一氧化碳?xì)怏w檢測系統(tǒng)畢業(yè)

1、河南科技學(xué)院新科學(xué)院2013屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）一氧化碳?xì)怏w檢測報(bào)警系統(tǒng)學(xué)生姓名： 所在系別： 電氣工程系所學(xué)專業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化導(dǎo)師姓名： 完成時(shí)間： 2013年5月10日一氧化碳?xì)怏w檢測報(bào)警系統(tǒng)摘要本論文主要實(shí)現(xiàn)一氧化碳?xì)怏w泄露的檢測與報(bào)警，系統(tǒng)主要以半導(dǎo)體氣體傳感器為研究對象，以單片機(jī)為核心構(gòu)成一個(gè)具備信號(hào)產(chǎn)生、數(shù)據(jù)處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)通信、報(bào)警電路等功能的完整系統(tǒng)。該系統(tǒng)的工作原理為：家庭用電經(jīng)降壓、穩(wěn)壓處理為整個(gè)電路供電，傳感器將體積濃度轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)過線性放大、A/D轉(zhuǎn)換等一系列處理后，最后送入單片機(jī)AT89S51中與標(biāo)準(zhǔn)濃度對比進(jìn)行檢測。如果濃度超過限定值，報(bào)警器就會(huì)

2、報(bào)警。這種電路具有實(shí)用性強(qiáng)、可靠性高、測量精度高等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境監(jiān)測和日常生活等方面。關(guān)鍵詞：一氧化碳?xì)怏w，單片機(jī)，報(bào)警 AbstractIn this paper, the main gas leak measurement and alarm systems to the semiconductor gas sensor for the study in order to constitute a single-chip microcomputer as the core with data acquisition, object control, results

3、showed that features such as data communication system of integrity. The system works as follows : DC Power Supply for the entire circuit, sensors will be converted into concentration voltage signals, after a series of linear processing, analogue switch to the A / D converters, Finally, figures show

4、 circuit testing ones and the gas concentration by single-chip microcomputer. If concentrations exceed the limit, the alarm will alarm. This circuit is practical, high reliability and high precision measurement can be widely used in industrial, medical and health, environmental monitoring and daily

5、life, and so on.Key words ：carbon monoxide ,Single chip microcontroller ,alarm 目錄1 緒論11.1 論文研究的背景11.2 論文研究的目的11.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)11.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容22 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)32.1 方案的選擇32.2 系統(tǒng)流程框圖33 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和傳感器的選用43.1 主機(jī)單元電路43.1.1 AT89S51單片機(jī)43.1.2 X5045看門狗定時(shí)器63.1.3 電源電路63.2 功能模塊73.2.1 數(shù)據(jù)處理模塊73.2.2 ADC0809的數(shù)據(jù)采集單元93.2.3 聲光報(bào)警單元

6、103.2.4 排風(fēng)扇的控制系統(tǒng)與切斷閥113.3 傳感器的選用133.3.1 NAP505型電化學(xué)式傳感器143.3.2 MQ-9半導(dǎo)體氣體傳感器153.4 硬件設(shè)計(jì)總結(jié)174 主程序流程圖175 結(jié)論18參考文獻(xiàn)20致謝21附錄I22附錄II231 緒論1.1 論文研究的背景隨著科技的發(fā)展，越來越多的可燃性氣體作為能源應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活中。但是可燃性氣體在給我們帶來極大便利的同時(shí)，也存在巨大隱患。家用煤氣的使用和儲(chǔ)存過程中會(huì)因各種原因發(fā)生泄漏，煤氣的主要成分是可燃?xì)饧淄楹鸵谎趸?，遇到明火?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，可燃?xì)庥龅诫娀鸹赡軙?huì)發(fā)

7、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，如果長時(shí)間吸入泄露的煤氣甚至?xí)l(fā)生中毒死亡。為了減少這類事故的發(fā)生，就必須對廚房內(nèi)一氧化碳等可燃?xì)怏w進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)時(shí)檢測，采用先進(jìn)可靠的安全檢測報(bào)警裝置，嚴(yán)密監(jiān)測環(huán)境中這些氣體的濃度，及早發(fā)現(xiàn)事故隱患，采取有效措施，避免事故發(fā)生，才能確保工業(yè)安全和家庭生活安全。因此，研究可燃性氣體的檢測方法與研制可燃性氣體報(bào)警器就成為傳感器技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國2010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。201

