[精品論文]家用煤氣報警器硬件設計(論文)

畢業(yè)設計課程定做 QQ1714879127 畢業(yè)設計課程定做 QQ1714879127 本 科 畢 業(yè) 設 計 畢業(yè)設計題目：畢業(yè)設計題目：家用煤氣泄漏報警控制器家用煤氣泄漏報警控制器 硬件設計硬件設計 畢業(yè)設計課程定做 QQ1714879127 畢業(yè)設計課程定做 QQ1714879127 摘摘 要要 當今社會上，出現了許多煤氣報警器，而這些產品大都是針對煤氣的泄漏 所做出的相應的報警，即為家庭式。但是隨著社會的發(fā)展，煤氣報警器也在發(fā) 展。 微機控制技術、傳感器在工業(yè)控制、機電一體化、智能儀表、通信、家用電器 等方面得到了廣泛應用，顯著提高了各種設備的技術水平和自動化程度。因此 對這些原理和結構我們就需要很好的了解并掌握。 煤氣報警系統(tǒng)采用了 RCM5700 為系統(tǒng)的 CPU，通過單片機系統(tǒng)設計實現對 家用煤氣的控制功能，由 NG-CO-001 電化學一氧化碳氣體傳感器對煤氣進行檢 測，將所得的濃度值與設定濃度值相比較得到偏差。通過對偏差信號的處理獲 得控制信號，去調節(jié)煤氣出氣閥的通斷，四個單元的煤氣濃度對應模擬量利用 A/D 轉換為數字量，并加入了鍵盤輸入，從而實現對家用煤氣漏氣的控制。整 個系統(tǒng)的硬件電路設計合理，性能安全可靠。 關鍵詞關鍵詞： 電位器采樣 報警臨界值 煤氣濃度 畢業(yè)設計課程定做 QQ1714879127 畢業(yè)設計課程定做 QQ1714879127 Abstract In the current society, a lot of coal gas alarms have appeared, and these products are mostly to letting out corresponding alarms made of coal gas , it is family. But with the development of society, coal gas alarm develop too.Microcomputer control technology, sensors in the industrial control, mechatronics, smart instrumentation, communications, household appliances, etc. has been widely applied, significantly improved the technological level of equipment and degree of automation. Thus the structure of these principles and we need to understand and grasp the good. Coal gas warning system adopt RCM5700 computer CPU of system,Design a realization through a single slice of machine system to the control function of household-use coal gas. The NG-CO-001 electricity chemistry carbon monoxide air spreads a feeling machine to carry on an examination to the coal gas and compares density value and enactment density value gaining to get deviation,the processing that passes to the deviation signal acquires control signal and regulate coal gas to give vent to anger the of valve break.four coal gas density corresponding analog quantity of unit utilize A/D person who changes figure into, and has joined key in,carry out the control that leaks air to the household-use coal gas thus.The hardware circuit of the whole system is reasonable in design, performance is safe and reliable. Keyword: The electric potential device sampl 畢業(yè)設計課程定做 QQ1714879127 畢業(yè)設計課程定做 QQ1714879127 目目 錄錄 1、緒論.1 1.1、課題研究的背景1 1.2、課題研究的目的1 1.3、國內外研究現狀及發(fā)展動態(tài)2 1.4、系統(tǒng)設計基本內容.4 2、系統(tǒng)設計技術基礎5 2.1、系統(tǒng)實現方案與選擇5 2.2、MINI CORE 芯片選擇7 2.3、一氧化碳傳感器的選擇.15 2.4、儀表放大器的選擇.21 2.5、A/D 轉換器選擇.23 3、基于 RCM5700 的系統(tǒng)電路設計24 