甲烷浓度监测报警系统论文 篇1
关键词： 甲烷； 气敏传感器； 浓度监测； 报警装置
中图分类号： TP 212.9 文献标识码： A doi： 10.3969/j.issn.10055630.2012.02.015
引 言
随着生活水平的不断提高，家用可燃性气体的使用得到了普及[1]。在使用可燃性气体的过程中，因泄漏、废气等原因造成的燃气爆炸、中毒等意外时有发生，给人们的生活带来了极大的威胁。因此安全使用燃气，如何有效地预防爆炸和中毒等意外的发生，成为了人们日益关心的话题。要解决这个问题，必须加强对天然气的监测监控。
检测气体的方法有多种，如热导法、红外光谱系数法、超声波测量法、气敏半导体法和热载体催化元件检测法等。目前较为先进的方法是非分光红外法[2]。其原理是：绝大多数双原子分子和多原子分子气体在红外波段均有特征吸收峰，可用红外吸收光谱法进行气体浓度的检测[3，4]。但是其价格昂贵，用于设计小型检测装置成本较高，不适用于一般家庭安装。半导体气敏传感器具有灵敏度高、响应时间快、价格便宜、不需定期标定、寿命长等优点，适合家用报警。
现设计采用气敏传感器，对可燃气体（其主要成分CH4）浓度信号进行监测并将其转变成电压信号，与已设定的电压信号进行比较。当气体浓度超过设定值时，气敏传感器输出的电压值超过设定的电压值，经过三极管放大后，驱动蜂鸣器工作，实现装置的报警功能。
1 电路的组成及工作原理
监测装置的设计主要由电源、气敏传感器电路、比较器、放大电路和报警电路组成。图1即为甲烷浓度监测报警装置设计的具体框图。首先气敏传感器根据所监测到的气体浓度的不同，表现出不同的电压信号，传感器输出的电压信号进入比较器与已设定的电压信号进行比较。如果传感器输出的电压信号小于已设定的电压，就不能驱动后面的报警电路工作，则表示空气中甲烷气体浓度小于报警浓度值，在正常值范围内；如果传感器输出的电压信号大于已设定的电压，则经过后面的放大电路放大，从而驱动报警电路工作，发出报警信号，就表示空气中的浓度已经超过了报警浓度值，这时候人们需要打开门窗或者关闭煤气通道等以减低甲烷在空气的浓度，防止意外事故的发生。
2 气敏传感器的选择
2.1 TGS813的简介
2.2 TGS813 的工作原理
2.2.1
灵敏度特性
4 结 论
利用气敏传感器TGS813及其他元件的特性，使其相辅相成，从而设计出高性价比的燃气报警装置[9]。该家用甲烷浓度监测装置电路简单，还可以根据用户需要和具体情况进一步改进该报警装置。如果向智能家居方向发展，可以加一个GSM模块，即使家里没人或者没有听到报警声音，也能通过发短信的方式及时通知用户，给报警加双保险。此装置推广到普通家庭，作为燃气洗澡装置和厨房可燃气的泄漏报警器，只要将其安装在燃气装置附近即可实现自动泄漏报警，应用前景广阔。
参考文献：
[1] 李庆功，伍 东，谢 飞，等.居民住宅火灾危险及安全防火措施探析[J].消防科学与技术，2009，28（6）：457-460.
[2] 陈乐君，刘玉玲，余飞鸿.光声光谱气体探测器的新发展[J].光学仪器，2006，28（5）：86-87.
[3] 刘中奇，王汝淋.基于红外吸收原理的气体检测[J].煤炭科学技术，2005，33（1）：65-68.
[4] 李 巍，黄世震，陈文哲.甲烷气体传感元件的研究现状与发展趋势[J].福建工程学院学报，2006，4（1）：4-8.
[5] 潘庆谊，董小雯，张剑平，等.溶胶-凝胶法制备纳米级SnO2[J].无机化学学报，1997，12（4）：494-498
[6] 孙群英，鄢志丹，刘 鸣.气敏传感器的电路设计[J].实验科学与技术，2006，4（3）：122-123.
[7] 黄文科.费伽罗.TGS813型气敏器件的特性研讨[J].电子元件与材料，1994，13（3）：35-37.
[8] 张红剑，也敦范，倪效勇.可燃气体传感器TGS813在多路数据采集电路中应用[J].国外电子元器件，2007，7（11）：62-64.
[9] 沈 悦，梁 坚.智能气体识别仪的研究[J].仪器仪表学报，1998，31（2）：41-44.