8、2年3-5月份，柳州地區(qū)發(fā)生了2起非職業(yè)性一氧化碳中毒事件。1.2 論文研究的目的人們面對燃?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)生的一氧化碳是煤氣中毒響應(yīng)的根源，如果采用煤氣泄漏報(bào)警器就能得到及時(shí)的警示。有關(guān)部門經(jīng)長期測試同樣得出結(jié)論，煤氣報(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(xiàn)在希

9、望住宅不僅更便利、舒適而且更安全。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钪谐３Ｐ枰獪y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)研制了智能一氧化碳?xì)怏w檢測報(bào)警系統(tǒng)。1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)在應(yīng)用方面，目前最廣泛的是一氧化碳、甲烷等可燃性氣體氣敏元件傳感器，而且已經(jīng)普及應(yīng)用于氣體泄漏檢測和監(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

10、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。美國目前已有6個(gè)州立法，規(guī)定家庭、公寓等都要安裝一氧化碳?xì)怏w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，采用了統(tǒng)一的軟件，只需要換氣

11、體傳感器，即可實(shí)現(xiàn)對特定氣體監(jiān)測。美國國際傳感器技術(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。一氧化碳?xì)怏w傳感器的發(fā)展也成為氣體檢測系統(tǒng)的代表性標(biāo)志。目前，國外氣體傳感器的發(fā)展趨勢集中表現(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)。如美國IST提供了壽命達(dá)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(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，

12、多功能化，發(fā)展現(xiàn)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(zhǔn)和監(jiān)視故障狀況功能，實(shí)現(xiàn)了智能化。國內(nèi)氣體傳感器的發(fā)展趨勢集中表現(xiàn)為：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，電化學(xué)氣體傳感器有了試制產(chǎn)品；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

13、和有機(jī)半導(dǎo)體等也開始用于氣敏材料；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?？偟目磥?，我國氣敏元件傳感器及其應(yīng)用技術(shù)有了較快進(jìn)展，但與國外先進(jìn)水平仍有較大的差距。1.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容本篇論文是關(guān)于一氧化碳?xì)怏w泄漏自動(dòng)檢測報(bào)警系統(tǒng)的研制，主要針對一氧化碳?xì)怏w，以實(shí)現(xiàn)一氧化碳?xì)怏w氣的檢測與報(bào)警。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)器控制器對各感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行相

14、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)閉總氣閥或者啟動(dòng)排風(fēng)扇使空氣對流。本課題在硬件設(shè)計(jì)方面主要研究組成家用一氧化碳?xì)怏w泄漏報(bào)警控制系統(tǒng)的單片機(jī)芯片、氣體傳感器的使用方法，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)等的器件選用和設(shè)計(jì)，最后給出結(jié)構(gòu)框圖、電路原理圖。2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)2.1 方案的選擇方案一，通過傳感器感受到可燃性氣體，降低自身的阻值，來增大電流，并且驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。電路簡單、可靠但是靈活性和實(shí)用性差。方案二，可以通過傳感器感知信號(hào)多級放

15、大電路，并用電位器調(diào)節(jié)得到固定的電壓值，當(dāng)?shù)玫娇扇夹詺怏w信號(hào)時(shí)，電阻值立刻變小，放大器的放大倍數(shù)增加，電壓也就隨著增加，驅(qū)動(dòng)三極管導(dǎo)通報(bào)警電路。方案三，通過51系列單片機(jī)作為主控單元，并且能夠通過傳感器經(jīng)數(shù)據(jù)采集后把模擬信號(hào)通過A/D信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后經(jīng)過單片機(jī)處理控制報(bào)警功能電路。同時(shí)還可以在不同的應(yīng)用場合和針對不同氣體做出不同的濃度設(shè)定，并且儲(chǔ)存報(bào)警的上限和報(bào)警時(shí)間，方便查詢和日后的工作調(diào)查。綜合考慮，由于使用單片機(jī)設(shè)計(jì)靈活性更強(qiáng)、用途更寬廣，所以本設(shè)計(jì)采用方案三。2.2 系統(tǒng)流程框圖如圖2-1所示，該設(shè)計(jì)是由AT89C51單片機(jī)主要控制單元，具備看門狗芯片和時(shí)鐘芯片作為主題單元。采

