家用煤氣泄漏報(bào)警控制器設(shè)計(jì).doc

畢畢 業(yè)業(yè) 論論 文文 畢業(yè)設(shè)計(jì)題目：畢業(yè)設(shè)計(jì)題目：家用煤氣泄漏報(bào)警控制器家用煤氣泄漏報(bào)警控制器 設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 系系 別：別： 機(jī)電工程系機(jī)電工程系 摘摘 要要 當(dāng)今社會(huì)上，出現(xiàn)了許多煤氣報(bào)警器，而這些產(chǎn)品大都是針對(duì)煤氣的泄漏 所做出的相應(yīng)的報(bào)警，即為家庭式。但是隨著社會(huì)的發(fā)展，煤氣報(bào)警器也在發(fā) 展。 微機(jī)控制技術(shù)、傳感器在工業(yè)控制、機(jī)電一體化、智能儀表、通信、家用電器 等方面得到了廣泛應(yīng)用，顯著提高了各種設(shè)備的技術(shù)水平和自動(dòng)化程度。因此 對(duì)這些原理和結(jié)構(gòu)我們就需要很好的了解并掌握。 煤氣報(bào)警系統(tǒng)采用了 rcm5700 為系統(tǒng)的 cpu，通過單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì) 家用煤氣的控制功能，由 ng-co-001 電化學(xué)一氧化碳?xì)怏w傳感器對(duì)煤氣進(jìn)行檢 測(cè)，將所得的濃度值與設(shè)定濃度值相比較得到偏差。通過對(duì)偏差信號(hào)的處理獲 得控制信號(hào)，去調(diào)節(jié)煤氣出氣閥的通斷，四個(gè)單元的煤氣濃度對(duì)應(yīng)模擬量利用 a/d 轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并加入了鍵盤輸入，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)家用煤氣漏氣的控制。整 個(gè)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)合理，性能安全可靠。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞： 電位器采樣 報(bào)警臨界值 煤氣濃度 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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)2 1.4、系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本內(nèi)容4 2、系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)基礎(chǔ)5 2.1、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)換器選擇.23 3、基于 rcm5700 的系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)24 3.1、系統(tǒng)硬件電路總體設(shè)計(jì)24 3.2、信號(hào)采集放大電路的設(shè)計(jì)26 3.3、運(yùn)放電路及 a/d 轉(zhuǎn)換電路28 3.4、rcm5700 內(nèi)置看門狗的利用.30 3.5、通信接口電路設(shè)計(jì)31 3.6、電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)34 4、系統(tǒng)電路調(diào)試.34 4.1、模塊的連通性調(diào)試34 4.2、系統(tǒng)各硬件的檢測(cè)及控制性調(diào)試35 4.3、系統(tǒng)主控硬件的通信性能調(diào)試35 4.4、系統(tǒng)軟硬件綜合性能測(cè)試36 4.5、系統(tǒng)誤差分析36 總結(jié)37 參考文獻(xiàn).38 致謝39 附錄40 0 家用煤氣泄漏報(bào)警控制器設(shè)計(jì)家用煤氣泄漏報(bào)警控制器設(shè)計(jì) 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(guó)燃?xì)獾淖兏锛拔鳉鈻|輸工程的進(jìn)行，煤氣或天燃?xì)庖殉蔀槎鄶?shù)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(dāng)或產(chǎn) 品本身的質(zhì)量問題，造成的煤氣中毒事故，全國(guó)均有不少事例。有甚者，因室 內(nèi)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(shí)會(huì)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(huì)發(fā)生燃燒甚至爆炸，所以如果在煤氣泄漏時(shí)打電話， 使用家用電器的話，煤氣遇到電火花可能會(huì)發(fā)生爆炸事故。人呆在煤氣泄漏的 空間內(nèi)，甲烷的不完全燃燒可能會(huì)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(huì)迅速與血液中的紅細(xì)胞結(jié)合導(dǎo)致人體中毒昏迷，如果長(zhǎng)時(shí)間 吸入泄露的煤氣甚至?xí)l(fā)生中毒死亡。一氧化碳中毒屬內(nèi)科急癥，如不及時(shí)發(fā) 現(xiàn)及治療，將會(huì)危及生命。近年來，我國(guó)部分地區(qū)非職業(yè)性一氧化碳中毒事件 時(shí)有發(fā)生。特別是冬春季高發(fā)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó) 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(duì)燃?xì)庑孤┒斐傻姆N種事故威脅，就真的沒有一個(gè)徹底的解決辦 法嗎？據(jù)有關(guān)專家介紹，使用燃?xì)鈭?bào)警器是對(duì)付燃?xì)鉄o形殺手的重要手段之一。 燃?xì)鈱＜抑赋?，燃?xì)庑孤┗驈U氣排放而大量產(chǎn)生的一氧化碳是燃?xì)庵卸臼马憫?yīng) 的根源，如采有用燃?xì)庑孤﹫?bào)警器就能得到及時(shí)的警示。有關(guān)部門經(jīng)長(zhǎng)期測(cè)試 同樣得出結(jié)論，燃?xì)鈭?bào)警器防止一氧化碳中毒事故發(fā)生的有效率達(dá) 95%以上。 計(jì)算機(jī)的普及和信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們己不滿足于傳統(tǒng)的居住環(huán)境， 對(duì)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(duì)居住環(huán)境要求的日見增高，體現(xiàn)在希望住宅不僅更便利、舒 1 適而且更安全。 單片機(jī)在日用電子產(chǎn)品中的應(yīng)用越來越廣泛，煤氣泄漏則是人們?nèi)粘Ｉ?中常常需要測(cè)量和控制的一個(gè)問題。單片機(jī)有利于為現(xiàn)代人工作、科研、生活、 提供更好的更方便的設(shè)施。為了防止中毒事件再次發(fā)生，提出利用單片機(jī)系統(tǒng) 進(jìn)行有效的預(yù)防對(duì)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(bào)警系統(tǒng)。 1.31.3、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài) 民用可燃?xì)怏w報(bào)警器為居民家庭用的燃?xì)鈭?bào)警器，一般安裝在廚房，遇燃 氣泄漏時(shí)，報(bào)警器可發(fā)出聲光報(bào)警，或同時(shí)伴有數(shù)字顯示，同時(shí)聯(lián)動(dòng)外部設(shè)備。 有的報(bào)警器可自動(dòng)開啟排風(fēng)扇，把燃?xì)馀懦鍪彝?