甲烷浓度监测报警系统论文 篇2
1项目提出的必要性和国内外研究水平与动向
从我国煤炭生产的现状及我国能源结构战略规划均可看出, 在本世纪中叶以 前, 煤炭仍是支持我国国民经济发展的主要能源, 煤炭生产, 作为我国能源工业 的支柱, 其地位将是长期的, 稳定的, 但是煤炭工业的安全生产状况却不容乐观, 中小型煤矿的情况尤为严重, 已经直接威胁到整个煤炭工业的稳定生产, 给国家 财产和人民生命造成了很大的损失, 作为 “万恶之首” 的甲烷爆炸事故更是重大 事故发生率之首。在去年, 又接连发生了多起甲烷爆炸事故, 事故的结果触目惊 心,因此通过强化甲烷管理,提高通风、甲烷监测监控水平,已经成为中小型煤 矿甲烷监测监控的最迫切的任务之一。
煤矿生产安全监控系统, 是目前为止实际通风甲烷管理工作中最重要和最有 效的自动化手段, 已经装备监控系统的煤矿的甲烷事故发生率大为下降, 实践证 明, 煤矿生产安全监控系统对保障煤矿安全生产, 提高煤矿生产率, 提高煤矿自 动化程度以及促进煤矿管理现代化水平,都有着举足轻重的作用。
煤矿生产安全监控系统虽在国内已有生产和应用, 但还没有一种真正适合于 中小型煤矿使用的产品,我国从八十年代初期开始引进煤矿生产安全监控系统, 历经了直接引进、消化吸收、仿制配套、自主开发的过程,但迄今为止的产品大 多都是面对大型矿井设计的,而且自身尚有一些有待解决的问题,如 : ²造价高,系统最基本的配置过于庞大,运行费用大 ²传感器测量稳定性差,调校频繁,寿命短 ²系统安装、维护复杂,操作不便,人机界面较差 ²系统设备可靠性差
²必须依赖专业的维护队伍,对人员技术,素质有较高的要求。
国外的监控系统技术理论上讲高于国内发展水平, 但应用于国内煤矿尚有一 定的局限性, 如煤矿管理模式生产方式的不同, 价格过高不适于国内煤矿现有条 件,除在传感器技术方面可供借鉴外,其它仅具一定的参考价值。
综上所述,开发研制适用于中小型煤矿生产安全监控系统的任务迫在眉睫, 而根据我国煤矿生产和管理模式,依照我国的有关技术标准,其技术的先进性、产品的可靠性和实用性则是本项目的关键所在。
沼气(甲烷 CH4的俗称 矿井在我国煤矿生产矿井中所占比重很大, 随着矿井 开采强度和深度的增加, 沼气涌出量也在不断增加, 沼气积聚可能引起沼气事故, 及时掌握煤矿井下沼气动态是一件十分重要的工作。甲烷浓度检测仪器就是用来 监视矿井沼气动态的有效工具。鉴于沼气在矿井中存在的普遍性及其可能造成灾 害的严重性, 甲烷浓度检测仪器在煤矿是数量最多, 使用最普遍的安全检测仪器, 而且也是煤炭系统研制种类最多的仪器, 需要说明的是, 由于我国煤矿习惯把甲 烷叫做瓦斯, 因此检测甲烷浓度的仪器, 有的叫瓦斯检定器, 有的又叫沼气检定 器。在这里,甲烷,沼气和瓦斯是同义词。
2煤矿安全仪器概况
煤矿生产是地下作业, 自然条件和生产条件都复杂, 在采掘过程中出现的瓦 斯涌出、煤尘飞扬、自然发火等都有可能造成严重事故。为了防止事故发生,保 障矿工的健康和安全, 促进生产发展, 提高煤炭企业的经济效益, 应对井下的气 象进行检测, 对可能造成灾害事故的各种有害气体及矿尘进行及时而准确的检测 和严格控制,一旦发生灾变,必须
及时救护遇难人员和处理事故。所有这些都需要有相应的检测仪器和救 护装备。
最初,人们为了防止井下空气中混有一氧化碳造成中毒事故,曾使
用过金丝雀一类的小动物来进行检测。1815年英国人在煤矿井下开始使用安全 火焰灯检测瓦斯。1897年瑞典制成第一台容积压力式瓦斯浓度测量仪。随着矿 井开采深度的增大, 机械化和综合机械采煤的普遍推广, 通风安全方面问题日益 突出。与此同时, 随着仪表工业及电子技术的发展, 矿井通风安全仪器也得到了 不断的发展。1927年日本制造成光干涉原理甲烷检定器,以后又陆续出现热导、热催化原理、气敏半导体等各种不同原理的甲烷检定器,其测量精度不断提高, 检测方式从“间断”、“就地”检测发展到“连续”、“集中自动”遥测。特别是随 着电子计算机技术的应用, 一套监测系统, 除能检测高低浓度甲烷外, 还可测一 氧化碳、氧、氢的浓度,气温,风速等等。同时还能对井下设备的工作状态进行 监控。如英国