3.1、系統(tǒng)硬件電路總體設計.24 3.2、信號采集放大電路的設計26 3.3、運放電路及 A/D 轉換電路28 3.4、RCM5700 內置看門狗的利用.30 3.5、通信接口電路設計.31 3.6、電源轉換電路設計.34 4、系統(tǒng)電路調試.34 4.1、模塊的連通性調試.34 4.2、系統(tǒng)各硬件的檢測及控制性調試35 4.3、系統(tǒng)主控硬件的通信性能調試.35 4.4、系統(tǒng)軟硬件綜合性能測試36 4.5、系統(tǒng)誤差分析36 總結.37 參考文獻.38 致謝.39 附錄.40 畢業(yè)設計課程定做 QQ1714879127 1 家用煤氣泄漏報警控制器硬件設計家用煤氣泄漏報警控制器硬件設計 徐向文 1 1、緒論、緒論 1.11.1、課題研究的背景、課題研究的背景 隨著我國燃氣的變革及西氣東輸工程的進行，煤氣或天燃氣已成為多數家 庭的燃料。每年，因煤氣泄露造成的煤氣中毒事故中，因使用熱水器不當或產 品本身的質量問題，造成的煤氣中毒事故，全國均有不少事例。有甚者，因室 內煤氣濃度過高，引起煤氣爆炸的事故也不少見。 家用煤氣有時會因各種原因發(fā)生泄漏，煤氣的主要成分是甲烷，甲烷是一 種可燃性氣體，遇到明火會發(fā)生燃燒甚至爆炸，所以如果在煤氣泄漏時打電話， 使用家用電器的話，煤氣遇到電火花可能會發(fā)生爆炸事故。人呆在煤氣泄漏的 空間內，甲烷的不完全燃燒可能會生成一氧化碳，人體吸入有毒氣體一氧化碳 后，一氧化碳將會迅速與血液中的紅細胞結合導致人體中毒昏迷，如果長時間 吸入泄露的煤氣甚至會發(fā)生中毒死亡。一氧化碳中毒屬內科急癥，如不及時發(fā) 現及治療，將會危及生命。近年來，我國部分地區(qū)非職業(yè)性一氧化碳中毒事件 時有發(fā)生。特別是冬春季高發(fā)，據不完全統(tǒng)計，我國 2006 年因非職業(yè)性一氧化 碳中毒，造成至少 3850 人中毒，142 人死亡。2007 年 3-5 月份，南匯區(qū)發(fā)生了 2 起非職業(yè)性一氧化碳中毒事件。 1.21.2、課題研究的目的、課題研究的目的 人們面對燃氣泄漏而造成的種種事故威脅，就真的沒有一個徹底的解決辦 法嗎？據有關專家介紹，使用燃氣報警器是對付燃氣無形殺手的重要手段之一。 燃氣專家指出，燃氣泄漏或廢氣排放而大量產生的一氧化碳是燃氣中毒事響應 的根源，如采有用燃氣泄漏報警器就能得到及時的警示。有關部門經長期測試 同樣得出結論，燃氣報警器防止一氧化碳中毒事故發(fā)生的有效率達 95%以上。 計算機的普及和信息技術的迅猛發(fā)展，人們己不滿足于傳統(tǒng)的居住環(huán)境， 對家庭及住宅小區(qū)提出了更高的要求，智能化被引入家庭，并迅速在世界各地 發(fā)展起來。人們對居住環(huán)境要求的日見增高，體現在希望住宅不僅更便利、舒 畢業(yè)設計課程定做 QQ1714879127 2 適而且更安全。 單片機在日用電子產品中的應用越來越廣泛，煤氣泄漏則是人們日常生活 中常常需要測量和控制的一個問題。單片機有利于為現代人工作、科研、生活、 提供更好的更方便的設施。為了防止中毒事件再次發(fā)生，提出利用單片機系統(tǒng) 進行有效的預防對策。所以怎樣防止煤氣中毒與爆炸已成為人們的迫切需要。 為此我們開發(fā)研制了智能煤氣報警系統(tǒng)。 1.31.3、國內外研究現狀及發(fā)展動態(tài)、國內外研究現狀及發(fā)展動態(tài) 民用可燃氣體報警器為居民家庭用的燃氣報警器，一般安裝在廚房，遇燃 氣泄漏時，報警器可發(fā)出聲光報警，或同時伴有數字顯示，同時聯動外部設備。 有的報警器可自動開啟排風扇，把燃氣排出室外；有的報警器在報警時可自動 關閉燃氣閥門，以防燃氣繼續(xù)泄漏8。 在應用方面，目前最廣泛的是可燃性氣體氣敏元件傳感器，已普及應用于 氣體泄漏檢測和監(jiān)控，從工廠企業(yè)到居民家庭，應用十分廣泛。僅以用于安全 保護家用燃氣泄漏報警器為例，日本早在 1980 年 1 月開始實行安裝城市煤氣、 液化石油氣報警器法規(guī)，1986 年 5 月日本通產省又實施了安全器具普及促進基 本方針。美國目前已有 6 個州立法，規(guī)定家庭、公寓等都要安裝 CO 報警器。 報警器種類也相當繁多，有用于一般家庭、集體住宅、飲食餐店、醫(yī)院、學校、 工廠的各種氣體報警器和系統(tǒng)，有單體分離型報警器、外部報警系統(tǒng)、集中監(jiān) 視系統(tǒng)、遮斷連動系統(tǒng)、防止中毒報警防護系統(tǒng)等。結構型式有袖珍型便攜式、 手推式、固定式報警等；工業(yè)用固定式報警又有壁掛式、臺放式、單臺監(jiān)控式、 多路巡檢式等。氣體檢測技術與計算機技術相結合，實現了智能化、多功能化。 美國工業(yè)科學公司（ISC）一臺攜帶式氣體監(jiān)控儀可實現 4 種氣體監(jiān)測，采用了 統(tǒng)一的軟件，只需要換氣體傳感器，即可實現對特定氣體監(jiān)測。美國國際傳感 器技術（IST）公司應用一種“MegaCas“傳感器和微程序控制單元，可檢測 100 種以上毒性氣體和可燃性氣體，通過其“氣體檢索”功能掃描，能很快確定是哪 一種氣體。 可燃氣體傳感器的發(fā)展也成為氣體檢測系統(tǒng)的代表性標志。 近年來，由于在工業(yè)生產、家庭安全、環(huán)境監(jiān)測和醫(yī)療等領域對氣體傳感 畢業(yè)設計課程定做 QQ1714879127 3 器的精度、性能、穩(wěn)定性方面的要求越來越高，因此對氣體傳感器的研究和開 發(fā)也越來越重要。