；有的?bào)警器在報(bào)警時(shí)可自動(dòng) 關(guān)閉燃?xì)忾y門，以防燃?xì)饫^續(xù)泄漏8。 在應(yīng)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(yīng)用于 氣體泄漏檢測(cè)和監(jiān)控，從工廠企業(yè)到居民家庭，應(yīng)用十分廣泛。僅以用于安全 保護(hù)家用燃?xì)庑孤﹫?bào)警器為例，日本早在 1980 年 1 月開始實(shí)行安裝城市煤氣、 液化石油氣報(bào)警器法規(guī)，1986 年 5 月日本通產(chǎn)省又實(shí)施了安全器具普及促進(jìn)基 本方針。美國(guó)目前已有 6 個(gè)州立法，規(guī)定家庭、公寓等都要安裝 co 報(bào)警器。 報(bào)警器種類也相當(dāng)繁多，有用于一般家庭、集體住宅、飲食餐店、醫(yī)院、學(xué)校、 工廠的各種氣體報(bào)警器和系統(tǒng)，有單體分離型報(bào)警器、外部報(bào)警系統(tǒng)、集中監(jiān) 視系統(tǒng)、遮斷連動(dòng)系統(tǒng)、防止中毒報(bào)警防護(hù)系統(tǒng)等。結(jié)構(gòu)型式有袖珍型便攜式、 手推式、固定式報(bào)警等；工業(yè)用固定式報(bào)警又有壁掛式、臺(tái)放式、單臺(tái)監(jiān)控式、 多路巡檢式等。氣體檢測(cè)技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了智能化、多功能化。 美國(guó)工業(yè)科學(xué)公司（isc）一臺(tái)攜帶式氣體監(jiān)控儀可實(shí)現(xiàn) 4 種氣體監(jiān)測(cè)，采用了 統(tǒng)一的軟件，只需要換氣體傳感器，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)特定氣體監(jiān)測(cè)。美國(guó)國(guó)際傳感 器技術(shù)（ist）公司應(yīng)用一種“megacas 傳感器和微程序控制單元，可檢測(cè) 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?xì)怏w傳感器的發(fā)展也成為氣體檢測(cè)系統(tǒng)的代表性標(biāo)志。 近年來，由于在工業(yè)生產(chǎn)、家庭安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)和醫(yī)療等領(lǐng)域?qū)怏w傳感 2 器的精度、性能、穩(wěn)定性方面的要求越來越高，因此對(duì)氣體傳感器的研究和開 發(fā)也越來越重要。隨著先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，氣體傳感器發(fā)展的趨勢(shì)是微型化、 智能化和多功能化。深入研究和把握有機(jī)、無機(jī)、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(jī)理，正確選擇各類傳感器的 敏感材料，靈活運(yùn)用微機(jī)械加工技術(shù)、敏感薄膜形成技術(shù)、微電子技術(shù)、光纖 技術(shù)等，使傳感器性能最優(yōu)化是氣體傳感器的發(fā)展方向。 國(guó)外氣體傳感器發(fā)展很快，一方面是由于人們安全意識(shí)增強(qiáng)，對(duì)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(chǎng)增長(zhǎng)受到政府安全法規(guī) 的推動(dòng)。因此，國(guó)外氣體傳感器技術(shù)得到了較快發(fā)展，據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)猜測(cè)，美國(guó) 1996 年2002 年氣體傳感器年均增長(zhǎng)率為（2730）。 目前，氣體傳感器的發(fā)展趨勢(shì)集中表現(xiàn)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(jiǎn)化電路，與應(yīng)用整機(jī)相結(jié)合，這也是氣體傳感 器一直追求的目標(biāo)。如日本費(fèi)加羅公司推出了檢測(cè)（0.110）106 硫化氫低 功耗氣體傳感器，美國(guó) ist 提供了壽命達(dá) 10 年以上的氣體傳感器，美國(guó) firstalert 公司推出了生物模擬型（光化反應(yīng)型）低功耗 co 氣體傳感器等。二 是增強(qiáng)可靠性，實(shí)現(xiàn)元件和應(yīng)用電路集成化，多功能化，發(fā)展 mems 技術(shù)，發(fā) 展現(xiàn)場(chǎng)適用的變送器和智能型傳感器。如美國(guó) 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(zhǔn)和監(jiān)視故障狀況功能，實(shí)現(xiàn)了智能 化；還有前已涉及的美國(guó) ist 公司的具有微處理器的“megagas”傳感器實(shí)現(xiàn)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(guó)家列為重點(diǎn)支持發(fā)展的情況 下，國(guó)內(nèi)已有一定的基礎(chǔ)。其現(xiàn)狀是： （1）燒結(jié)型氣敏元件仍是生產(chǎn)的主流，占總量 90以上；接觸燃繞式氣 敏元件已具備了生產(chǎn)基礎(chǔ)和能力；電化學(xué)氣體傳感器有了試制產(chǎn)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(yīng)層和修 隔離層等工藝，使燒結(jié)型元件由廣譜性氣敏發(fā)展成選擇性氣敏；在結(jié)構(gòu)方面研 制了補(bǔ)償復(fù)合結(jié)構(gòu)、組合差動(dòng)結(jié)構(gòu)以及集成化陣列結(jié)構(gòu)；在氣敏材料方面 sno2 和 fe2o3 材料已用于批量生產(chǎn)氣敏元件，新研究開發(fā)的 al2o3 氣敏材料、石英 晶體和有機(jī)半導(dǎo)體等也開始用于氣敏材料； 3 （3）低功耗氣敏元件（如一氧化碳，甲烷等氣敏元件）已從產(chǎn)品研究進(jìn)入 中試； （4）國(guó)內(nèi)氣敏元件傳感器產(chǎn)量已超過“九五”初期的 400 萬支。產(chǎn)量超過 20 萬支的主要廠家有 5 家，黑龍江敏感集團(tuán)、太原電子廠、云南春光器材廠、 天津費(fèi)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(jù)行業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，1998 年全國(guó)氣敏元件總產(chǎn)量已超過 600 萬支。 總的看來，我國(guó)氣敏元件傳感器及其應(yīng)用技術(shù)有了較快進(jìn)展，但與國(guó)外先 進(jìn)水平仍有較大的差距，主要是產(chǎn)品制造技術(shù)、產(chǎn)業(yè)化及應(yīng)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(shè)計(jì)基本內(nèi)容、系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本內(nèi)容 針對(duì)經(jīng)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(jī)、電磁閥和電鈴，設(shè)計(jì)一套有毒氣體檢測(cè)、報(bào)警電路，顯 示室內(nèi)空氣質(zhì)量（分優(yōu)、良、中、好、差五級(jí)） ，用單片機(jī)模塊分路控制繼電器、 發(fā)光二極管和電鈴。 報(bào)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(bào)警感應(yīng)器、感 應(yīng)器控制器、主控器等設(shè)備組成。