DYNSLINK-MINOS 系统的监测容量为 986个模拟量, 896个开关 量,传输距离为 13 1n。在地面中心站一般都配有用来进行数据采集和处理的计 算机、打印机、显示器、控制台和模拟盘等。譬如当井下某测点的甲烷浓度超限 时,能发出声、光报警信号,切断该测点附近的电源。作为间断方式检测的携带 式仪器, 也随着测试技术的飞速发展及多功能集成电路的出现, 检测元件的性能 不断提高而实现了单机分级报警, 数码显示, 自动校正, 电源监视和故障指示等 功能。而且操作简单,维修量小,体积小。例如美国 MSA 公司生产的携带式甲 烷检测仪重量只有 0.28吨,外形尺寸为 146*65*38 } 解放前我国煤炭工业技术十分落后, 矿井通风安全仪器更是属于空白。解放 后, 党和政府对安全工作极为重视, 煤矿安全状况及劳动条件得到了很大的改善, 通风安全仪器从无到有地发展起来在仪器的研究、生产制造方面, 多年来投入了 很大的力量,形成了以抚顺、重庆、西安、常州、上海等地为中心的安全仪器生 产基地, 除生产大量的通风安全仪器和救护设备外, 从 1980年起, 先后从波兰、英国、美国和西德等地引进了多种形式的煤矿安全监测系统和生产监控系统, 在 引进消化的基础上,我国也研制了一批安全监测系统,如常州煤研所的 KJl 型, 北京长城科学仪器厂的 KJ4型, 重庆煤矿安全仪器厂的 TF-200型和 AWJ-80型, 西安仪表厂的 MJC-100型, 抚顺煤矿安全仪器厂的 AU1型, 总参 6904厂的 WDJ-1型和镇江煤矿专用设备厂的 A-1型等安全监控系统来装备矿井。其中 KJ4型的 系统容量为 1536个, 传输距离为 13 }n。所有这些成就,表明我国的安全监测仪 器的研制和装备进入了新的水
平。但是目前安全监测传感器的种类和质量与国际 水平的差距还较大,这是需要解决的问题。
3.仪器的基本性能
一、测量仪器的概念
煤矿安全仪器是用来检查测量矿井安全状况的物质手段。什么是测量呢 ? 测 量是人们对自然界的客观事物取得数量观念的一种认识过程。在这一过程中, 借 助于专门的技术工具, 通过实验方法, 求出以所采用的测量单位表示的未知量的 数值大小。测量的目的是为了在限定的时间内尽可能正确地收集被测对象未知信 息,以便掌握被测对象的参数及控
制生产过程。例如, 在采煤机上安装采灯机瓦斯断电控制仪。它不仅可以连续监 测采煤机附近风流的甲烷浓度, 而且在甲烷浓度超限时还可发出声、光报警信号, 并自动切断采煤机的工作电源以防发生瓦斯事故,确保生产安全。
二、测量仪器的基本性能
评价测量仪器品质的指标是多方面的。仪器的基本性能, 主要是衡量仪器测 量能力的一些指标, 如精确度、稳定性、测量范围、动态范围等。但工作可靠性、经济性也很重要,这些因素在很大程度上影响仪器的使用。
(一 精确度
与这个性能有关的指标有 : 1.精密度精密度是指在测量中所测数值重复一致的程度。即对某一稳定的被 测量在相同的规定工作条件下, 由同一测量者用同一仪器在相当短的时间内按同 一方法连续重复测量多次, 其测量示值的不一致程度。不一致程度愈小, 说明测 量愈精密。例如某温度仪表精密度为 0.5K ,意即用该仪表测量温度时其不一致 程度不会大于 0.5K。但精密不一定准确。
2.准确度准确度是指仪器的示值有规律地偏离真值大小的程度。
3.精确度(简称精度 精度是测量的精密与准确程度的综合反映。精密度高是精 度高的必要条件, 但并非充分条件。要使仪器的精度高, 还必须使其准确度高才 行。在工程测试中, 为了简单表示仪器测量结果的可靠程度, 引入一个仪器精度 等级的概念,用 A 表示。A 以一系列标准百分比数值进行分档。这个数值通常 是仪器在规定条件下, 其最大绝对允许误差值相对于仪器测量范围的百分数, 即 :
式中 : —仪器在全刻度范围内的最大绝对允许误差;—测量范围的上、下限值 : —仪器的精度等级。
科学研究用的仪器的精度等级值约为 10-,一 10-io;工业检测用的仪器的精 度等级值约为。
(二 稳定性