16、集的數(shù)據(jù)經(jīng)過信號(hào)處理和A/D轉(zhuǎn)換送入單片機(jī)。圖2-1 系統(tǒng)流程框圖3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和傳感器的選用硬件系統(tǒng)的電路包括主機(jī)單元的電路和功能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模塊電路。主機(jī)單元主要由AT89C51單片機(jī)與X5045看門狗定時(shí)器和7805電源電路組成。功能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模塊，由傳感器、信號(hào)處理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和報(bào)警電路組成。3.1 主機(jī)單元電路主機(jī)模塊是由主控芯片AT89S51、X5045和電源電路構(gòu)成，它是報(bào)警器的核心部分。電源電路提供+5V的穩(wěn)定直流電壓；X5045防止系統(tǒng)死機(jī)，保證程序正常運(yùn)行，內(nèi)部的EEPROM有掉電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，用于保存各采集通道的報(bào)警上限。3.1.1 AT89C51單片機(jī)AT89C51

17、是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的89C51是一種高效微控制器，89C2051是它的一種精簡版本。AT89C51具有如下特點(diǎn)：40個(gè)引腳,8k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器,256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個(gè)中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，

18、2個(gè)全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器，主要功能表特性見表3-1。此外，AT89C51設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為0Hz-24MHz并可通過軟件設(shè)置省電模式。空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM定時(shí)計(jì)數(shù)器,串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。表3-1 主要功能表特性兼容MCS-51指令系統(tǒng)4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 32個(gè)雙向I/O口工作電壓兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz全雙工UART串行通道128*8位內(nèi)部RAM5個(gè)中斷源壽命：1000寫/擦循環(huán)低功耗的閑置和掉電模式三級程序存儲(chǔ)器

19、鎖定看門狗（WDT）電路軟件設(shè)置空閑和省電功能數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年雙數(shù)據(jù)寄存器指針在本設(shè)計(jì)中，P1口作為看門狗X4050芯片的數(shù)據(jù)傳送總線； RESET接X5045的RET接口受其看門狗監(jiān)督，P1.3和P1.4兩個(gè)接口用來接X5045的數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出；P1.1和P1.2接X5045的片選接口和時(shí)鐘接口。主機(jī)AT89C51完成對監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集過程、采集方式和報(bào)警過程的控制。其最簡單的連接圖如圖3-1所示。圖3-1 AT89S51最小系統(tǒng)3.1.2 X5045看門狗定時(shí)器、電壓監(jiān)控和串行EEPROM 三種功能于一身的可編程電路。這種組合設(shè)計(jì)減少了電路對電路板空間的需求。X5045中的看門狗

20、對系統(tǒng)提供了保護(hù)功能。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障而超過設(shè)置時(shí)間時(shí)，電路中的看門狗將通過RESET信號(hào)向CPU 作出反應(yīng)。X5045提供了三個(gè)時(shí)間值供用戶選擇使用。它所具有的電壓監(jiān)控功能還可以保護(hù)系統(tǒng)免受低電壓的影響，當(dāng)電源電壓降到允許范圍以下時(shí)，系統(tǒng)將復(fù)位，直到電源電壓返回到穩(wěn)定值為止。X5045的存儲(chǔ)器與CPU 可通過串行通信方式接口，共有4096個(gè)位，可以按512 x 8個(gè)字節(jié)來放置數(shù)據(jù)?？梢源娣?12個(gè)字節(jié)，可擦寫100萬次以上并且存儲(chǔ)100年。X5045共有8個(gè)引腳，各引腳的功能如下： CS ：電路選擇端，低電平有效SO ：串行數(shù)據(jù)輸出端；SI ：串行數(shù)據(jù)輸入端； SCK：串行時(shí)鐘輸入端； WP

21、：寫保護(hù)輸入端，低電平有效； RESET ：復(fù)位輸出端； VCC ：電源端；VSS ：接地端。本設(shè)計(jì)中由于X5045是利用SPI通信協(xié)議的，所以電路連接十分簡單。SI和SO分別接AT89C51的P1.3和P1.4用作數(shù)據(jù)的傳輸使用。而CS和SCK分別接單片機(jī)的P1.1和P1.2用作控制端口使用。而WP和VCC是直接接電源，RS上拉10K電阻接電源，并且接上AT89C51的RESET引腳，用作控制單片機(jī)復(fù)位信號(hào)使用，并且上電復(fù)位。設(shè)計(jì)中所用到的電路圖如圖3-2所示。圖3-2 設(shè)計(jì)中X5045的連接 3.1.3 電源電路220V交流市電通過電源變壓器變換成交流低壓，再經(jīng)過橋式整流電路D1D4和濾波