軟件部分主要是報(bào)警系統(tǒng)控制程序。氣敏傳 感器用來檢測(cè)空氣中煤氣的濃度，當(dāng)空氣中煤氣含量超過允許標(biāo)準(zhǔn)濃度后，感 應(yīng)器所獲得的感應(yīng)信號(hào)均被感應(yīng)器控制器所接收，再由感應(yīng)器控制器對(duì)各感應(yīng) 信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)識(shí)別和處理，并將處理后的感應(yīng)信號(hào)通過串口送至主控器，由主 控器對(duì)其采取相應(yīng)的警報(bào)動(dòng)作。報(bào)警信號(hào)加至報(bào)警聲響電路的控制端后，報(bào)警 聲響電路被觸發(fā)，發(fā)出報(bào)警聲，同時(shí)關(guān)閉總氣閥。 本課題在硬件設(shè)計(jì)方面主要研究組成家用煤氣泄漏報(bào)警控制系統(tǒng)的單片機(jī) 芯片、氣體傳感器總線的使用方法，同時(shí)研究電路設(shè)計(jì)思路、電路組成，包括 控制芯片、氣體傳感器、單片機(jī)、顯示電路等的選用和設(shè)計(jì)，最后給出結(jié)構(gòu)框 圖、電路原理圖。 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方面的分析設(shè)計(jì)包括主機(jī)和從機(jī)程序設(shè)計(jì)分析等。 4 5 2 2、系統(tǒng)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)基礎(chǔ) 微處理器的出現(xiàn)極大地促進(jìn)了生產(chǎn)力的發(fā)展，提高了人們生活的質(zhì)量，實(shí) 現(xiàn)了工業(yè)的現(xiàn)代化和自動(dòng)化。internet 技術(shù)的飛速發(fā)展，使得基于分組交換技術(shù) 的通信性能、通信質(zhì)量和可靠性得到穩(wěn)步提高?；?8 位和 16 位單片機(jī)的嵌入 式設(shè)備(如儀器儀表、數(shù)據(jù)采集和顯示、過程控制、工業(yè)自動(dòng)化等)的實(shí)時(shí)應(yīng)用、 測(cè)控系統(tǒng)正在走向網(wǎng)絡(luò)智能化。這就要求企業(yè)從現(xiàn)場(chǎng)控制層到管理層能實(shí)現(xiàn)全 方位的無縫信息集成，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程維護(hù)、智能診斷以及遠(yuǎn)程管理功能，提供一個(gè) 開放的基礎(chǔ)構(gòu)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(shí)現(xiàn)方案與選擇、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案與選擇 針對(duì)目前主要處理芯片的不同，本文提出了 2 種實(shí)現(xiàn)方案，分別為基于 8051 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)方案以及基于 rabbit rcm5700 實(shí)現(xiàn)方案。并最終選擇了一種 方案進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。 2.1.12.1.1、基于單片機(jī)的實(shí)現(xiàn)方案、基于單片機(jī)的實(shí)現(xiàn)方案 基于 8051 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的煤氣報(bào)警器的具體方案如圖 2.1 所示。該方案主要 包括了可燃?xì)怏w傳感器、a/d 轉(zhuǎn)換器、鍵盤控制電路、8051 單片機(jī)電路、晶振、 蜂鳴器以及 led 顯示電路1。 可燃?xì)怏w傳感器輸出為模擬量，需要利用 a/d 轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字 量送給 8051 單片機(jī)；晶振和鍵盤控制作為 8051 單片機(jī)的外圍輸入電路，蜂鳴 器作為報(bào)警用的 8051 單片機(jī)的外圍輸出電路；顯示電路采用了 led 顯示，由 8051 單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)顯示。 圖 5.1 基于 8051 單片機(jī)的實(shí)現(xiàn) 6 2.1.22.1.2、基于、基于 minimini corecore 的實(shí)現(xiàn)方案的實(shí)現(xiàn)方案 基于 mini core 實(shí)現(xiàn)的煤氣報(bào)警器的具體方案如圖 2.2 所示。該方案主要包 括了可燃?xì)怏w傳感器、a/d 轉(zhuǎn)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?xì)怏w傳感器輸出為模擬量，需要利用 a/d 轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)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(bào)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(shí)現(xiàn) 顯示。 圖 6.1 基于 mini core 的實(shí)現(xiàn) 2.1.32.1.3、方案選擇、方案選擇 方案 1 中采用的是 8051 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)煤氣報(bào)警器，該方案具有結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)簡(jiǎn) 單，器件成本較低的特點(diǎn)，是一種較為廣泛采用的實(shí)現(xiàn)方案。 方案 2 中采用的是 rabbit rcm5700 模塊實(shí)現(xiàn)煤氣報(bào)警器，該方案基于 rabbit rcm5700 模塊進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，rabbit minicore 模塊用于加速嵌入式系統(tǒng) 的開發(fā)和實(shí)施。編程開發(fā)采用我們經(jīng)過業(yè)界廣為驗(yàn)證的 dynamic c 開發(fā)系統(tǒng), 一個(gè)包括編輯器、鏈接器、裝載器和編譯器在內(nèi)的 c 語言集成開發(fā)環(huán)境。從你 的計(jì)算機(jī)通過 usb 端口或串口下載程序，立即在目標(biāo)硬件上進(jìn)行調(diào)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(qū)動(dòng)函數(shù)庫和例程、免費(fèi)的 tcp/ip 及其源代碼。 rabbit minicore 系列產(chǎn)品采用超小型 mini pci express 接口，具有可互相兼 容的以太網(wǎng)與 wi-fi 無線網(wǎng)兩個(gè)版本，除了擁有 mini 的外型，使得產(chǎn)品的設(shè)計(jì) 更加容易之外，它還配置了 32 個(gè)通用輸入/輸出端口、6 個(gè)串行端口和一臺(tái) 7 rabbit 5000 微處理器。這些特點(diǎn)使其成為超小型產(chǎn)品中最具成本效益的網(wǎng)絡(luò)連 接解決方案，既可用于網(wǎng)絡(luò)連接也可用于控制。由于該模塊具有設(shè)計(jì)靈活，外 圍擴(kuò)展功能強(qiáng)大的特點(diǎn)，可以構(gòu)成當(dāng)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(wǎng)絡(luò)連接。 