稳定性是指仪器的性能在工作条件保持恒定的情况下, 在规定的时间内保持 不变的能力。它用精密度的数值和观测时间长短一起来表示。例如,某仪表 24小时内示值变化幅度达 1.3mV,则该仪表的稳定度为 1.3mV/d0(三 影响系数
仪器由于室温、大气压、振动等外部状态变化及电源电压、工作条件变化对示 值的影响统称为环境影响, 为仪器在校准时都规定有一个标准工作条件, 用影响 系数表示。频率等这是因但在实际使用该仪器时又很难达到这个要求。影响系数
是用示值变化值与影响量变化值之比来表示。例如某压力表的温度影响系数为 2Pa/℃即温度每变化 1 0C,就会引起压力表示值变化 2Pa。
(四 仪器输入输出特性
说明仪器输入输出对应关系的主要性能有;1.灵敏度灵敏度是指仪器在稳态下输出变化对输入变化的比值,用 S 表示, 即 S=dy/dx。它是仪器在稳态下输入输出关系的静特性曲线上各点的斜率。在线 性特性的仪器中灵敏度 S 是常数。在非线性特性的仪器中灵敏 S 在整个量程内 不是常数。
对特定的测量装置来说,其灵敏度的定义方法往往是不同的。例如,在接 收机中,灵敏度定义为产生具有指定信噪比的输出信号所需的最小输入信号;而 在频率计中,它与频率计的输出示值之间没有直接的关系。
2.分辩率如果输入量从某个任意非零值慢慢地变化,我们将会发现,在输入 变化值没有超过某一数值之前, 仪器示值是不会变化的, 这个使示值变化的最小 输入变化值叫做仪器的分辩率, 也应该对示值的变化从量上规定一个数值。一般 模拟式仪表的分辩率规定为最小刻度分格值的一半, 数字式仪表的分辩率是最后 一位数的数值。
3.线性度线性度用来说明输出量与输入量的实际关系曲线偏离直线的程度。无论是模拟式的仪表, 还是数字式的仪表, 都希望它们的特性是线性关系。这样 模拟式仪表的刻度就可以做成均匀的刻度, 而数字式仪表就可以不必采用线性化 环节。
基于单片机的甲烷浓度监测报警仪论文
4.滞环滞环是指仪器正向特性和反向特性不一致的程度。这种现象是由于仪 器元件吸收能量所引起的。例如机械仪表中有内摩擦,电磁仪表中有磁滞损耗。
(五 量程
量程 B 是指测量上限值与下限值之差, 即仪表刻度盘上的上限值 减去 下限值 ,其表达式为
。通常仪表的 ,这时。但在整个测量范围内仪表提供被测量信息的可靠程度并不相同，一般在仪表的上、下限值附近的测量误差较大,故不宜在该区使用。这样, 更确切的量程概念应定为 :在工作量程内的相对误差应该不超过某个设定值。
量程用绝对值 B 来表示时, 各类不同仪表之间便无法比较, 所以常用量程比 D 作为量程的指标,即
(六 可 靠 性
可靠性是指仪器对规定的条件在规定时间内完成所要求功能的能力。仪器的 可靠性可用平均无故障工作时间 MTBF 来表征。它是仪器连续运行时发生一次 故障的时间间隔的平均值。假设某仪器在 90000小时的运行中发生了 12次故障, 则该仪器的 MTBF 为 7500小时。
(七 经济性
任何工业产品都要讲究经济性。对生产者来讲, 以重金制造高质量的产品是 比较容易的。但是,如果生产出的仪器价格太高,使用者无力购买,出就谈不上 发挥作
用。对使用者来讲总是希望有最少的钱买到一台具有指定性能的仪器。所 以,工程检测仪器的经济性也是其重要的指标之一。
在实际工作中, 对给定的测量任务只需达到规定的精度就行了, 决不是精度 愈高愈好, 盲目地提高测量精度的做法, 往往会带来相反的效果, 浪费人力和财 力,降低测量的可靠性。在工程检测中,应该根据测量的目的,全面考虑测量的 可靠性、精度、经济性经及操作的简便性, 而在科研工作中往往把测量精度放在 首位。
甲烷浓度监测报警仪的发展已经历了三个阶段:模拟仪器、数字式仪器以及 目前的智能仪器。基于单片机的甲烷浓度监测报警仪即为一种智能仪器, 因为就 仪器本身来讲, 无论数据的采集还是处理都是由单片机来控制的。利用单片机的 算术逻辑处理能力和用软件取代过去电子线路的硬件功能, 而软件的灵活性又使 得仪器可用各种算法和处理方法进行信息的采集、处理、存储和报警, 不再需要 专用的电子线路,从而使仪器的控制结构得以很大的简化。单片机系统性能特点