隨著先進科學技術的應用，氣體傳感器發(fā)展的趨勢是微型化、 智能化和多功能化。深入研究和把握有機、無機、生物和各種材料的特性及相 互作用，理解各類氣體傳感器的工作原理和作用機理，正確選擇各類傳感器的 敏感材料，靈活運用微機械加工技術、敏感薄膜形成技術、微電子技術、光纖 技術等，使傳感器性能最優(yōu)化是氣體傳感器的發(fā)展方向。 國外氣體傳感器發(fā)展很快，一方面是由于人們安全意識增強，對環(huán)境安全 性和生活舒適性要求提高；另一方面是由于傳感器市場增長受到政府安全法規(guī) 的推動。因此，國外氣體傳感器技術得到了較快發(fā)展，據有關統(tǒng)計猜測，美國 1996 年2002 年氣體傳感器年均增長率為（2730）。 目前，氣體傳感器的發(fā)展趨勢集中表現為：一是提高靈敏度和工作性能， 降低功耗和成本，縮小尺寸，簡化電路，與應用整機相結合，這也是氣體傳感 器一直追求的目標。如日本費加羅公司推出了檢測（0.110）106 硫化氫低 功耗氣體傳感器，美國 IST 提供了壽命達 10 年以上的氣體傳感器，美國 FirstAlert 公司推出了生物模擬型（光化反應型）低功耗 CO 氣體傳感器等。二 是增強可靠性，實現元件和應用電路集成化，多功能化，發(fā)展 MEMS 技術，發(fā) 展現場適用的變送器和智能型傳感器。如美國 GeneralMonitors 公司在傳感器中 嵌入微處理器，使氣體傳感器具有控制校準和監(jiān)視故障狀況功能，實現了智能 化；還有前已涉及的美國 IST 公司的具有微處理器的“MegaGas”傳感器實現了 智能化、多功能化。 氣敏元件傳感器作為新型敏感元件傳感器在國家列為重點支持發(fā)展的情況 下，國內已有一定的基礎。其現狀是： （1）燒結型氣敏元件仍是生產的主流，占總量 90以上；接觸燃繞式氣 敏元件已具備了生產基礎和能力；電化學氣體傳感器有了試制產品； （2）在工藝方面引入了表面摻雜、表面覆膜以及制作表面催化反應層和修 隔離層等工藝，使燒結型元件由廣譜性氣敏發(fā)展成選擇性氣敏；在結構方面研 制了補償復合結構、組合差動結構以及集成化陣列結構；在氣敏材料方面 SnO2 和 Fe2O3 材料已用于批量生產氣敏元件，新研究開發(fā)的 Al2O3 氣敏材料、石英 晶體和有機半導體等也開始用于氣敏材料； 畢業(yè)設計課程定做 QQ1714879127 4 （3）低功耗氣敏元件（如一氧化碳，甲烷等氣敏元件）已從產品研究進入 中試； （4）國內氣敏元件傳感器產量已超過“九五”初期的 400 萬支。產量超過 20 萬支的主要廠家有 5 家，黑龍江敏感集團、太原電子廠、云南春光器材廠、 天津費加羅公司（合資） 、北京電子管廠（特種電器廠） ，其中前四家都超過 100 萬支，據行業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，1998 年全國氣敏元件總產量已超過 600 萬支。 總的看來，我國氣敏元件傳感器及其應用技術有了較快進展，但與國外先 進水平仍有較大的差距，主要是產品制造技術、產業(yè)化及應用等方面的差距， 與日本比較仍要落后 10 年。 1.41.4、系統(tǒng)設計基本內容、系統(tǒng)設計基本內容 針對經常發(fā)生的煤氣泄漏中毒事件，采用煤氣、甲烷、乙烷及一氧化碳等 氣體傳感器、單片機、電磁閥和電鈴，設計一套有毒氣體檢測、報警電路，顯 示室內空氣質量（分優(yōu)、良、中、好、差五級） ，用單片機模塊分路控制繼電器、 發(fā)光二極管和電鈴。 報警系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成。其中硬件部分由各報警感應器、感 應器控制器、主控器等設備組成。軟件部分主要是報警系統(tǒng)控制程序。氣敏傳 感器用來檢測空氣中煤氣的濃度，當空氣中煤氣含量超過允許標準濃度后，感 應器所獲得的感應信號均被感應器控制器所接收，再由感應器控制器對各感應 信號進行相應識別和處理，并將處理后的感應信號通過串口送至主控器，由主 控器對其采取相應的警報動作。報警信號加至報警聲響電路的控制端后，報警 聲響電路被觸發(fā)，發(fā)出報警聲，同時關閉總氣閥。 本課題在硬件設計方面主要研究組成家用煤氣泄漏報警控制系統(tǒng)的單片機 芯片、氣體傳感器總線的使用方法，同時研究電路設計思路、電路組成，包括 控制芯片、氣體傳感器、單片機、顯示電路等的選用和設計，最后給出結構框 圖、電路原理圖。 系統(tǒng)軟件設計方面的分析設計包括主機和從機程序設計分析等。 畢業(yè)設計課程定做 QQ1714879127 5 畢業(yè)設計課程定做 QQ1714879127 6 2 2、系統(tǒng)、系統(tǒng)設計技術基礎設計技術基礎 微處理器的出現極大地促進了生產力的發(fā)展，提高了人們生活的質量，實 現了工業(yè)的現代化和自動化。Internet 技術的飛速發(fā)展，使得基于分組交換技術 的通信性能、通信質量和可靠性得到穩(wěn)步提高?；?8 位和 16 位單片機的嵌入 式設備(如儀器儀表、數據采集和顯示、過程控制、工業(yè)自動化等)的實時應用、 測控系統(tǒng)正在走向網絡智能化。這就要求企業(yè)從現場控制層到管理層能實現全 方位的無縫信息集成，實現遠程維護、智能診斷以及遠程管理功能，提供一個 開放的基礎構架，并具有高可靠性、分散控制、集中監(jiān)視和管理的功能。 