針對(duì)其應(yīng)用擴(kuò)展，本設(shè)計(jì)選擇了方案 2，基于 rabbit rcm5700 模塊實(shí)現(xiàn)煤 氣報(bào)警器的方案。 既基于 mini core 實(shí)現(xiàn)的家用煤氣報(bào)警系統(tǒng)，利用可燃?xì)怏w傳感器檢測(cè)某 一環(huán)境中可燃?xì)怏w含量的指標(biāo)，對(duì)于可燃?xì)怏w的檢測(cè)，由于可燃?xì)怏w傳感器輸 出量為模擬量，需要將其進(jìn)行 a/d 轉(zhuǎn)換后送給 rabbit rcm5700 模塊，當(dāng)其含 量超過設(shè)定值時(shí)，由主芯片 rabbit rcm5700 模塊控制蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。 2.22.2、minimini corecore 芯片選擇芯片選擇 2.2.12.2.1、rcm5700rcm5700 的簡(jiǎn)介的簡(jiǎn)介 mini core rcm5700 是 rabbit 半導(dǎo)體公司在 2008 年 9 月 30 日推出的一款 尺寸緊湊的經(jīng)濟(jì)型核心模塊，設(shè)計(jì)人員可以將其用于小尺寸、低價(jià)格、可實(shí)現(xiàn) 控制或采集且支持網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)記錄和上傳、儲(chǔ)罐監(jiān)控、自動(dòng)抄表系統(tǒng)、遠(yuǎn)程能源管理等 領(lǐng)域。 mini core 芯片選擇了 rabbit rcm5700 模塊。rabbit 充分結(jié)合了易于使用和最 大限度的降低產(chǎn)品成本提供可以構(gòu)成當(dāng)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(chǎn)品中體積最近湊和成本最低的嵌入式解決方 案，設(shè)計(jì)人員可以為他們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)方便可靠增加網(wǎng)絡(luò)連接12。 rabbit semiconductor 公司專注于此，推出的產(chǎn)品在行業(yè)內(nèi)被廣泛應(yīng)用，十 幾年來，以其產(chǎn)品質(zhì)量的高穩(wěn)定性、容易開發(fā)、資源豐富、支持聯(lián)網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)獲 得業(yè)界的高度認(rèn)可，譬如 rcm3200、lp3500 在工控和水利、電力領(lǐng)域已經(jīng)成 為行業(yè)內(nèi)的經(jīng)典應(yīng)用。這里要介紹的是 rabbit 公司新推出的一款全新產(chǎn)品 minicore rcm5700 核心模塊，它價(jià)格低廉、尺寸小、開發(fā)容易、支持網(wǎng)絡(luò)控制。 新的 mini core rcm5700 模塊在體積極其緊湊的 mini pci express 板型結(jié) 8 構(gòu)內(nèi)集成了豐富的嵌入式功能，并且成本極低。另外的一個(gè)好處是，minicore rcm5700 為任何嵌入式解決方案提供可極小的結(jié)構(gòu)尺寸。rcm5700 可以在任 何客戶定制開發(fā)的母板上增加新的網(wǎng)絡(luò)連接。 rcm5700 具備 rabbit 5000 微處理器，工作 主頻可達(dá) 50.0 mhz, flash memory，兩個(gè)時(shí)鐘(主晶 振和時(shí)間晶振)和為 rabbit 5000 內(nèi)置實(shí)時(shí)時(shí)鐘/片 內(nèi) 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(shù)字設(shè)備 實(shí)現(xiàn)所有 cmos 兼容的接口。 主要特點(diǎn)： (1) 微處理器為 rabbit5000(內(nèi)含 128 kb 的 sdram)，主頻為 50mhz； (2) 程序存儲(chǔ)器為 1 mb 閃存； (3) 32 個(gè) gpio(可配置)； (4) 6個(gè)(可配置)cmos兼容的串el； (5) 帶實(shí)時(shí)時(shí)鐘(電池供電)； (6) 10個(gè)8位定時(shí)器，10位和l6位定時(shí)器各1個(gè)； (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(wǎng)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(shí)施。編程開發(fā)采 用我們經(jīng)過業(yè)界廣為驗(yàn)證的 dynamic c 開發(fā)系統(tǒng)，一個(gè)包括編輯器、鏈接器、 裝載器和編譯器在內(nèi)的 c 語言集成開發(fā)環(huán)境。 從計(jì)算機(jī)通過 usb 端口或串口下載程序，立即在目標(biāo)硬件上進(jìn)行調(diào)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(qū)動(dòng)函數(shù)庫和例程、免費(fèi)的 tcp/ip 及其源代碼。 有兩種類型的開發(fā)包供用戶進(jìn)行開發(fā)和測(cè)試軟件。標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)包包括你設(shè)計(jì) 圖 8.1 9 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(píng)測(cè) rcm5700 所需要的開發(fā)板。digital i/o 和串口 板可以立即運(yùn)行 dynamic c 中的例程從而快速演示 rcm5700 的產(chǎn)品特點(diǎn)。你 可以立即為 rcm5700 模塊編寫和測(cè)試包括以太網(wǎng)和 tcp/ip 應(yīng)用在內(nèi)的軟件。 2.2.22.2.2、rcm5700rcm5700 的優(yōu)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn) 1）使用完整設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的，具有“運(yùn)行就緒/ 編程就緒”的微處理器模塊， 能使您快速完成產(chǎn)品開發(fā)并投入市場(chǎng)。 2）比購買和組裝單獨(dú)組件更具競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格。 3）簡(jiǎn)單的 c 語言程序開發(fā)和調(diào)試。用于下載經(jīng)編譯的 dynamic c.bin 文 件的 rabbit field utility。 4）能容納數(shù)萬行代碼大型程序并存儲(chǔ)豐富數(shù)據(jù)的大容量存儲(chǔ)器。 5）參考設(shè)計(jì)使集成的以太網(wǎng)能利用無需特許權(quán)的 tcp/ip 軟件實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連 接。 2.2.32.2.3、rcm5700rcm5700 硬件組成硬件組成 rcm5700 標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用電路開發(fā)板。 能通過接口板對(duì) rcm5700 進(jìn)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(shè)計(jì)原理圖 10 圖 10.1 11 圖 11.1 12 rcm5700 模塊接口包括了 52 個(gè)接口，各個(gè)接口定義如圖 12.1 所示。 圖12.1 rcm5700模塊接口定義 根據(jù) rcm5700 模塊接口定義可知，52 個(gè)接口可以劃分為幾個(gè)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 13 rcm5700 模塊管腳功能及說明詳見表。 