单片微型计算机简称单片 , 它是把组成微型计算机的各部件 :中央处理器、存 储器、输入输出接口电路、定时器 /计算器等,制作在一块集成电路芯片中,构 成一个完整的微型计算机。1971年, Intel 公司首次推出 4004的 4位单片微处理 器。1974年 12月仙童(Fairchild 公司推出 8位单片机 F8(需另加一块 3851芯片 , 其后 Mostek 公司和仙童公司一起推出了 F8兼容的 3870单片机系列。Intel 公司 1976年推出 MCS-48系列单片机。GI(Gentra Instrument Crop 公司在 1977年 10月宣布了 PIC1650单片机系列。1978年, Rockwell 公司也推出了 R6500/1系列(与 6502兼容。有些单片机有 8位 CPU ,若干个并行 I/O , 8位定时器 /计算器,容量有限的 PAM 和 ROM ,以及简单中断处理功能。
Motorola 公司和 Zilog 公司的单片机问世较迟,但是产品性能较高,单片机 内有串行 I/O,多级中断处理能力,内片的 RAM 和 ROM 容量较大;有些还带 有 A/D转换接口。Motorola 公司在 1978年下半年宣布了与 6800微处理机兼容 的 6801单片机。Zilog 公司在同年 10月也推出了 Z80单片机系列。Intel 公司在 原 MCS-48基
础 上 , 于 1980年 推 出 了 高 性 能 的 MCS-51系 列(包 括 8031/8051/8751。1982年, Mostek 公司和 Intel 公司先后推出了 16位单片机 MK68200(与 68000微处理器兼容和 MCS-96(8096、8098系列。1987年 Intel 公司推出了性能是 80962.5倍的新型单片机 80296。
由于单片机超小型化,结构紧凑,可能性高,价格低廉,在国民经济中得到 广泛应用。
① 工业方面:电机控制、工业机器人、过程控制、数字控制。② ③
④ 仪器仪表方面:智能仪器、医疗器械、色谱仪、示波器。⑤ ⑥
⑦ 民用方面:电子玩具、高级电视游戏机、录象机、激光盘驱动。⑧ ⑨
⑩ 电讯方面:调制解调器、智能线路运行控制。⑪ ⑫
⑬ 导航与控制方面:导弹控制、鱼雷执导控制、只能武器装置、航天导 航系统。
⑭
⑮
⑯ 数据处理方面:图形终端、彩色黑白复印机、温氏硬盘驱动器、磁带 机、打印机。
⑰ ⑱
⑲ 汽车方面:点火控制、变速器控制、防滑刹车、排器控制。⑳ 21 单片机的发展趋势是:增加存储器的容量,片内 EPROM 开始 EEPROM 化,存 储器编程保密化,片内 I/O 多功能化及低功耗 CMOS 化。
目前单片机的现状为: ⑪ 4位单机片机
4位单片机的主要产品有: NEC 公司的 μPD75xx;TI 公司的 TMS1000系列;松下公司的 MN1400系列;NS 公司 COP400;Rockwell 公司的 PPS/1系列;SAMSUNG 公司的 KS56和 KS57系列;
富士同公司的 MB88系列。
其中, μPD75xx 与 COP400在 4位机中占有重要地位,年产量已达到数 千万片。4位单片机的特点是价格便宜,如 COP400的价格仅为 8位单片机 8048和 6805价格的一半,但是功能并不弱,只是 4位 CPU ,片内的 CPU 片内的 ROM 有 2K , PAM 为 128³4位。NEC 公司的 μPD75xx 片内的 ROM 可达 8K 字节, RAM 为 512³4位, I/O 引脚位 58根,甚至还有 6位 A/D。近年俩, 4位单片机 的产量仍在增长,但所占比例逐年下降,单片机的主角让给了 8位单片机。4位 机与 8位机进行竞争, 只有进一步降低价格, 并增强 I/O的功能(特别是专用 I/O功能。4位机主要用于家用电器和电子玩具等方面。
⑫ 8位单片机
8位单片机的产量占整个单片机的 60﹪以上,并逐年增长。1985年的产量 位 1.7亿片 1986年的产量位 2.1亿片, 1992年达 7亿片。8位单片机的旧的机 种正在被淘汰,新的机型不断涌现。自 1985年以来,各种高性能、大容量、多 功能的新型 8位单片机不断推出。如 Inte 公司的 8x552、μPI-452(8051的增强 型、Motorola 公司的 MC68HC11(6801增强型、Zilog 公司的 Super8等,它 们将代表单片机发展的方向,将在单片机领域中起越来越大的作用。