2.12.1、系統(tǒng)實現方案與選擇、系統(tǒng)實現方案與選擇 針對目前主要處理芯片的不同，本文提出了 2 種實現方案，分別為基于 8051 單片機實現方案以及基于 Rabbit RCM5700 實現方案。并最終選擇了一種 方案進行系統(tǒng)實現。 2.1.12.1.1、基于單片機的實現方案、基于單片機的實現方案 基于 8051 單片機實現的煤氣報警器的具體方案如圖 2.1 所示。該方案主要 包括了可燃氣體傳感器、A/D 轉換器、鍵盤控制電路、8051 單片機電路、晶振、 蜂鳴器以及 LED 顯示電路1。 可燃氣體傳感器輸出為模擬量，需要利用 A/D 轉換器將模擬量轉換成數字 量送給 8051 單片機；晶振和鍵盤控制作為 8051 單片機的外圍輸入電路，蜂鳴 器作為報警用的 8051 單片機的外圍輸出電路；顯示電路采用了 LED 顯示，由 8051 單片機控制實現顯示。 圖 5.1 基于 8051 單片機的實現 畢業(yè)設計課程定做 QQ1714879127 7 2.1.22.1.2、基于、基于 MiniMini CoreCore 的實現方案的實現方案 基于 Mini Core 實現的煤氣報警器的具體方案如圖 2.2 所示。該方案主要包 括了可燃氣體傳感器、A/D 轉換器、鍵盤控制電路、Rabbit RCM5700 模塊電路、 晶振、蜂鳴器以及 LED 顯示電路。 可燃氣體傳感器輸出為模擬量，需要利用 A/D 轉換器將模擬量轉換成數字 量送給 Rabbit RCM5700 模塊電路；晶振和鍵盤控制作為 Rabbit RCM5700 模塊 電路的外圍輸入電路，蜂鳴器作為報警用的 Rabbit RCM5700 模塊電路的外圍 輸出電路；顯示電路采用了 LED 顯示，由 Rabbit RCM5700 模塊電路控制實現 顯示。 圖 6.1 基于 Mini Core 的實現 2.1.3、方案選擇 方案 1 中采用的是 8051 單片機實現煤氣報警器，該方案具有結構化設計簡 單，器件成本較低的特點，是一種較為廣泛采用的實現方案。 方案 2 中采用的是 Rabbit RCM5700 模塊實現煤氣報警器，該方案基于 Rabbit RCM5700 模塊進行開發(fā)設計，Rabbit MiniCore 模塊用于加速嵌入式系統(tǒng) 的開發(fā)和實施。編程開發(fā)采用我們經過業(yè)界廣為驗證的 Dynamic C 開發(fā)系統(tǒng), 一個包括編輯器、鏈接器、裝載器和編譯器在內的 C 語言集成開發(fā)環(huán)境。從你 的計算機通過 USB 端口或串口下載程序，立即在目標硬件上進行調試無 需在線仿真器。這種開發(fā)環(huán)境減少了工作量，加速了軟硬件集成。Rabbit 提供 了廣泛的驅動函數庫和例程、免費的 TCP/IP 及其源代碼。 Rabbit MiniCore 系列產品采用超小型 mini PCI Express 接口，具有可互相兼 容的以太網與 Wi-Fi 無線網兩個版本，除了擁有 Mini 的外型，使得產品的設計 更加容易之外，它還配置了 32 個通用輸入/輸出端口、6 個串行端口和一臺 畢業(yè)設計課程定做 QQ1714879127 8 Rabbit 5000 微處理器。這些特點使其成為超小型產品中最具成本效益的網絡連 接解決方案，既可用于網絡連接也可用于控制。由于該模塊具有設計靈活，外 圍擴展功能強大的特點，可以構成當今體積最緊湊、成本最低的嵌入式解決方 案，可以為系統(tǒng)方便可靠增加網絡連接。 針對其應用擴展，本設計選擇了方案 2，基于 Rabbit RCM5700 模塊實現煤 氣報警器的方案。 既基于 Mini Core 實現的家用煤氣報警系統(tǒng)，利用可燃氣體傳感器檢測某 一環(huán)境中可燃氣體含量的指標，對于可燃氣體的檢測，由于可燃氣體傳感器輸 出量為模擬量，需要將其進行 A/D 轉換后送給 Rabbit RCM5700 模塊，當其含 量超過設定值時，由主芯片 Rabbit RCM5700 模塊控制蜂鳴器進行報警。 2.22.2、MiniMini CoreCore 芯片選擇芯片選擇 2.2.12.2.1、RCM5700RCM5700 的簡介的簡介 Mini Core RCM5700 是 Rabbit 半導體公司在 2008 年 9 月 30 日推出的一款 尺寸緊湊的經濟型核心模塊，設計人員可以將其用于小尺寸、低價格、可實現 控制或采集且支持網絡功能的系統(tǒng)中去，是高性能低成本的嵌入式解決方案。 典型應用在遠程數據記錄和上傳、儲罐監(jiān)控、自動抄表系統(tǒng)、遠程能源管理等 領域。 Mini Core 芯片選擇了 Rabbit RCM5700 模塊。Rabbit 充分結合了易于使用和最 大限度的降低產品成本提供可以構成當今體積最緊湊、成本最低的嵌入式解決 方案。Mini Core 系列也是 Rabbit 產品中體積最近湊和成本最低的嵌入式解決方 案，設計人員可以為他們設計的系統(tǒng)方便可靠增加網絡連接12。 Rabbit Semiconductor 公司專注于此，推出的產品在行業(yè)內被廣泛應用，十 幾年來，以其產品質量的高穩(wěn)定性、容易開發(fā)、資源豐富、支持聯網等優(yōu)點獲 得業(yè)界的高度認可，譬如 RCM3200、LP3500 在工控和水利、電力領域已經成 為行業(yè)內的經典應用。這里要介紹的是 Rabbit 公司新推出的一款全新產品 MiniCore RCM5700 核心模塊，它價格低廉、尺寸小、開發(fā)容易、支持網絡控制。 新的 Mini Core RCM5700 模塊在體積極其緊湊的 mini PCI Express 板型結 畢業(yè)設計課程定做 QQ1714879127 9 構內集成了豐富的嵌入式功能，并且成本極低。