22、電容C1的整流和濾波，在固定式三端穩(wěn)壓器LM7805的Vin和GND兩端形成一個(gè)并不十分穩(wěn)定的直流電壓(該電壓常常會(huì)因?yàn)槭须婋妷旱牟▌?dòng)或負(fù)載的變化等原因而發(fā)生變化)。此直流電壓經(jīng)過LM7805的穩(wěn)壓和C3的濾波便在穩(wěn)壓電源的輸出端產(chǎn)生了精度高、穩(wěn)定度好的直流輸出電壓。本穩(wěn)壓電源可作為TTL電路或單片機(jī)電路的電源。三端穩(wěn)壓器是一種標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的通用線性穩(wěn)壓電源集成電路，以其體積小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用簡捷方便等特點(diǎn)，成為目前穩(wěn)壓電源中應(yīng)用最為廣泛的一種單片式集成穩(wěn)壓器件。 圖3-3 電源連接電路圖3-5中各電容的作用：C1 為整流濾波電容，它把整流后的脈動(dòng)波形濾波為脈動(dòng)紋波很小的

23、直流電壓，它的容量與負(fù)載有關(guān)，一般說，負(fù)載越重，C1的值要求越大，具體計(jì)算此處從略； C2 為LM7805穩(wěn)壓集成電路所要求的，尤其當(dāng)LM7805與整流電路的濾波電容（此處為C1)不是緊緊連接的情況更是必不可少的，它用于穩(wěn)定LM7805內(nèi)部放大器的工作狀態(tài)，它的數(shù)值生為產(chǎn)廠家規(guī)定值，不得小于0.33微法，它的連接必須盡可能緊連LM7805的1腳和2腳；C3也為LM7805穩(wěn)壓集成電路所要求的，它用于穩(wěn)定LM7805內(nèi)部放大器的工作狀態(tài)，同時(shí)改善電壓調(diào)整的過渡響應(yīng)。它的數(shù)值為生產(chǎn)廠家規(guī)定值，不得小于0.1微法，它的連接必須盡可能緊連LM7805的3腳和3腳；C4為負(fù)載電路退耦電容，它對負(fù)載提供一

24、個(gè)端距離的本地回路，其數(shù)值與負(fù)載工作方式有關(guān)。 3.2 功能模塊該部分中主要由數(shù)據(jù)采集模塊、信號(hào)處理模塊、事故處理模塊和聲光報(bào)警模塊?？梢詫?shí)現(xiàn)AT89S51單片機(jī)的對傳感器信號(hào)進(jìn)行采集計(jì)算比較，并產(chǎn)生相應(yīng)的報(bào)警和排風(fēng)措施。3.2.1 數(shù)據(jù)處理模塊在許多需要用A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字采集的單片機(jī)系統(tǒng)中，多數(shù)情況下，傳感器輸出的模擬信號(hào)都很微弱，必須通過一個(gè)模擬放大器對其進(jìn)行一定倍數(shù)的放大，才能滿足A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號(hào)電平的要求，在此情況下，就必須選擇一種符合要求的放大器。本設(shè)計(jì)中涉及到多個(gè)傳感器，而且每個(gè)傳感器的輸出信號(hào)不一，有些是輸出電壓信號(hào)，有些是輸出電流信號(hào)（工業(yè)用），所以本設(shè)計(jì)中采用不同的方法

