳接地，第六芯片U6的第2腳、第15腳、第17腳和第19腳接電源電路4；第六芯片U6的第4腳接第二芯片U2的第180腳，第六芯片U6的第5腳接第二芯片U2的第185腳，第六芯片U6的第6腳接第二芯片U2的第182腳，第六芯片U6的第7腳接第二芯片U2的第188腳，第六芯片U6的第8腳接第二芯片U2的第187腳，第六芯片U6的第9腳接第二芯片U2的第191腳，第六芯片U6的第10腳接第二芯片U2的第189腳，第六芯片U6的第11腳接第二芯片U2的第193腳，第六芯片U6的第12腳接第二芯片U2第192腳，第六芯片U6的第13腳接第二芯片U2第197腳，第六芯片U6的第14腳接第二芯片U2的第195腳。

本實(shí)用新型智能氣體檢測(cè)裝置中的GPRS通信模塊7由GPRS模塊WISMO228和外圍電路組成。WISMO228 模塊是由 WAVECOM公司生產(chǎn)的基于 GSM / GPRS工業(yè)級(jí)無線通訊模塊。具有體積小、易用性強(qiáng)、內(nèi)嵌 TCP /IP 協(xié)議棧、品質(zhì)優(yōu)良等特性能夠快速安全可靠地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)方案的數(shù)據(jù)、語音傳輸、短消息服務(wù)和傳真，目前正以極具競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格推向 M2M 行業(yè)。其GSM方式工作頻段為850 /900 /1800 /1900MHz，支持 CSD、SMS、FAX；該模塊工作電壓范圍為 3.2～4. 8V，使其無需電平轉(zhuǎn)換就能夠連接多種處理器，如單片機(jī)、ARM、FPGA等。WISMO 228 模塊與FPGA最小系統(tǒng)1通過串口進(jìn)行通信，它們之間的連接方式有2線、4線、 5線及9線四種方式。由于本系統(tǒng)只使用通信模塊的部分功能，故采用 2線的方式進(jìn)行連接，將 WISMO 228 模塊的 RXD、TXD 分別接FPGA最小系統(tǒng)1的 RXD腳(第143腳)和TXD 腳（第144腳）即可，第七芯片U7的第7引腳與FPGA的最小系統(tǒng)VCC電源引腳相連接ON/OFF就可以正常工作從而實(shí)現(xiàn)GPRS的開/關(guān)。該外圍電路如圖6所示，包括第七芯片U7和第八芯片U8，第七芯片U7為GPRS模塊，第八芯片U8為SIM卡座。第七芯片的第7腳、第8腳和第17腳都與電源電路4的第一電源輸出口PO1相連接，無線通信GPRS模塊與FPGA最小系統(tǒng)1相連接并進(jìn)行串口通信。第七芯片U7的第10腳接第三芯片U3的第143腳，第七芯片U7的第14腳接第三芯片U3的第144腳，調(diào)動(dòng)FPGA最小系統(tǒng)1的串口通信連接，實(shí)現(xiàn)FPGA最小系統(tǒng)1對(duì)GPRS通信模塊6的控制。

如圖7所示，本實(shí)用新型智能氣體檢測(cè)裝置中的報(bào)警電路5，包括第一三極管Q1，第一三極管Q1的基極接第六電阻R6的一端，第六電阻R6的另一端分別與第五電阻R5的一端和第一芯片U1的第3腳相連接；第一三極管Q1的發(fā)射極接第七電阻R7的一端，第五電阻R5的另一端和第七電阻R7的另一端均接電源電路4；第一三極管Q1的集電極接蜂鳴器LS1的第1腳，蜂鳴器LS1的第2腳接地。

如圖8所示，本實(shí)用新型智能氣體檢測(cè)裝置中的電源電路4，包括第九芯片U9和第十芯片U10；第九芯片U9采用TPS79333開關(guān)電源芯片，第十芯片U10采用SPX1117-3.3開關(guān)電源芯片。第九芯片U9的第3腳、第一電解電容C4的正極、第十芯片U10的第3腳以及第三電解電容C6的正極均接電源VCC；第九芯片U9的第2腳和第二電解電容C5的正極均接第二電源輸出口PO2；第十芯片U10的負(fù)極分別與第八電阻R8的一端和第九電阻R9的一端相連接，第八電阻R8的另一端和第十芯片U10的第2腳以及第四電解電容C7的正極均與第一電源輸出口PO1相連接；第一電解電容C4的負(fù)極、第九芯片U9的負(fù)極、第二電解電容C5的負(fù)極、第三電解電容C6的負(fù)極、第九電阻R9的另一端以及第四電解電容C7的負(fù)極均接地。

第一電源輸出口PO1與第五芯片U5的第8腳相連，第一電源輸出口PO1與按鍵電路2中所有上拉電阻的另一端相連接，第一電源輸出口PO1分別與第六芯片U6的第2腳、第15腳、第17腳和第19腳相連，第一電源輸出口PO1分別與第七芯片U7的第7腳、第8腳、第17腳相連接，第一電源輸出口PO1分別與第七電阻R7的另一端和第五電阻R5的另一端相連。第二電源輸出口PO2接第四芯片U4的第7腳。

如圖9所示，本實(shí)用新型智能氣體檢測(cè)裝置檢測(cè)流程：首先將CH₄、H₂S與CO傳感器連接好、FPGA最小系統(tǒng)1的控制器進(jìn)行初始化，這樣就可以實(shí)現(xiàn)FPGA對(duì)三個(gè)氣體傳感器的實(shí)時(shí)檢測(cè)。由于天然氣中有毒氣體具有多樣性；為了提高氣體檢測(cè)的準(zhǔn)確性與全面性、所以本實(shí)用新型檢測(cè)裝置是對(duì)天然氣中三種氣體成份（CH₄、H₂S與CO）進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)國(guó)家對(duì)天然氣各個(gè)成分氣體濃度設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)作為基準(zhǔn)值來判斷所檢測(cè)的氣體濃度值是否超標(biāo)。用FPGA作為控制器來實(shí)現(xiàn)氣體檢測(cè)，首先是對(duì)整個(gè)裝置進(jìn)行初始化然后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)值的設(shè)定，在FPGA的控制下開始?xì)怏w檢測(cè)并進(jìn)行氣體濃度數(shù)值的記錄（即通過GPRS模塊與上位機(jī)進(jìn)行通信然后在上位機(jī)上實(shí)時(shí)顯示測(cè)得的數(shù)值并顯示對(duì)應(yīng)的濃度曲線）將檢測(cè)到的氣體濃度值與設(shè)定好的值進(jìn)行比較，如果超過所設(shè)定的值FPGA控制器就會(huì)自動(dòng)驅(qū)動(dòng)報(bào)警裝置進(jìn)行報(bào)警提醒，如果沒有超過設(shè)定值按照?qǐng)D9進(jìn)行工作從而達(dá)到了智能氣體檢測(cè)的目的。