另外的一個好處是，MiniCore RCM5700 為任何嵌入式解決方案提供可極小的結構尺寸。RCM5700 可以在任 何客戶定制開發(fā)的母板上增加新的網絡連接。 RCM5700 具備 Rabbit 5000 微處理器，工作 主頻可達 50.0 MHz, flash memory，兩個時鐘(主晶 振和時間晶振)和為 Rabbit 5000 內置實時時鐘/片 內 SRAM 提供后備電池所需的重啟/管理電路。 52-pin mini PCI Express 插槽式的板邊連接器引出 了 RCM5700 的 I/O 總線，并行端口和串口到 RCM5700 固定的母板上。 通過客戶定制開發(fā)的母板，RCM5700 接收+3.3 V 供電并和其它數字設備 實現所有 CMOS 兼容的接口。 主要特點： (1) 微處理器為 Rabbit5000(內含 128 KB 的 SDRAM)，主頻為 50MHz； (2) 程序存儲器為 1 MB 閃存； (3) 32 個 GPIO(可配置)； (4) 6個(可配置)CMOS兼容的串El； (5) 帶實時時鐘(電池供電)； (6) 10個8位定時器，10位和l6位定時器各1個； (7) 有兩路觸發(fā)輸入和兩路正交解碼輸入； (8) 帶有看門狗； (9) 支持 10100BaseT 以太網功能； (10) 接口為 Mini PCI Express 接口。 Rabbit Core Mini Core 模塊用于加速嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)和實施。編程開發(fā)采 用我們經過業(yè)界廣為驗證的 Dynamic C 開發(fā)系統(tǒng)，一個包括編輯器、鏈接器、 裝載器和編譯器在內的 C 語言集成開發(fā)環(huán)境。 從計算機通過 USB 端口或串口下載程序，立即在目標硬件上進行調試 ， 無需在線仿真器。這種開發(fā)環(huán)境減少了工作量，加速了軟硬件集成。Rabbit 提 供了廣泛的驅動函數庫和例程、免費的 TCP/IP 及其源代碼。 有兩種類型的開發(fā)包供用戶進行開發(fā)和測試軟件。標準開發(fā)包包括你設計 圖 8.1 畢業(yè)設計課程定做 QQ1714879127 10 基于該微處理器系統(tǒng)所需要的基本組件和完整的 Dynamic C 軟件開發(fā)系統(tǒng)。 RCM5700 開發(fā)包還包括你評測 RCM5700 所需要的開發(fā)板。Digital I/O 和串口 板可以立即運行 Dynamic C 中的例程從而快速演示 RCM5700 的產品特點。你 可以立即為 RCM5700 模塊編寫和測試包括以太網和 TCP/IP 應用在內的軟件。 2.2.2、RCM5700 的優(yōu)點 1）使用完整設計和生產的，具有“運行就緒/ 編程就緒”的微處理器模塊， 能使您快速完成產品開發(fā)并投入市場。 2）比購買和組裝單獨組件更具競爭力的價格。 3）簡單的 C 語言程序開發(fā)和調試。用于下載經編譯的 Dynamic C.bin 文 件的 Rabbit Field Utility。 4）能容納數萬行代碼大型程序并存儲豐富數據的大容量存儲器。 5）參考設計使集成的以太網能利用無需特許權的 TCP/IP 軟件實現網絡連 接。 2.2.32.2.3、RCM5700RCM5700 硬件組成硬件組成 RCM5700 標準開發(fā)包包含了您使用 RCM5700 模塊所必須的必備硬件。 下述物品在開發(fā)包的標準版本中提供。 RCM5700 模塊。 配有支架/ 接頭的接口板。 配有支架/ 接頭的應用電路開發(fā)板。 能通過接口板對 RCM5700 進行編程的 USB 線。 2.2.42.2.4、RCM5700RCM5700 模塊接口定義模塊接口定義 接口板設計原理圖 畢業(yè)設計課程定做 QQ1714879127 11 圖 10.1 畢業(yè)設計課程定做 QQ1714879127 12 圖 11.1 畢業(yè)設計課程定做 QQ1714879127 13 RCM5700 模塊接口包括了 52 個接口，各個接口定義如圖 12.1 所示。 圖12.1 RCM5700模塊接口定義 根據 RCM5700 模塊接口定義可知，52 個接口可以劃分為幾個主要部分： 端口 Port A、Port B、Port C、Port D、Port E、Serial Port A、RAM、Misc. I/O 等，具體如圖 12.2 所示。 圖12.2 RCM5700模塊端口說明 畢業(yè)設計課程定做 QQ1714879127 14 RCM5700 模塊管腳功能及說明詳見表。 表 13.1 畢業(yè)設計課程定做 QQ1714879127 15 表14.1 畢業(yè)設計課程定做 QQ1714879127 16 表15.1 2.32.3、傳感器、傳感器的選擇的選擇 對于煤氣報警器的實現，感應器的選擇也相當的重要，是系統(tǒng)重要的組成 部分之一，其性能對于系統(tǒng)的精確度和實現范圍有這相當大的影響，也是體現 煤氣監(jiān)控發(fā)展現狀的標志。 畢業(yè)設計課程定做 QQ1714879127 17 2.3.12.3.1、一氧化碳傳感器的選擇、一氧化碳傳感器的選擇 市面上的煤氣感應器多種多樣，特性價格也各有不同。根據實際應用和成 本性價比，本設計一氧化碳氣體傳感器選擇了 NG-CO-001 型電化學一氧化碳氣 體傳感器，其詳情如下4： NG-CO-001 型電化學一氧化碳氣體傳感器屬工業(yè)級別產品， 通過成熟的電極制備處理技術及傳感器結構設計，使其具有長 壽命、高靈敏度、液體密閉性良好等技術特點。