表 13.1 14 表14.1 15 表15.1 2.32.3、傳感器、傳感器的選擇的選擇 對(duì)于煤氣報(bào)警器的實(shí)現(xiàn)，感應(yīng)器的選擇也相當(dāng)?shù)闹匾?，是系統(tǒng)重要的組成 部分之一，其性能對(duì)于系統(tǒng)的精確度和實(shí)現(xiàn)范圍有這相當(dāng)大的影響，也是體現(xiàn) 煤氣監(jiān)控發(fā)展現(xiàn)狀的標(biāo)志。 16 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(yīng)器多種多樣，特性價(jià)格也各有不同。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用和成 本性價(jià)比，本設(shè)計(jì)一氧化碳?xì)怏w傳感器選擇了 ng-co-001 型電化學(xué)一氧化碳?xì)?體傳感器，其詳情如下4： ng-co-001 型電化學(xué)一氧化碳?xì)怏w傳感器屬工業(yè)級(jí)別產(chǎn)品， 通過成熟的電極制備處理技術(shù)及傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其具有長(zhǎng) 壽命、高靈敏度、液體密閉性良好等技術(shù)特點(diǎn)。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(chǎn)品組裝工藝簡(jiǎn)化，有利的降低了產(chǎn)品成本。 用途：工廠一氧化碳濃度檢測(cè)儀器；氣體計(jì)量器具；空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)器；氣 體變送器；便攜式儀器配套元件等等。 （1）ng-co-001 電化學(xué)一氧化碳?xì)怏w傳感器基本原理 電化學(xué)氣體傳感器由工作電極、參比電極、對(duì)電極構(gòu)成，根據(jù)外部恒電位 電路，傳感器工作電極保持一個(gè)穩(wěn)定的工作電位，一氧化碳?xì)怏w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(duì)電極： o2+4h+4e-=2h2o 總反應(yīng)： 2co+o2=2co2 這樣電化學(xué)氣體傳感器根據(jù)電化學(xué)反應(yīng)電子轉(zhuǎn)移，從而定性并定量的檢測(cè) 出被測(cè)氣體。參比電極主要作用是保持工作電極維持電化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)定工作電 壓，工作電極與對(duì)電極之間因電化學(xué)反應(yīng)形成的電流與被測(cè)氣體濃度成線性關(guān) 系。此傳感器屬于三電極方式，具有檢出信號(hào)穩(wěn)定和線性關(guān)系良好等優(yōu)越性， 在一般工業(yè)得到較為廣泛的應(yīng)用。 圖 16.1 17 圖 17.1 電化學(xué)傳感器原理圖 （2）傳感器基本結(jié)構(gòu)： 氣體傳感器由工作電極、對(duì)電極、參比電極、電解質(zhì)、液體保持材料、過 濾干擾氣體物質(zhì)、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(hào)通過引線傳導(dǎo)到外部電路，通過放大 等處理進(jìn)行顯示。為了提高對(duì)被測(cè)氣體的選擇性，通常在傳感器通氣孔位置設(shè) 置過濾劑，以消除干擾氣體造成的不準(zhǔn)確信號(hào)。 圖 17.2 電化學(xué)氣體傳感器典型構(gòu)造 （3）電化學(xué)氣體傳感器優(yōu)點(diǎn)： 1）對(duì)于氣體的濃度能夠線形輸出信號(hào)重現(xiàn)性好 2）對(duì)被測(cè)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(hào) 4）功耗低，電池即可驅(qū)動(dòng)器工作 5）體積小，重量輕，作為便攜式儀器首選 18 6）本質(zhì)安全結(jié)構(gòu)，機(jī)械性能穩(wěn)定 （4）電化學(xué)一氧化碳?xì)怏w傳感器基本特點(diǎn)： 本質(zhì)特征：ng-co-001 型電化學(xué)一氧化碳?xì)怏w傳感器屬工業(yè)級(jí)別產(chǎn)品，通 過成熟的電極制備處理技術(shù)及傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其具有長(zhǎng)壽命、高靈敏度、 液體密閉性良好等技術(shù)特點(diǎn)。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(chǎn)品組裝工藝簡(jiǎn)化，有利的降低了產(chǎn)品 成本。 用途：工廠一氧化碳濃度檢測(cè)儀器； 氣體計(jì)量器具；空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)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(gè)月以內(nèi)密閉容器 檢知對(duì)象氣體 一氧化碳 測(cè)定范圍 01000ppm 輸出電流 4010nappm 重復(fù)性誤差 2% 響應(yīng)時(shí)間(t90) 1） 25ppm 增益漂移（g=1） 200v 最大輸入失調(diào)電壓（ad623a） 2v /最大輸入失調(diào)漂移（ad623a） 100v 最大輸入失調(diào)電壓（ad623b） 1v /最大輸入失調(diào)漂移（ad623b） 25na 最大輸入偏置電流 噪聲：35nv/ hz 針對(duì)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(hào)源） 800khz 帶寬（g=1） 到終值 0.01%的建立時(shí)間 20s（g=10） 引腳排列 極限參數(shù)如下： 電源電壓 6v 內(nèi)部功率耗散 650mw 差分輸入電壓 6v 圖 22.1 23 輸出短路持續(xù)時(shí)間 不確定 儲(chǔ)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(zhuǎn)換器選擇轉(zhuǎn)換器選擇 本文 a/d 轉(zhuǎn)換器選擇了 tlc2543，該芯片是 7lc2543 是德州儀器公司(ti) 新型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)，具有 l2 位的分辨率，使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成 ad 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yùn)用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中2。 tlc2543 是 l2 位開關(guān)電容逐次逼近型 adc 每個(gè)器件有三個(gè)控制輸入端： 片選(cs)、輸入/輸出時(shí)鐘(i/o clk)及地址數(shù)據(jù)輸入端(data input)。它還可 以通過一個(gè)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(zhuǎn)換結(jié)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(gè)模擬輸入通道中的任一個(gè)?？捎?同樣的方法選用另外三個(gè)測(cè)試電壓,用于轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)的長(zhǎng) 度(8、12 或 16 位)、輸出數(shù)據(jù)的順序(以 msb 開始或 lsb 開始)和是否需要單極 性(二進(jìn)制)或雙極性(二進(jìn)制補(bǔ)碼)格式。