25、作為信號(hào)處理。圖3-4所示工業(yè)處理模式。工業(yè)模式所輸出的是4-20mA，可通過精密電阻250歐變成1-5v的電壓信號(hào)，再經(jīng)過阻容濾波的電壓信號(hào)傳給A/D轉(zhuǎn)換芯片。這就需要兩個(gè)基準(zhǔn)電壓，+5v和+1v。而本設(shè)計(jì)的NAP-505是輸出0-50uA，則可通過精密電阻100k來解決。圖3-4 工業(yè)處理模式電壓信號(hào)輸出時(shí)，需要采用放大器，才能夠正常給A/D芯片使用。本設(shè)計(jì)采用的是LM358放大器。儀表儀器放大器的選型很多，我們這里介紹一種用途非常廣泛的儀表放大器，就是典型的差動(dòng)放大器。它只需高精度LM358和幾只電阻器，即可構(gòu)成性能優(yōu)越的儀表用放大器。廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)控制、儀器儀表、電氣測量等數(shù)字采集

26、的系統(tǒng)中。本設(shè)計(jì)中差動(dòng)放大電路結(jié)構(gòu)圖如下：圖3-5 差動(dòng)放大器結(jié)構(gòu)圖推導(dǎo)過程： 則： 圖3-6 LM358引腳LM358（圖3-6）內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場合。3.2.2 ADC0809的數(shù)據(jù)采集單元ADC0809具有8個(gè)通道的模擬輸入線(IN0IN7)，可在程序控制下對任意通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，獲得8位二進(jìn)制數(shù)字量(D7D0)。模擬輸入部分有8路多路開關(guān)，可由3位地址輸入ADDA、ADDB、ADDC的不同組合來選擇，A

27、LE為地址鎖存信號(hào)，高電平有效，鎖存這三條地址輸入信號(hào)。主體部分是采用逐次逼近式的A/D轉(zhuǎn)換電路，由CLK控制的內(nèi)部電路的工作,START為啟動(dòng)命令，高電平有效，啟動(dòng)ADC0809內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換，當(dāng)轉(zhuǎn)換完成，輸出信號(hào)EOC有效，OE為輸出允許信號(hào)，高電平有效，打開輸出三態(tài)緩沖器,把轉(zhuǎn)換后的結(jié)果送DB。ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式AD轉(zhuǎn)換器，它由8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關(guān)樹型DA轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器、三態(tài)輸出鎖存器等其它一些電路組成。因此，ADC0809可處理8路模擬量輸入，且有三態(tài)輸出能力，既可與各種微處理器相連，也可單獨(dú)工作。輸入輸出與TTL兼容。引腳功

28、能：ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，下面說明各引腳功能。 IN0IN7：8路模擬量輸入端。D0D7：8位數(shù)字量輸出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路。ALE：地址鎖存選通信號(hào)，輸入高電平有效。 START： AD轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)，輸入高電平有效。 EOC： AD轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，當(dāng)AD轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸出一個(gè)高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。 OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)，輸入高電平有效。當(dāng)AD轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。CLK：時(shí)鐘脈沖輸入端。要求時(shí)鐘頻率不高于640KHZ。REF（+）、REF（-）：基準(zhǔn)電

29、壓輸入端,它們決定了輸入模擬電壓的最大值和最小值. VCC：電源，接5V。GND：接地。主要特性：1. 8路8位AD轉(zhuǎn)換器，即分辨率8位2. 具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫?. 轉(zhuǎn)換時(shí)間為100s4. 單個(gè)5V電源供電5. 模擬輸入電壓范圍05V，不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)6. 工作溫度范圍為-4085攝氏度7. 低功耗，約15mWADC0809的工作過程是：當(dāng)模擬量送至某一輸入通道IN0后，CPU將標(biāo)識(shí)該通道編碼的三位地址信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)線或地址線輸入到ADDC、ADDB、ADDA引腳上。然后輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動(dòng) AD轉(zhuǎn)換，之后EOC

30、輸出信號(hào)變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到AD轉(zhuǎn)換完成，轉(zhuǎn)換開始,EOC變?yōu)楦唠娖?，指示AD轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個(gè)信號(hào)可用作中斷申請。轉(zhuǎn)換結(jié)束,OE輸入高電平，EOC可作為中斷請求信號(hào), 轉(zhuǎn)換結(jié)束后，可通過執(zhí)行IN指令，設(shè)法在輸出允許OE腳上形成一個(gè)正脈沖，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。如圖 3-7 ADC0809的總體設(shè)計(jì)3.2.3 聲光報(bào)警單元作為煤氣泄露測試裝置，聲光報(bào)警部分不可缺少，當(dāng)檢測到CO氣體在空氣中的所占的比例超標(biāo)時(shí)，就應(yīng)該通過聲光方式發(fā)出警報(bào)，防止由于CO氣體含量過高而發(fā)生的意外事故。本設(shè)計(jì)中的聲光報(bào)警部分包括蜂鳴器以及紅、黃兩個(gè)LED報(bào)警指示燈。