傳感器與外部 電路連接部位通過接插元件完成，利于傳感器與電子線路的兼 容與互換。產品組裝工藝簡化，有利的降低了產品成本。 用途：工廠一氧化碳濃度檢測儀器；氣體計量器具；空氣質量監(jiān)測器；氣 體變送器；便攜式儀器配套元件等等。 （1）NG-CO-001 電化學一氧化碳氣體傳感器基本原理 電化學氣體傳感器由工作電極、參比電極、對電極構成，根據外部恒電位 電路，傳感器工作電極保持一個穩(wěn)定的工作電位，一氧化碳氣體傳感器基本工 作原理如下面公式所示： UCTURE 工作電極：CO+H2O=CO2+2H+2e- 對電極： O2+4H+4e-=2H2O 總反應： 2CO+O2=2CO2 這樣電化學氣體傳感器根據電化學反應電子轉移，從而定性并定量的檢測 出被測氣體。參比電極主要作用是保持工作電極維持電化學反應的穩(wěn)定工作電 壓，工作電極與對電極之間因電化學反應形成的電流與被測氣體濃度成線性關 系。此傳感器屬于三電極方式，具有檢出信號穩(wěn)定和線性關系良好等優(yōu)越性， 在一般工業(yè)得到較為廣泛的應用。 圖 16.1 畢業(yè)設計課程定做 QQ1714879127 18 圖 17.1 電化學傳感器原理圖 （2）傳感器基本結構： 氣體傳感器由工作電極、對電極、參比電極、電解質、液體保持材料、過 濾干擾氣體物質、貴金屬引線、接線柱等組成，使用的典型電極材料包括鉑、 金、銀、銠、碳、釕、鈀等，傳感器信號通過引線傳導到外部電路，通過放大 等處理進行顯示。為了提高對被測氣體的選擇性，通常在傳感器通氣孔位置設 置過濾劑，以消除干擾氣體造成的不準確信號。 圖 17.2 電化學氣體傳感器典型構造 （3）電化學氣體傳感器優(yōu)點： 1）對于氣體的濃度能夠線形輸出信號重現性好 2）對被測氣體具有良好選擇性，不受溫濕度的影響 3）空氣中的輸出值漂移小，可以獲得穩(wěn)定的輸出信號 4）功耗低，電池即可驅動器工作 5）體積小，重量輕，作為便攜式儀器首選 畢業(yè)設計課程定做 QQ1714879127 19 6）本質安全結構，機械性能穩(wěn)定 （4）電化學一氧化碳氣體傳感器基本特點： 本質特征：NG-CO-001 型電化學一氧化碳氣體傳感器屬工業(yè)級別產品，通 過成熟的電極制備處理技術及傳感器結構設計，使其具有長壽命、高靈敏度、 液體密閉性良好等技術特點。傳感器與 外部電路連接部位通過接插元件完成， 利于傳感器與電子線路的兼容與互換。 產品組裝工藝簡化，有利的降低了產品 成本。 用途：工廠一氧化碳濃度檢測儀器； 氣體計量器具；空氣質量監(jiān)測器；氣體變送器；便攜式儀器配套元件等等。 工作及保存條件： 工作溫度 2050 工作濕度 1590%RH 保存環(huán)境溫度 020 工作氣壓 1atm 10% 保存期限 6 個月以內密閉容器 檢知對象氣體 一氧化碳 測定范圍 01000ppm 輸出電流 4010nAppm 重復性誤差 2% 響應時間(t90) 1） 25ppm 增益漂移（G=1） 200V 最大輸入失調電壓（AD623A） 2V /最大輸入失調漂移（AD623A） 100V 最大輸入失調電壓（AD623B） 1V /最大輸入失調漂移（AD623B） 25nA 最大輸入偏置電流 噪聲：35nV/ Hz 針對輸入端（RTI）噪聲1kHz（G=1） 良好的 AC 特性： 最小 90dB 共模抑制比（CMRR） （G=10） 最小 84dB 共模抑制比（CMRR） （G=5） （60Hz，1k 非平衡信號源） 800kHz 帶寬（G=1） 到終值 0.01%的建立時間 20s（G=10） 引腳排列 極限參數如下： 電源電壓 6V 內部功率耗散 650mW 差分輸入電壓 6V 圖 22.1 畢業(yè)設計課程定做 QQ1714879127 24 輸出短路持續(xù)時間 不確定 儲存溫度范圍（N，R，RM） -65至+125 工作溫度范圍： AD623A 40至+85 引腳溫度范圍（焊接，10 秒） +300 2.52.5、A/DA/D 轉換器選擇轉換器選擇 本文 A/D 轉換器選擇了 TLC2543，該芯片是 7LC2543 是德州儀器公司(TI) 新型模數轉換器(ADC)，具有 l2 位的分辨率，使用開關電容逐次逼近技術完成 AD 轉換過程，提供的最大采樣率為 66KSPS，供電電流僅需 1mA(典型值)。它 除具有高速的轉換器和通用的控制能力外，還具有通用靈活的串行接口(SPI)。 它被廣泛運用于數據采集系統(tǒng)中2。 TLC2543 是 l2 位開關電容逐次逼近型 ADC 每個器件有三個控制輸入端： 片選(CS)、輸入/輸出時鐘(I/O CLK)及地址數據輸入端(DATA INPUT)。它還可 以通過一個串行的 3 態(tài)輸出端(DATA OUT)與主處理器或其它外圍的串行口通 訊，輸出轉換結果。通過編程器件的 DATA INPUT 管腳串行輸入的 8 位通道/ 方式控制字節(jié)的高 4 位(MSBs)，可選擇 11 個模擬輸入通道中的任一個?？捎?同樣的方法選用另外三個測試電壓,用于轉換器的 REF V REF V2/ REFREF VV 枝正或其它用途。通道方式控制字節(jié)的低四位(LSBs)用于選擇輸出數據的長 度(8、12 或 16 位)、輸出數據的順序(以 MSB 開始或 LSB 開始)和是否需要單極 性(二進制)或雙極性(二進制補碼)格式。