第二章监控仪工作原理 2.1甲烷浓度检测仪原理分析
甲烷浓度检测仪器按其工作原理不同,有下列几种 : 1.光干涉式
光干涉式是利用光波对空气和甲烷折射率不同所产生的光程差, 引起干涉条 纹移动来实现对不同甲烷浓度的测定。其优点是准确度高, 坚固耐用, 校正容易, 高低浓度均可测量,还可测量二氧化碳浓度;其缺点是浓度指示不直观,受气压 温度影响
严重,特别是空气中氧气不足氮、氧的比例不正常时,要产生误差;光 学零件加工复杂,成本较高和实现自动检测较困难。
2.热催化式
热催化式是利用甲烷在催化元件上的氧化生热引起其电阻的变化来测定甲 烷浓度。其优点是元件和仪器的生产成本低,输出信号大,对于 1%气样,电桥 输出可达 15mV 以上, 处理和显示都比较方便, 所以仪器的结构简单, 受背景气 体和温度变化的影响小, 容易实现自动检测。其缺点是探测元件的寿命较短, 不 能测高浓度甲烷, 硫化氢及硅蒸气会引起元件中毒而失效。目前国内外检测甲烷 的仪器广泛采用这一原理。
3.热导式
热导式是利用甲烷与空气热导率之差来实现甲烷浓度的测定。其优点是热 导元件和仪器设计制作比较简单,成本低、量程大,可连续检测,有利于实现自 动遥测,被测气体不发生物理化学变化,读数稳定,元件寿命长。其缺点是测量 低浓度甲烷时输出信号小,受气及背景气体的影响较大。
4.红外线式
红外线式是利用甲烷分子能吸收特定波长的红外线来测定甲烷浓度。其优点 是采用这一原理的仪器精度高,选择性好,不受其它气体影响,测量范围宽,可 连续检测;其缺点是由于有光电转换精密结构,使制造和保养产生困难,而且体 积大,成本高,耗电多,因此推广使用受到一定限制。
5.气敏半导体式
气敏半导体的种类较多, 如氧化锡、氧化锌等烧结型金属氧化物。这一原理 是利用气敏半导体被加热到 200℃时, 其表面能够吸附甲烷而改变其电阻值来检 测甲烷浓度。其优点是对微量甲烷比较敏感,结构简单、成本低。但当浓度大于 %CH4时,其反应迟钝,选择性和线性均较差,所以很少用于煤矿井下甲烷浓 度的检测,而多用于可燃气体的检漏报警。
6.声速差式
在温度为 220C、气压为 101325Pa 条件下,声波在甲烷中的传播速度为 432m/s,而在清洁空气中为 332m/s。比较这两种速度就可测定高浓度甲烷。其 优点是读数不受气压影响;其缺点是不适合测量低浓度甲烷,一般只用来检测矿 井抽放甲烷管道中的甲烷浓度,对背景气体、粉尘及气温变化很敏感。
7.离子化式 气体在放射性元素的辐射作用下发生电离, 在气体介质中的两 个电 极度之间便有电流产生。测量空气介质和被测甲烷中的电流大小,便可 测出甲烷浓度。其优点是快速,可以连续自动检测,灵敏度高,测量准 确,可测二氧化碳浓度。其缺点是测量低浓度甲烷困难,空气湿度对仪 器读数有影响,传感器结构复杂。
根据设计要求,本项目采用热催化式工作原理。2.2热催化元件的结构及工作原理 1.热催化元件的结构
载体催化燃烧式传感器一般被制成一个便于测量的探头, 探头可以单独设 置,也可以作为一个独立单元装配在仪器内使用。
探头内部的主要元件是黑元件(催化元件 和白元件(补偿元件 ,两个元件分 别配置在电桥电路中, 作为一组桥臂, 另一组桥臂是两个固定电阻, 作为电桥的 比率臂。与黑白元件相对应, 为使电桥在无甲烷状态下处于平衡状态, 桥路内装 有调零电位器 w。此外,传感器电源应是经过稳压的稳压源。
2.敏感元件工作原理
黑元件载体催化燃烧式元件,当甲烷气体在元件表面与氧气产生无焰燃烧 时,电桥失去平衡,输出一个电压信号。白元件是补偿元件,基本结构和技术参
数与黑元件相同,但表面不涂镀催化剂,所以,它不参加低温燃烧。但由于它处 于与黑元件相同的工作环境中, 所以, 对非甲院浓度变化引起的催化元件阻值变 化起补偿作用,以提高仪器零点稳定性和抗干扰能力。
