趙望達(dá) ,李衛(wèi)高 ,陳火炬韓柯柯

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院,湖南 長沙,410075; 2.中南大學(xué) 重載鐵路工程結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南長沙,410075)

火災(zāi)事故中 85%以上的傷亡原因均來自于火災(zāi)煙氣的高溫、毒性及遮光性能。煙氣流速在煙氣的蔓延過程中是一個重要的狀態(tài)參數(shù),通過煙氣流速的測量,可以分析出火災(zāi)時煙氣的蔓延方向和擴(kuò)散程度,方便得到相關(guān)的煙氣控制參數(shù)(比如臨界風(fēng)速),為進(jìn)行煙氣控制提供數(shù)據(jù)支撐[1]。壓差法測流速是當(dāng)今流速測量方法中最常用的方法之一,已有學(xué)者將其應(yīng)用到火災(zāi)煙氣流速測試中[2]。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模塊較多,不便于攜帶及接線,且穩(wěn)定性不好[3–4]。I2C(inter-intergrated circuit)接口技術(shù)是PHILIPS公司推出的芯片間串行傳輸總線,以2根連線實(shí)現(xiàn)了全雙工同步數(shù)據(jù)采集。該技術(shù)克服了傳統(tǒng)串行通訊的傳輸速率低以及并行通訊的接線復(fù)雜的難題,自從推出之后得到了快速的發(fā)展[5–6]。本文結(jié)合I2C總線技術(shù),采用Sensirion公司推出的SDP600系列微壓差傳感器,設(shè)計(jì)了一套基于I2C總線的火災(zāi)煙氣流速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(I2C-fire smoke velocity data acquisition system,以下簡稱I2C-FSVDAS),并應(yīng)用于火災(zāi)煙氣模型試驗(yàn)中。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)架

圖1 I2C-FSVDAS硬件結(jié)構(gòu)圖

I2C-FSVDAS主要由數(shù)據(jù)采集模塊(傳感器)、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊(單片機(jī))、通訊模塊、轉(zhuǎn)換模塊、信息存儲及顯示模塊(計(jì)算機(jī))組成(圖1)。與傳統(tǒng)采集系統(tǒng)相比,該系統(tǒng)可節(jié)省很多外圍模塊,簡化了接線,便于采集系統(tǒng)集成于一塊電路板上[7]。采用I2C總線接口可以簡化電路設(shè)計(jì),節(jié)省很多常規(guī)電路中的接口器件和I/O口線,提高設(shè)計(jì)的可靠性。該系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)與單片機(jī)之間、單片機(jī)與傳感器之間通訊均使用總線技術(shù),并采用雙重星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了單臺計(jì)算機(jī)可以同時控制數(shù)十臺傳感器[8–9]?？傊?I2C-FSVDAS與傳統(tǒng)采集系統(tǒng)相比實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)體積微型化,采集、處理數(shù)據(jù)的擴(kuò)大化,并且具有高度穩(wěn)定性。

2 硬件電路及接口

2.1 SDP600系列微壓差傳感器

SDP600系列微壓差傳感器是第一款新型的、數(shù)字輸出的、動態(tài)測量的壓差傳感器,具有 ±500,±125,±50,±25 Pa等多種量程可供用戶根據(jù)需要選用。本采集系統(tǒng)選用 ±50,±25 Pa兩種量程的傳感器。與傳統(tǒng)膜片式傳感器比較,該系列傳感器具有如下特點(diǎn):

(1)具有較寬的量程范圍,長期使用的穩(wěn)定性,在趨于零點(diǎn)的低量程段也具有較高的精度。該系列傳感器最大可以覆蓋的量程為±500 Pa,即使對于很小的壓差測量(＜10 Pa)也能保證極高的靈敏度和精度。

(2)采用動態(tài)測量原理進(jìn)行測量,其內(nèi)部的流量測量裝置是通過一個熱式傳感器元件測量流通的氣體流量實(shí)現(xiàn)的,信號已經(jīng)過內(nèi)部的線性化處理和溫度補(bǔ)償。

(3)基于Sensirion的專利技術(shù)CMOSens?傳感器技術(shù),將傳感器元件、信號處理和數(shù)字標(biāo)定集成于一個微芯片。

(4)提供 I2C數(shù)字接口,工作電壓為3.3 V,兩線制數(shù)字接口,極易與單片機(jī)相連。其信號通訊方式如圖2所示,其中Lo端口接畢托管靜壓端,Hi端口接畢托管全壓端,Vdd為漏極引腳,VDD電源引腳,GND接地引腳。

圖2 SDP600系列微壓差傳感器的雙向數(shù)據(jù)通訊(I2C bus)

2.2 I2C數(shù)字接口總線模塊

I2C總線是一種單端、多主控雙線總線,分別為串行數(shù)據(jù)線SDA和串行時鐘線SCL,適合在全雙工模式下進(jìn)行高效的內(nèi)部集成電路通信。I2C通信采用7位地址空間(具有16個預(yù)留地址),因此在同一總線上,理論上最多可以和 112個節(jié)點(diǎn)通信。但實(shí)際上,節(jié)點(diǎn)數(shù)會受到總線上規(guī)定的總體總電容(不加驅(qū)動時為400 pF)限制,從而將通信距離限制為幾米。規(guī)定的信號傳輸速率為100 kbit/s(標(biāo)準(zhǔn)模式),400 kbit/s(快速模式),1 Mbit/s(快速模式Plus,FM+)和3.4 Mbit/s(高速模式),因此可以實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的快速傳輸。數(shù)據(jù)傳輸格式:在I2C協(xié)議中,數(shù)據(jù)以字節(jié)為單位傳輸,即8 bit格式。每個字節(jié)跟隨一個應(yīng)答位。先傳高位(MSB)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸順序的初始化由主機(jī)生成啟動條件(S)發(fā)送一個頭字節(jié)。I2C頭字節(jié)包含7 bit I2C設(shè)備地址和數(shù)據(jù)讀/寫的指導(dǎo)位(R/_W)。頭字節(jié)R/_W位(讀/寫)的值決定余下數(shù)據(jù)的傳輸序列的方向。如果R/_W=0(寫)余下數(shù)據(jù)的方向?yàn)橹鳈C(jī)到從機(jī),而如果R/_W=1(讀)頭字節(jié)后的方向改變?yōu)閺臋C(jī)到主機(jī),其數(shù)據(jù)傳輸時序見圖3。