其特點有： 1) 12 bit 分辨率 AD 轉換器； 2) 在工作溫度范圍內 10s 轉換時間； 3) 11 個模擬輸入通道； 4) 3 路內置自測試方式； 5) 采樣率為 66 kb/s； 6) 線性誤差+1LSB(max)； 7) 有轉換結束(EOC)輸出； 8) 具有單、雙極性輸出； 9) 可編程的 MSB 或 LSB 前導； 畢業(yè)設計課程定做 QQ1714879127 26 10) 可編程的輸出數據長度。 畢業(yè)設計課程定做 QQ1714879127 27 3 3、基于、基于 RCM5700RCM5700 的系統(tǒng)電路設計的系統(tǒng)電路設計 3.13.1、系統(tǒng)硬件電路總體設計、系統(tǒng)硬件電路總體設計 系統(tǒng)的工作原理是利用煤氣傳感器將煤氣濃度變換為 mV 級模擬電流信號， 放大器把信號放大后，經低通濾波濾掉干擾信號送到 A/D 轉換器，變換成數字 量送主控芯片進行數據分析。由于煤氣泄漏出來的氣體的主要性質可以分為毒 性氣體和可燃性氣體 2 種，所以本設計中才用了 3 個性質不同的傳感器，對其 進行分別處理。NG-CO-001 型電化學一氧化碳氣體傳感器主要是對毒性并可燃 的一氧化碳氣體進行精密的單項檢測。其他 2 種傳感分別對其中 2 類的可燃氣 體進行檢測。 對 RCM5700 植入軟件程序后，控制整個電路的運行。 空氣中的氣體濃度信號同時進入主芯片，主芯片對其進行分析，并輸出信 號到顯示器，控制其提示出“好、優(yōu)、良、中、差”等 5 個等級的空氣質量提 示。當感應信號達到設定的任意一個危險區(qū)域（包括可燃氣體濃度危險區(qū)和毒 性氣體濃度危險區(qū)）值時，主控芯片將輸出信號驅動報警，控制顯示器顯示出 相應空氣質量等級即為“差”，驅動蜂鳴器發(fā)出聲響，報警 LED 發(fā)光，同時控 制電磁閥關閉。以讓監(jiān)控人員進行處理。故障排除后，報警完畢自動回到警戒 狀態(tài)，等待下一次報警。 圖 24.1 系統(tǒng)原理框圖 系統(tǒng)采用模塊化設計。所謂的模塊化設計，簡單地說就是程序的編寫不是 氫氣傳感器 烷類傳感器 信號放大器 信號放大器 信號放大器 A/D A/D A/D 晶振 串口 RCM5700 蜂鳴器 顯示器 電磁閥 報警燈 其他擴展 電源 CO 傳感器 畢業(yè)設計課程定做 QQ1714879127 28 開始就逐條錄入計算機語句和指令，而是首先用主程序、子程序、子過程等框 架把軟件的主要結構和流程描述出來，并定義和調試好各個框架之間的輸入、 輸出鏈接關系。 用戶端自動報警器內提供備用電源，在沒有市電的情況下，交直流供電自 動切換，確保系統(tǒng)在停電時能繼續(xù)工作。 3.23.2、系統(tǒng)硬件電路、系統(tǒng)硬件電路 系統(tǒng)硬件電路的總體設計主要包括了 RCM5700 模塊電路設計、可燃氣體傳 感器電路設計、A/D 轉換器電路設計以及通信接口電路設計。 畢業(yè)設計課程定做 QQ1714879127 29 圖 25.1 系統(tǒng)總體硬件原理圖 使用 Rabbit RCM5700 芯片 PB3 接虛擬時鐘線，利用 PB5 口線接虛擬數據線 DATA。 可燃氣體傳感器輸出的模擬量經過放大電路放大后，再經過 AD 轉換器轉換 后，數據采用串行方式與 RCM5700 模塊連接，其中 RCM5700 模塊中 PA0、PA2、PA4、PC6 分別與 AD 轉換器的 CLK、DIN、DOUT、CS 相連，以此實現 可燃氣體傳感器和 RCM5700 模塊的相連，將可燃氣體傳感器輸出送入 RCM5700 模塊中處理。 串口通信主要利用 RCM5700 模塊端口 PB3 和 PB5 作為串口通信端口，分別 定義為 TXD 和 RXD。 蜂鳴器則有 RCM5700 模塊 PD1 輸出端口實現控制。 使用 RCM5700 模塊 PB2，并電阻連接 LED。 3.33.3、信號采集放大電路的設計、信號采集放大電路的設計 由于氣體傳感器采集的電信號一般很小，而且存在共模成分，需要經過放 大電路放大，之后方可進行 A/D 轉換。氣體傳感器輸出的信號幅度很小，存在 著不同程度的電磁干擾，因此在本設計中，放大電路采用儀表放大器 AD623， 對來自傳感器的信號經行精密放大，同時抑制共模成分提高信號質量6。AD623 的主要特點是：使用一只外接電阻設置增益 G，計算公式為 G=1+100k/Rti，其 中 G 可達 1000，從而給用戶帶來了極大方便。其輸入共模范圍很寬，允許比地 電壓低 150mV 的共模電壓。單電源供電（+3.0 +12V）能達到最佳性能。但雙 電源供電（2.56.0）也能夠提供優(yōu)良的性能：低功耗、寬電源范圍和電 源限輸出特性非常合適電池供電的應用場合；可取代分立器見構成的儀表放大 器，具有線性度優(yōu)良、溫度穩(wěn)定性高和體積小、可靠性高等優(yōu)點。 在本設計中，采用恒壓供電方式為氣體傳感器供電，且在正常使用中采樣 電路的輸出為單極性輸出，AD623 的 REF 端同 TLC2543 的 AD 參考電壓輸入 端在設計中同時接地即可。 畢業(yè)設計課程定做 QQ1714879127 30 圖 27.1 信號采集放大電路 由 AD623 構成的放大電路如圖 27.1 所示。在圖中接口 J4 為氣體傳感器的 接口，氣體傳感器與電阻 R34、R35 和 R39 構成電橋采集信號，直流+2.5 電壓 用過 LM324 同相輸入端獲得一個穩(wěn)定的輸出電壓，Q1 的通斷由 LM324 輸出決 定，由于 Q1 的 B 極電源比較穩(wěn)定，而 B 級電流決定三級管導通時的放大倍數， 因此通過 CE 極的電壓也比較穩(wěn)定。