使用时一般将黑白元件串联, 作为电桥的一臂, 用普通电阻构成电桥的另一 臂, 电桥的两端加上稳定的工作电压 U。当含有甲烷的空气在高温和催化剂的作 用下, 发生无焰燃烧, 而在白元件上则不致使甲烷燃烧, 从而使黑元件的温度比 白元件的温度高, 黑元件中的铂丝既是加热元件, 又是感应温度的热敏元件, 根 据铂丝的正温度系数的特性,温度升高时电阻增大,黑元件上的电压降即增大, 电桥失去平衡, 输出一个电压信号△ U , 该电压值的大小反映了甲烷浓度的高低, 检测此电压便可测量出甲烷浓度。
3整机工作原理
热催化原理又称催化燃烧原理。利用该原理的甲烷测定器是当前国内测量低 浓度甲烷的检测仪器中采用最广泛的一种, 而且还在不断的高和发展。其基本原 理是根据甲烷在一定的温度条件下氧化燃烧, 且在一定的浓度范围内, 不同浓度 的甲烷在燃烧过程中要释放出热量不同的特性,来达到测定甲烷浓度的目的。
甲烷浓度报警监控仪的工作原理是 CPU 通过 V o 口输出低电平经反相器加在催 化元件电源端, 使催化元件开始工作, 输出与甲烷浓度相对应的电压信号, 此电 压经过放大电路放大后,分别送到 A/D转换、报警电路, A/D转换电路将模拟 信号转换为数字信号送入 CPU, CPU对采样值进行数值计算, 处理后, 驱动显示 器显示出被测气体中的甲烷浓度值, 若被测气体中甲烷浓度超过报警电路预定的 数值时, 报警电路即发出声音报警信号。遥控发射装置再将报警信号传输给远方 的接收装置,最远传输距离可达到 10km。
第三章 基于单片机甲烷浓度监测报警仪系统分析与设计的硬件
在硬件的设计前期, 根据框图对电路中可能出现的电路进行了分析, 并根据 指导老师提出的要求对硬件设计进行了合理化的修改完善。在第二章中已分析了 系统并绘制了框图,下面将根据框图分别设计各部分电路。
3.1输入电路的设计
甲烷浓度信号的采集电路, 放大电路输入口连接甲烷浓度传感器的两个引脚。此 传感器采用的是气敏元件是一种具有良好温度特性的电压输入 /电流输出型气敏 元件。可以在-55℃ ~150℃温度范围内正常工作。
3.1.1 气敏元件 MQ-K7简单介绍 1.热催化元件的特性
在选择敏感元件时,主要从以下几个方面来衡量 :(1活性。元件活性是指元件对甲烷氧化燃烧的速率。元件活性高,通过电 桥测量甲烷时,可以得到较高的电压输出。
(2稳定性。元件的稳定性是指元件在新鲜空气与一定浓度的甲烷中,在规 定的连续工作时间里的活性下降率。下降率其值越低越好, 活性下降率越低, 表 明元件工作性能越稳定。
(3工作点与工作区间。元件工作点是指元件的标准工作电压和电流值。实 际使用中,为了便于组成电桥和选定电桥电流,通常是指一对元件(即一只黑元 件和一只白元件 的标准工作电压或电流值。在工作点上,元件具有较大的输出, 较好的稳定性和最小的零点飘移。目前国内元件的工作点有 :直 1.2V, 2.2V, 2.4V, 2.8V 及 320mA 等几种。当元件的工作电压或工作电流变动时, 在同一甲烷浓度 下输出活性大小是不相同的。只有当工作电压或工作电流在某一范围内变动时, 输出活性才接近直线。这个电压或电流的变动范围称为元件的工作区间。区间越 宽越好。目前元件的工作区间只能达到标准电压的士 10% o
(4输出特性。元件输出特性。是指在不同的甲烷浓度下,元件的活性与甲 烷浓度的关系。在 0-S%CH4范围内,电桥输出信号与甲烷浓度呈线性关系。当 甲烷浓度在 9.5%处时,曲线出现拐点,以后随着甲烷浓度的增大,电桥输出信 号不断下降, 出现了高浓度和低浓度输出信号相同现象。产生的原因是由于高浓 度甲烷气体中缺氧使燃烧不完全所造成的。所以, 这种原理的甲烷检测仪只能测 量低浓度甲烷。
(5元件的寿命。元件的寿命是指元件在使用过程中,其活性下降到某一规 定值的时间。
(6元件的“中毒现象”。矿井空气中的硫化氢、二氧化硫等气体会使元件产 生中毒现象, 使活性降低。其原因主要是由于这些毒性气体元件活性下降。此外, 井下电气设备用的硅油、硅绝缘材料等挥发物, 也会使元件中毒。这主要是由于 硅分子量大, 一旦吸附在元件表面, 就会阻止甲烷进入而影响元件氧化速率, 致 使活性下降。
为防止元件中毒,可以加过滤器,例如用活性炭吸收管, 1 cm 厚活性炭的 吸收管,可使工作在有毒环境中的元件寿命延长数百倍。