31、聲光報(bào)警表現(xiàn)形式如下：（1）綠燈點(diǎn)亮表示空氣中CO氣體濃度正常，此時(shí)紅燈和黃燈熄滅，排風(fēng)扇和蜂鳴器不工作。（2）紅燈點(diǎn)亮表示傳感器檢測到CO氣濃度體達(dá)到下限值，此時(shí)綠燈和黃燈熄滅，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲；（3）黃燈點(diǎn)亮表示傳感器檢測到CO氣體濃度30秒內(nèi)變化速率超過下限值此時(shí)綠燈和紅燈熄滅，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲；（4）紅燈和黃等同時(shí)點(diǎn)亮表示傳感器檢測到CO氣體濃度達(dá)到下限值同時(shí)30秒內(nèi)變化速率也超過下限值，此時(shí)綠燈熄滅，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲。單片機(jī)本身I/O的驅(qū)動(dòng)能力不是很高，所以對蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)需要加入一個(gè)PNP三極管，這樣能夠使蜂鳴器的聲音更加響亮，起到更好的報(bào)警作用。三極管基極的電路保證了只有在單片機(jī)輸

32、出低電平時(shí)，蜂鳴器才會(huì)發(fā)聲，避免了誤報(bào)警的發(fā)生。如圖3-8所示。圖3-8 聲光報(bào)警3.2.4 排風(fēng)扇的控制系統(tǒng)與切斷閥在開關(guān)量控制中，最常用的器件是光電隔離器。光電隔離器的種類繁多，常用的有發(fā)光二極管/光敏三極管，發(fā)光二極管/光敏復(fù)合晶體管，發(fā)光二極管/光敏電阻，以及發(fā)光二極管/光觸可控硅等。光電隔離器有GaAs紅外線二極管和光敏三極管組成。光電隔離電路的作用是在電隔離的情況下,以光為煤介傳送信號(hào),對輸入和輸出電路可以進(jìn)行隔離.因而能有效地抑制系統(tǒng)噪聲，消除接地回路的干擾，有響應(yīng)速度較快、壽命長、體積小耐沖擊等好處，使其在強(qiáng)-弱電接口，特別是在微機(jī)系統(tǒng)的前向和后向通道中獲得廣泛應(yīng)用。繼電器是電

33、氣控制中常用的控制器件。一般由通電線圈和觸點(diǎn)構(gòu)成。當(dāng)線圈通電時(shí)，由于磁場的作用，使開關(guān)觸點(diǎn)閉合（或打開）。當(dāng)線圈不通電時(shí)，則開關(guān)觸點(diǎn)斷開（或閉合）。一般線圈可以用直流低電壓控制；而觸點(diǎn)輸出部分可以直接與220V連接；有時(shí)繼電器也可以與低電器配合使用。繼電器有電磁繼電器，干簧管繼電器，固態(tài)繼電器（半導(dǎo)體繼電器）等。本次設(shè)計(jì)采用固態(tài)繼電器下面對固態(tài)繼電器作一下詳細(xì)介紹：固態(tài)繼電器是一種兩個(gè)接線端為輸入端，另兩個(gè)接線端為輸出端的四端器件，中間采用隔離器件實(shí)現(xiàn)輸入輸出的電隔離。 固態(tài)繼電器按負(fù)載電源類型可分為交流型和直流型。按開關(guān)型式可分為常開型和常閉型。按隔離型式可分為混合型、變壓器隔離型和光電隔離

34、型，以光電隔離型為最多。（1）固態(tài)繼電器（SSR）是一種全電子電路組合的元件，它依靠半導(dǎo)體器件和電子元件的電磁和光特性來完成其隔離和繼電切換功能。固態(tài)繼電器與傳統(tǒng)的電磁繼電器相比，是一種沒有機(jī)械，不含運(yùn)動(dòng)零部件的繼電器，但具有與電磁繼電器本質(zhì)上相同的功能。（2）固態(tài)繼電器優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：多數(shù)產(chǎn)品具有零電壓導(dǎo)通，零電流關(guān)斷，與邏輯電路兼容（TTL、DTL、HTL）切換速度快、無噪音、耐腐蝕、抗干擾、壽命長、體積小，能以微小的控制信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)大電流負(fù)載等。 缺點(diǎn)：存在通態(tài)壓降，需要散熱措施，有輸出漏電流，交直流不能通用，觸點(diǎn)組數(shù)少，成本高。（3）固態(tài)繼電器應(yīng)用領(lǐng)域： 由于固態(tài)繼電器的內(nèi)在特點(diǎn)，自問世