其特點(diǎn)有： 1) 12 bit 分辨率 ad 轉(zhuǎn)換器； 2) 在工作溫度范圍內(nèi) 10s 轉(zhuǎn)換時(shí)間； 3) 11 個(gè)模擬輸入通道； 4) 3 路內(nèi)置自測(cè)試方式； 5) 采樣率為 66 kb/s； 6) 線性誤差+1lsb(max)； 7) 有轉(zhuǎn)換結(jié)束(eoc)輸出； 8) 具有單、雙極性輸出； 9) 可編程的 msb 或 lsb 前導(dǎo)； 25 10) 可編程的輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。 26 3 3、基于、基于 rcm5700rcm5700 的系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)的系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 3.13.1、系統(tǒng)硬件電路總體設(shè)計(jì)、系統(tǒng)硬件電路總體設(shè)計(jì) 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(jí)模擬電流信號(hào)， 放大器把信號(hào)放大后，經(jīng)低通濾波濾掉干擾信號(hào)送到 a/d 轉(zhuǎn)換器，變換成數(shù)字 量送主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。由于煤氣泄漏出來的氣體的主要性質(zhì)可以分為毒 性氣體和可燃性氣體 2 種，所以本設(shè)計(jì)中才用了 3 個(gè)性質(zhì)不同的傳感器，對(duì)其 進(jìn)行分別處理。ng-co-001 型電化學(xué)一氧化碳?xì)怏w傳感器主要是對(duì)毒性并可燃 的一氧化碳?xì)怏w進(jìn)行精密的單項(xiàng)檢測(cè)。其他 2 種傳感分別對(duì)其中 2 類的可燃?xì)?體進(jìn)行檢測(cè)。 對(duì) rcm5700 植入軟件程序后，控制整個(gè)電路的運(yùn)行。 空氣中的氣體濃度信號(hào)同時(shí)進(jìn)入主芯片，主芯片對(duì)其進(jìn)行分析，并輸出信 號(hào)到顯示器，控制其提示出“好、優(yōu)、良、中、差”等 5 個(gè)等級(jí)的空氣質(zhì)量提 示。當(dāng)感應(yīng)信號(hào)達(dá)到設(shè)定的任意一個(gè)危險(xiǎn)區(qū)域（包括可燃?xì)怏w濃度危險(xiǎn)區(qū)和毒 性氣體濃度危險(xiǎn)區(qū)）值時(shí)，主控芯片將輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)報(bào)警，控制顯示器顯示出 相應(yīng)空氣質(zhì)量等級(jí)即為“差”，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出聲響，報(bào)警 led 發(fā)光，同時(shí)控 制電磁閥關(guān)閉。以讓監(jiān)控人員進(jìn)行處理。故障排除后，報(bào)警完畢自動(dòng)回到警戒 狀態(tài)，等待下一次報(bào)警。 圖 24.1 系統(tǒng)原理框圖 系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)。所謂的模塊化設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單地說就是程序的編寫不是 氫氣傳感器 烷類傳感器 信號(hào)放大器 信號(hào)放大器 信號(hào)放大器 a/d a/d a/d 晶振 串口 rcm5700 蜂鳴器 顯示器 電磁閥 報(bào)警燈 其他擴(kuò)展 電源 co 傳感器 27 開始就逐條錄入計(jì)算機(jī)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(jié)構(gòu)和流程描述出來，并定義和調(diào)試好各個(gè)框架之間的輸入、 輸出鏈接關(guān)系。 用戶端自動(dòng)報(bào)警器內(nèi)提供備用電源，在沒有市電的情況下，交直流供電自 動(dòng)切換，確保系統(tǒng)在停電時(shí)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(shè)計(jì)主要包括了 rcm5700 模塊電路設(shè)計(jì)、可燃?xì)怏w傳 感器電路設(shè)計(jì)、a/d 轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計(jì)以及通信接口電路設(shè)計(jì)。 28 圖 25.1 系統(tǒng)總體硬件原理圖 使用 rabbit rcm5700 芯片 pb3 接虛擬時(shí)鐘線，利用 pb5 口線接虛擬數(shù)據(jù)線 data。 可燃?xì)怏w傳感器輸出的模擬量經(jīng)過放大電路放大后，再經(jīng)過 ad 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換 后，數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換器的 clk、din、dout、cs 相連，以此實(shí)現(xiàn) 可燃?xì)怏w傳感器和 rcm5700 模塊的相連，將可燃?xì)怏w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(shí)現(xiàn)控制。 使用 rcm5700 模塊 pb2，并電阻連接 led。 3.33.3、信號(hào)采集放大電路的設(shè)計(jì)、信號(hào)采集放大電路的設(shè)計(jì) 由于氣體傳感器采集的電信號(hào)一般很小，而且存在共模成分，需要經(jīng)過放 大電路放大，之后方可進(jìn)行 a/d 轉(zhuǎn)換。氣體傳感器輸出的信號(hào)幅度很小，存在 著不同程度的電磁干擾，因此在本設(shè)計(jì)中，放大電路采用儀表放大器 ad623， 對(duì)來自傳感器的信號(hào)經(jīng)行精密放大，同時(shí)抑制共模成分提高信號(hào)質(zhì)量6。ad623 的主要特點(diǎn)是：使用一只外接電阻設(shè)置增益 g，計(jì)算公式為 g=1+100k/rti，其 中 g 可達(dá) 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(dá)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(yīng)用場(chǎng)合；可取代分立器見構(gòu)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(diǎn)。 在本設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中同時(shí)接地即可。 29 圖 27.1 信號(hào)采集放大電路 由 ad623 構(gòu)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(gòu)成電橋采集信號(hào)，直流+2.5 電壓 用過 lm324 同相輸入端獲得一個(gè)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(jí)電流決定三級(jí)管導(dǎo)通時(shí)的放大倍數(shù)， 因此通過 ce 極的電壓也比較穩(wěn)定。q1、lm324 與 lt1764-3.3 構(gòu)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。 30 lm324 系列器件為價(jià)格便宜的帶有真 差動(dòng)輸入的四運(yùn)算放大器。與單電源應(yīng)用場(chǎng) 合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它們有一些顯著 優(yōu)點(diǎn)。