圖3 I2C數(shù)據(jù)傳輸時序圖

2.3 單片機(jī)模塊

STC12LE5A60S2單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的抗干擾、低電壓、高性能的單片機(jī),增強(qiáng)型單時鐘/機(jī)器周期(1T)8051CPU,指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,擁有1 280 B內(nèi)部RAM和60 kB的Flash、1 kB的EEPROM、內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路、8路高速A/D轉(zhuǎn)換、2個獨(dú)立串行口、多種省電模式。該處理器的低功耗、高速性能非常適合便攜式采集裝置開發(fā)的需要[10]。STC12LE5A60S2單片機(jī)是高速的8051,其程序代碼快速執(zhí)行的優(yōu)勢便于實(shí)現(xiàn)大量傳感器同時采集。正是由于該處理器的諸多優(yōu)點(diǎn),為嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。本開發(fā)系統(tǒng)的采集儀采用 STC12LE5A60S2單片機(jī)為主控單元,通過植入I2C程序軟件實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與SDP600系列傳感器之間的通訊(圖4)。

圖4 STC12LE5A60S2接口電路圖

3 I2C總線數(shù)據(jù)采集軟件流程

采用單片機(jī)通用I/O接口P0.5和P0.6來分別作為SDA數(shù)據(jù)線端和SCL時鐘線端與I2C串行總線的通訊,構(gòu)成I2C總線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),I2C-FSVDAS讀取煙氣流速軟件流程圖如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集流程圖

4 數(shù)據(jù)處理

4.1 壓差計(jì)算

單片機(jī)從傳感器讀出的標(biāo)準(zhǔn)信號是一個帶符號的整型數(shù)。這個整型數(shù)除以量程系數(shù)即得到壓差值。由于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)一般采用補(bǔ)碼形式保存,單片機(jī)程序中采用十六進(jìn)制保存,應(yīng)將十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù),若最高位(符號位)為0,表示該數(shù)為正數(shù); 若最高位為1,表示該數(shù)為負(fù)數(shù)。再按補(bǔ)碼規(guī)則轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù),最后再轉(zhuǎn)化成十進(jìn)制數(shù)。

溫度補(bǔ)償:SDP600系列傳感器系列具有數(shù)字的溫度補(bǔ)償功能,無須外部的溫度補(bǔ)償。

海拔高度補(bǔ)償:SDP600系列傳感器系列由于使用動態(tài)的測量原理而具有無可比擬的優(yōu)越性能,所應(yīng)用的壓差傳感器需要一股微小的流量通過傳感器用于測量。因此,任何氣體密度的不同都會影響到傳感器的讀數(shù)。而溫度影響已經(jīng)在內(nèi)部被補(bǔ)償,大氣壓力的不同(即海拔高度的不同)可以通過以下公式的修正系數(shù)補(bǔ)償:

式中:Peff為修正后的壓差; Pcal為標(biāo)定時的絕對壓力(966 mbar); Pamb為實(shí)際的環(huán)境壓力; R為傳感器輸出的整型數(shù); α為量程系數(shù),取60 Pa-1。

4.2 流速計(jì)算

火災(zāi)煙氣可以看作理想的不可壓縮流體。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓狀態(tài)方程,可以得到煙氣溫度與煙氣密度乘積為定值,然后根據(jù)常溫下空氣的參數(shù)及煙氣溫度求得煙氣密度。根據(jù)不可壓縮流體伯努利方程可得煙氣流速的計(jì)算公式[11]:

其中:v為煙氣流速; T0=293 K; T為煙氣溫度; ρ0為常溫下控制密度,取1.205 kg/m3。

5 結(jié)論

(1)提出了一種采用雙重星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),適合低速高溫?zé)煔饬魉贉y試的多通道分布智能采集系統(tǒng)(I2C-FSVDAS)。系統(tǒng)組合I2C和RS485雙總線技術(shù),實(shí)現(xiàn)了數(shù)十個傳感器的同步數(shù)據(jù)采集。

(2)設(shè)計(jì)出了基于STC12LE5A60S2單片機(jī)與SDP600系列傳感器的總體硬件結(jié)構(gòu)及電路圖,開發(fā)出了I2C–FSVDAS火災(zāi)煙氣流速數(shù)據(jù)采集軟件,推導(dǎo)出了火災(zāi)煙氣流速的計(jì)算公式。

(3)該采集系統(tǒng)已成功應(yīng)用于針對高速鐵路隧道、高速公路隧道、城市道路與軌道交通同管合建隧道等重大項(xiàng)目的火災(zāi)模擬實(shí)驗(yàn)的煙氣流速數(shù)據(jù)采集,為火災(zāi)煙氣流速測試提供了一種新型、高效、實(shí)用的數(shù)據(jù)采集平臺。

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