35、以來以進(jìn)入電磁繼電器的大多數(shù)領(lǐng)域，在少數(shù)領(lǐng)域以完全取而代之。（4）基于上述介紹，固態(tài)繼電器不是直接接溫度控制器，溫控器僅是一個(gè)傳感元件，相應(yīng)的還得有電源和其它輔助電路。雖然繼電器本身有一定的隔離作用，這里還是采用光電隔離器進(jìn)行隔離。圖3-9 光電隔離電路如圖3-9所示，當(dāng)開關(guān)量P2.2輸出為高電平時(shí)，經(jīng)反向驅(qū)動(dòng)器7406變?yōu)榈碗娖?，使發(fā)光二極管發(fā)光，從而使光敏三極管導(dǎo)通，進(jìn)而使晶體管8050導(dǎo)通，因而使繼電器J的線圈通電，繼電器觸點(diǎn)閉合，使交流220V電源接通，從而打開排氣扇，使CO濃度降低。反之，當(dāng)P2.2輸出低電平時(shí)，使S1斷開。圖中所示電阻R1為限流電阻，二極管V的作用是保護(hù)晶體管805

36、0。當(dāng)繼電器J吸合時(shí)，二極管V截止，不影響電路工作。繼電器釋放時(shí)，由于繼電器線圈存在電感，這時(shí)晶體管已經(jīng)截止，所以會(huì)在線圈的兩端產(chǎn)生較高的感應(yīng)電壓。此電壓的極性為上負(fù)下正，正端連在晶體管的集電極上。當(dāng)感應(yīng)電壓與VCC之和大于晶體管8050的集電極反向電壓時(shí)，晶體管有可能損壞。加入二極管V后，繼電器線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流從二極管V流過，從而使晶體管8050得到保護(hù)。切斷閥控制電路與排氣扇裝置電路類似，只是將風(fēng)扇換成切斷閥，原理相似。3.3 傳感器的選用對于煤氣報(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

37、標(biāo)志。可燃?xì)怏w的危險(xiǎn)性主要視其爆炸極限，爆炸下限數(shù)值越小、爆炸下限與上限之間的范圍越大，越危險(xiǎn)。有許多可燃?xì)怏w同時(shí)具有毒性。表3-2 典型可燃?xì)怏w的主要特性氣體名稱化學(xué)式爆炸界限/Vol%容許濃度/ppm比重（空氣=1） 碳化氫及其派生物甲烷CH40.6丙烷C3H810001.6丁烷C4H82.0汽油氣5003.4乙炔C2H20.9甲醇CH3OH2001.1醇乙醇C2H5OH10001.6醚乙醚C2H5O2.6無機(jī)氣體一氧化碳CO501.0氫H20.07其中CO的氣體毒性是對人體有非常大的傷害的，見下表3-3所示。表3-3 CO對人體的有害程度空氣中一氧化碳的濃度吸入時(shí)間和中毒癥狀200ppm

38、2-3小時(shí)前頭部輕度頭痛400ppm1-2前頭痛惡心2.5-3后頭痛800ppm45 分鐘頭暈眼花2小時(shí)精神失1600ppm20分鐘頭暈、頭痛眼花2小時(shí)死亡3200ppm5-10分鐘頭暈、頭痛、眼花30分鐘死亡6400ppm1-2分鐘頭暈、頭痛、眼花10-15分鐘死亡12800ppm1-3分鐘死亡在設(shè)計(jì)中考慮的是家庭使用情況，特別是對于一氧化碳?xì)怏w中毒現(xiàn)象，選用的傳感器型號(hào)是MQ-9，該傳感器價(jià)格比較便宜，精確度適中可以用在家庭中。而工業(yè)級別的傳感器一般選擇NAP-505型電化學(xué)一氧化碳?xì)怏w傳感器，精確度高而且穩(wěn)定，但價(jià)格比較昂貴適合企業(yè)使用。3.3.1 NAP505型電化學(xué)式傳感器（1）傳感