Q1、LM324 與 LT1764-3.3 構成恒壓電路， 為電橋提供恒壓。AD623 的 REF 接地，OUTPUT 端接入 TLC2543 的 AD 模塊 引腳。 畢業(yè)設計課程定做 QQ1714879127 31 LM324 系列器件為價格便宜的帶有真 差動輸入的四運算放大器。與單電源應用場 合的標準運算放大器相比，它們有一些顯著 優(yōu)點。該四放大器可以工作在低到 3.0 伏或 者高到 32 伏的電源下，靜態(tài)電流為 MC1741 的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸 入范圍包括負電源，因而消除了在許多應 用場合中采用外部偏置元件的必要性。它 有 5 個引出腳，其中“+”、 “-”為兩個信號輸 入端， “V+”、 “V-”為正、負電源端， “Vo”為輸 出端。兩個信號輸入端中，Vi-（-）為反相 輸入端，表示運放輸出端 Vo 的信號與該輸 入端的位相反；Vi+（+）為同相輸入端， 表示運放輸出端 Vo 的信號與該輸入端的相位相同。LM324 的引腳排列見右圖。 3.43.4、運放電路及、運放電路及 A/DA/D 轉換電路轉換電路 從一氧化碳傳感器輸出信號為差分信號， 該模擬信號需要經過運放后送入 A/D 轉換器。 本系統(tǒng)中運放采用了 AD623 儀用放大器實現， 運放后信號送入 A/D 轉換器。 圖 28.2 中 AIN0AIN10 為模擬輸入端； CS 為片選端；DIN 為串行數據輸入端；DOUT 為 AD 轉換結果的三態(tài)串行 輸出端；EOC 為轉換結束端；CLK 為 IO 時鐘；REF+為正基準電壓端；REF 一為負基準電壓端；VCC 為電源；GND 為地。 VCC：正電源端，一般接+5V。 GND：正電源地。 圖28.2TLC254 畢業(yè)設計課程定做 QQ1714879127 32 VREF+：正基準電壓端，一般接+5V。 V -：負基準電壓端，一般接地。 AIN0AIN10：11 路模擬量輸入引腳。 CS：片選端，由高到低有效，由外部輸入。 EOC：轉換結束端，向外部輸出。 IO CLOCK：控制輸入輸出的時鐘，由外部輸入。 DATA INPUT：控制字輸入端，用于選擇轉換及輸出數據格式。 DATA OUT：AD 轉換結果的輸出端。 TLC2543 的工作過程分為兩個周期:I/O 周期和轉換周期。 a) I/O 周期 I/O 周期由外部提供的 I/O CLOCK 定義,延續(xù) 8、12 或 16 個時鐘周期,決定 于選定的輸出數據長度。器件進入 I/O 周期后同時進行兩種操作。 在 I/O CLOCK 的前 8 個脈沖的上升沿,以 MSB 前導方式從 DATA INPUT 端輸入 8 位數據流到輸入寄存器。其中前 4 位為模擬通道地址,控制 14 通道模 擬多路器從 11 個模擬輸入和三個內部測電壓中選通一路送到采樣保持電路,該 電路從第 4 個 I/O CLOCK 脈沖的下降沿開始對所選信號進行采樣,直到最后一 個 I/O CLOCK 脈沖的下降沿。I/O 周期的時鐘脈沖個數與輸出數據長度(位數) 同時由輸入數據的 D3、D2 位選擇為 8、12 或 16。當工作于 12 或 16 位時,在前 8 個時鐘脈沖之后,DATA INPUT 無效。 在 DATA OUT 端串行輸出 8、12 或 16 位數據。當 CS 保持為低時,第一個 數據出現在 EOC 的上升沿。若轉換由 CS 控制,則第一個輸出數據發(fā)生在 CS 的 下降沿。這個數據串是前一次轉換的結果,在第一個輸出數據位之后的每個后續(xù) 位均由后續(xù)的 I/O 時鐘下降沿輸出。 b) 轉換周期 在 I/O 周期的最后一個 I/O CLOCK 下降沿之后,EOC 變低,采樣值保持不變, 轉換周期開始,片內轉換器對采樣值進行逐次逼近式 A/D 轉換,其工作由與 I/O CLOCK 同步的內部時鐘控制。轉換完成后 EOC 變高,轉換結果鎖存在輸出數據 寄存器中,待下一個 I/O 周期輸出。I/O 周期和轉換周期交替進行,從而可減小外 部的數字噪聲對轉換精度的影響。 畢業(yè)設計課程定做 QQ1714879127 33 c)接口時序 可以用四種傳輸方法使 TLC2543 得到全 12 位分辯率,每次轉換和數據傳遞 可以使用 12 或 16 個時鐘周期。一個片選脈沖要插到每次轉換的開始處,或是在 轉換時序的開始處變化一次后保持為低,直到時序結束。 在設計制作時要注意如下 3 個問題： （1）電源去耦 當使用 TLC2543 這種 12 位 A/D 器件時，每個模擬 IC 的電源端必須用一個 0.1F 的陶瓷電容連接到地，用作去耦電容。在噪聲影響較大的環(huán)境中，建議每 個電源和陶瓷電容端并一個 10F 的鉭電容，這樣能夠減小噪聲的影響。 （2）接地 對模擬器件和數字器件，電源的地線回路必須分開，以防止數字部分的噪 聲電流通過模擬地回路引入，產生噪聲電壓，從而對模擬信號產生干擾。所有 的地線回路都有一定的阻抗，因此地線要盡可能寬或用地線平面，以減小阻抗， 連線應當盡可能短，如果使用開關電源，則開關電源要遠離模擬器件。 （3）電路板布線 使用 TLC2543 時一定要注意電路板的布線，電路板的布線要確保數字信號 和模擬信號隔開，模擬線和數字線特別是時鐘信號線不能互相平行，也不能在 TLC2543 芯片下面布數字信號線。 TLC2543 對時序要求特別嚴格，數每隔一小段時間就會有變化。 解決的辦法：采集關中斷。 3.53.5、RCM5700RCM5700 內置看門狗的利用內置看門狗的利用 由于需要通