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(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng) 用場(chǎng)合中采用外部偏置元件的必要性。它 有 5 個(gè)引出腳，其中“+”、 “-”為兩個(gè)信號(hào)輸 入端， “v+”、 “v-”為正、負(fù)電源端， “vo”為輸 出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中，vi-（-）為反相 輸入端，表示運(yùn)放輸出端 vo 的信號(hào)與該輸 入端的位相反；vi+（+）為同相輸入端， 表示運(yùn)放輸出端 vo 的信號(hào)與該輸入端的相位相同。lm324 的引腳排列見右圖。 3.43.4、運(yùn)放電路及、運(yùn)放電路及 a/da/d 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路 從一氧化碳傳感器輸出信號(hào)為差分信號(hào)， 該模擬信號(hào)需要經(jīng)過運(yùn)放后送入 a/d 轉(zhuǎn)換器。 本系統(tǒng)中運(yùn)放采用了 ad623 儀用放大器實(shí)現(xiàn)， 運(yùn)放后信號(hào)送入 a/d 轉(zhuǎn)換器。 圖 28.2 中 ain0ain10 為模擬輸入端； cs 為片選端；din 為串行數(shù)據(jù)輸入端；dout 為 ad 轉(zhuǎn)換結(jié)果的三態(tài)串行 輸出端；eoc 為轉(zhuǎn)換結(jié)束端；clk 為 io 時(shí)鐘；ref+為正基準(zhǔn)電壓端；ref 一為負(fù)基準(zhǔn)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 31 vref+：正基準(zhǔn)電壓端，一般接+5v。 v -：負(fù)基準(zhǔn)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(zhuǎn)換結(jié)束端，向外部輸出。 io clock：控制輸入輸出的時(shí)鐘，由外部輸入。 data input：控制字輸入端，用于選擇轉(zhuǎn)換及輸出數(shù)據(jù)格式。 data out：ad 轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸出端。 tlc2543 的工作過程分為兩個(gè)周期:i/o 周期和轉(zhuǎn)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(gè)時(shí)鐘周期,決定 于選定的輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。器件進(jìn)入 i/o 周期后同時(shí)進(jìn)行兩種操作。 在 i/o clock 的前 8 個(gè)脈沖的上升沿,以 msb 前導(dǎo)方式從 data input 端輸入 8 位數(shù)據(jù)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(gè)模擬輸入和三個(gè)內(nèi)部測(cè)電壓中選通一路送到采樣保持電路,該 電路從第 4 個(gè) i/o clock 脈沖的下降沿開始對(duì)所選信號(hào)進(jìn)行采樣,直到最后一 個(gè) i/o clock 脈沖的下降沿。i/o 周期的時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)與輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度(位數(shù)) 同時(shí)由輸入數(shù)據(jù)的 d3、d2 位選擇為 8、12 或 16。當(dāng)工作于 12 或 16 位時(shí),在前 8 個(gè)時(shí)鐘脈沖之后,data input 無效。 在 data out 端串行輸出 8、12 或 16 位數(shù)據(jù)。當(dāng) cs 保持為低時(shí),第一個(gè) 數(shù)據(jù)出現(xiàn)在 eoc 的上升沿。若轉(zhuǎn)換由 cs 控制,則第一個(gè)輸出數(shù)據(jù)發(fā)生在 cs 的 下降沿。這個(gè)數(shù)據(jù)串是前一次轉(zhuǎn)換的結(jié)果,在第一個(gè)輸出數(shù)據(jù)位之后的每個(gè)后續(xù) 位均由后續(xù)的 i/o 時(shí)鐘下降沿輸出。 b) 轉(zhuǎn)換周期 在 i/o 周期的最后一個(gè) i/o clock 下降沿之后,eoc 變低,采樣值保持不變, 轉(zhuǎn)換周期開始,片內(nèi)轉(zhuǎn)換器對(duì)采樣值進(jìn)行逐次逼近式 a/d 轉(zhuǎn)換,其工作由與 i/o clock 同步的內(nèi)部時(shí)鐘控制。轉(zhuǎn)換完成后 eoc 變高,轉(zhuǎn)換結(jié)果鎖存在輸出數(shù)據(jù) 寄存器中,待下一個(gè) i/o 周期輸出。i/o 周期和轉(zhuǎn)換周期交替進(jìn)行,從而可減小外 部的數(shù)字噪聲對(duì)轉(zhuǎn)換精度的影響。 32 c)接口時(shí)序 可以用四種傳輸方法使 tlc2543 得到全 12 位分辯率,每次轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳遞 可以使用 12 或 16 個(gè)時(shí)鐘周期。一個(gè)片選脈沖要插到每次轉(zhuǎn)換的開始處,或是在 轉(zhuǎn)換時(shí)序的開始處變化一次后保持為低,直到時(shí)序結(jié)束。 在設(shè)計(jì)制作時(shí)要注意如下 3 個(gè)問題： （1）電源去耦 當(dāng)使用 tlc2543 這種 12 位 a/d 器件時(shí)，每個(gè)模擬 ic 的電源端必須用一個(gè) 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(gè)電源和陶瓷電容端并一個(gè) 10f 的鉭電容，這樣能夠減小噪聲的影響。 （2）接地 對(duì)模擬器件和數(shù)字器件，電源的地線回路必須分開，以防止數(shù)字部分的噪 聲電流通過模擬地回路引入，產(chǎn)生噪聲電壓，從而對(duì)模擬信號(hào)產(chǎn)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(yīng)當(dāng)盡可能短，如果使用開關(guān)電源，則開關(guān)電源要遠(yuǎn)離模擬器件。 （3）電路板布線 使用 tlc2543 時(shí)一定要注意電路板的布線，電路板的布線要確保數(shù)字信號(hào) 和模擬信號(hào)隔開，模擬線和數(shù)字線特別是時(shí)鐘信號(hào)線不能互相平行，也不能在 tlc2543 芯片下面布數(shù)字信號(hào)線。 tlc2543 對(duì)時(shí)序要求特別嚴(yán)格，數(shù)每隔一小段時(shí)間就會(huì)有變化。 解決的辦法：采集關(guān)中斷。 3.53.5、rcm5700rcm5700 內(nèi)置看門狗的利用內(nèi)置看門狗的利用 由于需要通過 a/d 轉(zhuǎn)換器對(duì)來自于氣敏傳感器的各種模擬量進(jìn)行多次采樣， 外部干擾有可能會(huì)影響 cpu 的正常運(yùn)行，從而引起混亂。但 rcm5700 自帶有 看門狗，看門狗電路作為程序運(yùn)行監(jiān)控器，每隔一定時(shí)間，由控制器向看門狗 發(fā)出一個(gè)復(fù)位信號(hào)，使其復(fù)位端保持無效。程序一旦跑飛或進(jìn)入死循環(huán)造成系 統(tǒng)失效，由看門狗發(fā)出一個(gè)復(fù)位信號(hào)，使系統(tǒng)能盡快復(fù)位并恢復(fù)正常工作。 