39、器基本結(jié)構(gòu)：氣體傳感器由工作電極、對電極、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，如圖3-10所示。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(shè)置過濾劑，以消除干擾氣體造成的不準(zhǔn)確信號(hào)。圖3-10 電化學(xué)氣體傳感器典型構(gòu)造（2）電化學(xué)氣體傳感器優(yōu)點(diǎn)：a.對于氣體的濃度能夠線形輸出信號(hào)重現(xiàn)性好b.對被測氣體具有良好選擇性，不受溫濕度的影響c.空氣中的輸出值漂移小，可以獲得穩(wěn)定的輸出信號(hào)d.功耗低，電池即可驅(qū)動(dòng)器工作e.體積小，重量輕，作為便攜式

40、儀器首選f.本質(zhì)安全結(jié)構(gòu)，機(jī)械性能穩(wěn)定（3）電化學(xué)一氧化碳?xì)怏w傳感器基本特點(diǎn)：本質(zhì)特征：NAP-505型電化學(xué)一氧化碳?xì)怏w傳感器屬工業(yè)級別產(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)品組裝工藝簡化，有利的降低了產(chǎn)品成本。用途：工廠一氧化碳濃度檢測儀器；氣體計(jì)量器具；空氣質(zhì)量監(jiān)測器；氣體變送器；便攜式儀器配套元件等等。NAP-505的工作及保存條件： 保存環(huán)境溫度 020測定范圍 01000ppm輸出電流 40±10nAppm重復(fù)性誤差 ±2

41、%響應(yīng)時(shí)間(t90) <30>秒基準(zhǔn)線位移(-2050) <100ppm圖3-11 靈敏度特性曲線圖3-12 應(yīng)答特性3.3.2 MQ-9半導(dǎo)體氣體傳感器MQ-9傳感器因裝有活性炭過濾器，消除了雜質(zhì)氣體的影響，對有機(jī)溶劑或其他揮發(fā)性氣體的靈敏度低，而對氫氣和一氧化碳的靈敏度高，非常適合用于檢測人工煤制氣。在這里我們主要他對對一氧化碳?xì)怏w的檢測功能能。下圖是典型的靈敏度特性，全部是在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下得出的結(jié)果。圖3-13 靈敏度圖縱坐標(biāo)以傳感器電阻比（Rs/Ro）表示，Rs，Ro的定義如下： Rs 不同濃度氣體中的電阻值 ,Ro 1000ppm一氧化碳中的電阻值 基本測試回路：

42、此傳感器需要施加 2 個(gè)電壓：加熱器電壓（VH）和回路電壓（VC）。這個(gè)VH用于維持敏感素子處于與對象氣體相適應(yīng)的特定溫度而施加在集成的加熱器上。VC則是用于測定與傳感器串聯(lián)的負(fù)載電阻（RL）上的兩端電壓（VRL）。這種傳感器具有極性，所以VC需用直流電源。只要能滿足傳感器的電性要求，VC和VH可以共用同一個(gè)電源電路。為了將判定值水平最佳化，并使敏感素子的功耗（PS）低于15mW的限度值，需要選擇RL的值。MQ-9的管腳連接如圖3-14所示，1或3接傳感器，4或6接傳感器，2 和5接加熱器 圖3-14 基本連接傳感器的工作原理是它的表面電阻 Rs ，是通過與其串聯(lián)的負(fù)載電阻 RL 上的有效電壓信VRL 輸出而獲得的。二者之間的關(guān)系為：Rs/R L = (Vc-V RL ) / V RL，利用回路測得在傳感器由潔凈空氣轉(zhuǎn)移至一氧化碳或甲烷氣氛中時(shí)， R L 上 的信號(hào)輸出變化情況，輸出信號(hào)的測定是在一個(gè)完整的加熱周期（由高電壓至低電壓 2.5 分 鐘 ）或在兩個(gè)完整的加熱周期內(nèi)測得。MQ- 9 型氣敏元件的敏感層是用非常穩(wěn)定的二氧化錫制成的。因此，它具有優(yōu)秀的長 期穩(wěn)定性，在正常使用條件下，其