33 3.63.6、主控制器與顯示屏的接口設(shè)計(jì)、主控制器與顯示屏的接口設(shè)計(jì) 液晶屏采用 1602 液晶屏（單+5v 電源供電） 1602 采用標(biāo)準(zhǔn)的 16 腳接口，其中: 第 1 腳：vss 為地電源 第 2 腳：vdd 接 5v 正電源 第 3 腳：v0 為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電 源時(shí)對(duì)比度最高，對(duì)比度過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過一個(gè) 10k 的電 位器調(diào)整對(duì)比度 第 4 腳：rs 為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選擇指令 寄存器。 第 5 腳：rw 為讀寫信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。 當(dāng) rs 和 rw 共同為低電平時(shí)可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng) rs 為低電平 rw 為高電平時(shí)可以讀忙信號(hào)，當(dāng) rs 為高電平 rw 為低電平時(shí)可以寫入數(shù)據(jù)。 第 6 腳：e 端為使能端，當(dāng) e 端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行 命令。 第 714 腳：d0d7 為 8 位雙向數(shù)據(jù)線。 第 1516 腳：空腳 rcm5700 與 1602 顯示屏的接口，本設(shè)計(jì)采用直接訪問方式接口電路。 圖 31.1 主控制器與顯示屏的接口設(shè)計(jì) 34 3.73.7、氣體自動(dòng)控制閥的原理、氣體自動(dòng)控制閥的原理 臺(tái)灣 sun yeh 電動(dòng)閥門它是一種直角回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，它與閥門定位器配套使 用，可實(shí)現(xiàn)比例調(diào)節(jié)；v 型閥芯最適用于各種調(diào)節(jié)場(chǎng)合，具有額定流量系數(shù)大， 可調(diào)比大，密封效果好，調(diào)節(jié)性能零敏，體積小，可豎臥安裝。適用于控制氣 體、蒸汽、液體等介質(zhì)。 氣動(dòng)活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用壓縮空氣作動(dòng)力源，通過活塞的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)曲臂進(jìn)行 90 度回轉(zhuǎn)，達(dá)到使閥門自動(dòng)啟閉。它的組成部分為：調(diào)節(jié)螺栓、執(zhí)行機(jī)構(gòu)箱體、 曲臂、氣缸體、氣缸軸、活塞、連桿、萬向軸。 氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的工作原理：氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。執(zhí)行機(jī) 構(gòu)是調(diào)節(jié)閥的推力部件，它按控制信號(hào)壓力的大小產(chǎn)生相應(yīng)的推力，推動(dòng)調(diào)節(jié) 機(jī)構(gòu)動(dòng)作。閥體是氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)部件，它直接與調(diào)節(jié)介質(zhì)接觸，調(diào)節(jié)該流 體的流量。 pvc 電動(dòng)調(diào)節(jié)三通球閥是閥與電動(dòng)執(zhí)行器組成，由調(diào)節(jié)電動(dòng)執(zhí)行器接受 420ma 信號(hào)啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)閥體轉(zhuǎn)角為 090從而打開和關(guān)閉閥門，電動(dòng)執(zhí)行器 可搭配大部份之閥門，安裝配套容易。 執(zhí)行器電壓：ac:1110v、1220v、3220v、3380v、3440v、24v; dc24v 消費(fèi)電力： ac10w300w 關(guān)閉時(shí)間： 8sec / 58sec 090 電磁閥與 rcm5700 的連接如下 35 圖 32.1 主控制器與自動(dòng)氣閥接口設(shè)計(jì) 3.83.8、通信接口電路設(shè)計(jì)、通信接口電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中通信接口電路采用了 rs-232 實(shí)現(xiàn)，rs-232c 是由美國(guó)電子工業(yè)協(xié) 會(huì)（eia）正式公布的，在異步串行通信中應(yīng)用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)總線。 rs-232c 標(biāo)準(zhǔn)（協(xié)議）的全稱是 eia-rs-232c 標(biāo)準(zhǔn)，其中 eia(electronic industry association)代表美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)，其中 rs 是 recommended standard 的縮寫，代表推贈(zèng)標(biāo)準(zhǔn)，232 是標(biāo)識(shí)符，c 代表 rs-232 的最新一次修改（1969 年） ，在這之前，有過 rs-232a、rs-232b 標(biāo)準(zhǔn)，它規(guī)定連接電纜和機(jī)械、電氣 特性、信號(hào)功能及傳送過程?，F(xiàn)在，計(jì)算機(jī)上的串行通信端口（rs-232）是標(biāo) 準(zhǔn)配置端口，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，計(jì)算機(jī)上一般都有 12 個(gè)標(biāo)準(zhǔn) rs-232c 串 口，即通道 com1 和 com2。具體的 rcm5700 配置情況可以參考表 33.1。 表33.1 rcm5700配置情況 其中電平轉(zhuǎn)換芯片采用了 maxim 公司的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片 max232 實(shí) 現(xiàn)。其典型電路連接如圖 33.2 所示。 36 圖33.2 max232典型電路連接 3.83.8、電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)、電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)中電源除了+5v 以外，還包括了+3.3v，其電源轉(zhuǎn)換電路采用了芯片 lt1764-3.3 實(shí)現(xiàn)+5v 到+3.3v 的轉(zhuǎn)換，其電路連接如圖 34.1 所示。 圖34.1 lt1764-3.3電源轉(zhuǎn)換電路 本章小結(jié)： 本章針對(duì)基于 minicore rcm5700 模塊的實(shí)現(xiàn)方案，給出了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的總 體硬件電路設(shè)計(jì)。并分別對(duì) rcm5700 模塊碳?xì)怏w傳感器電路、放大電路，a/d 轉(zhuǎn)換器電路、以及通信接口電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)闡述。 4 4、系統(tǒng)電路調(diào)試、系統(tǒng)電路調(diào)試 在進(jìn)行硬件電路的實(shí)驗(yàn)調(diào)試時(shí)，首先檢測(cè)電路板各個(gè)主要模塊之間的連通 性，即保證硬件電路焊接及連接無誤，是否有短路、虛焊現(xiàn)象發(fā)生；對(duì)系統(tǒng)各 硬件電路進(jìn)行檢測(cè)，保證各模塊可以正常工作，同時(shí)保證各主要硬件電路可以 由主控芯片 rabbit