经过一段时间工作的元件,遇到较高浓度,工作数分钟后,元件的活性将 升高, 高浓度消失后, 元件在几十小时内活性才会逐步下降到原值附近, 以后又 保持稳定的活性。这种现象称为元件被浓甲烷激活。元件的激活特性是一个缺点, 因为被激活的元件在一段时间内会造成不稳, 这是在使用中应该加以注意和调整 的。
载体催化元件与纯铂丝元件相比,其抗毒性能较弱,在有毒气体的环境中, 宜采用铂丝元件。
(7反应速度。反应速度是工作元件的一个重要指标。特别是当元件应用到 各种运动机械上时,就更为突出。
在井下空气中, 当甲烷浓度发生变化时, 元件的反应速度由两个因素决定, 一是元件本身的时间常数 :, 二是甲烷向元件扩散的速度。元件的时间常数 可由 下式确定 :
式中 :元件的时间常数;E :元件的热容量;A :等效热导系数;S :元件的表面积;0:常数;T :元件的工作温度;I :工作电流;R :元件电阻;RQ :铂丝电阻温度系数²
通过对上式的分析, 可以合理地选择元件参数, 以提高工作元件的反应速度。本设计中选择的敏感元件型号为 :MQ-K7 参数为 : 测量介质 :甲烷 工作电流 :直流稳压 工作点 :2.8V/ < 175MA 测量范围 :0-4%CN
稳定性 :灵敏度变化士 0.1%CH4 响应时间 :(20S 3.1.2.气敏元件的组成及作用
本设计选用的气敏元件是由太原电子厂和哈尔滨通江晶体管厂生产的 MQ — K7型号的半导体气敏元件, 太被用于做各种可燃气体的检测、检漏、监控 设备的敏感元件。气敏元件是准确检测甲烷气体含量的核心元件之一, 它由工作 元件和补偿元件组成, 将这两个元件分别接在惠斯登电桥上, 在元件的电端加入 高电平时元件开始工作, 当环境中无甲烷气体时, 调整电桥使之输出为零, 当有 甲烷气体时, 甲烷气体以扩散方式进入仪器原测量气室, 内部接于桥臂的热催化 元件或热导元件发生氧化一还原反应, 引起元件温度升高, 阻值增大, 使原来平衡的电桥失去平衡, 输出与甲烷浓度相对应的电压信号, 测量该电压信号即可知 甲烷浓度。
它的基本测试电路图如附一图所示 3.2 按键电路设计与器件选择
此次设计的甲烷浓度报警仪应具备两种基本功能,一是随时输入报警上限值, 二是随时对当前的报警上限值进行修改, 要实现这两种功能, 可以接入键盘输入 电路。
1.键盘的结构选择
在单片机组成的监测系统及智能化仪器中, 用得最多的是非编码键盘。键盘的 结构分为独立式键盘和行列式键盘两类。
本设计中只需要三个按键, 因此选择独立式键盘。如图所示, 电路由按键和三个 电阻组成,按键分别命名为 SET、+1和 RET 键。按键可以采用轻触开关,电阻 可以采用 4脚排电阻(3*1K
2.如附二图所示,将键盘直接与单片机的 P3口连接。用 P3.3引脚通过按键 SET 接一格外部中断的请求信号 INT1;P3.1、P3.0引脚作为 I/O口使用,通过两个 按键 +
1、RET 接入两个输入信号。
SET 键功能:设置当前报警上限值,即当前报警仪的报警上限值有误差时,需要 随时对它进行调整,使用 SET、+1和 RET 键配合完成这一功能。
①当 SET 被按下时,在单片机的 INT1引脚产生一个低电平触发中断请求信号, CPU 响应中断请求时,就转移到 INT1中断服务程序的入口地址,执行 INT1的中 断服务程序。
② +1调整键的功能:分别对报警值的十位、个位和小数位进行 +1调整,即每按 一次键,对应的值调整为 +1。
③ RET 确认键的功能:确认,即对 +1调整为进行确认,该键按下时,说明被调 整位的值已经确认,转去调整下一位。
3.3 蜂鸣器电路的设计
设计要求报警上限浓度到时要有声音提醒信号产生, 可选择一只蜂鸣器来实现 这一功能。压电式蜂鸣器工作时约需 10mA 的驱动电流,并设计一个相应的驱 动及控制电路。电路设计如图所示, 蜂鸣器作为三极管的集电极负载, 当它导通 时,蜂鸣器发出声音,截止时不发声。它的报警时间长短是靠软件设置的。
3.4放大电路的设计
在许多需要 A/D转换和数字采集的单片机系统中,很多情况下,传感器输 出的模拟信号都很微弱, 必须通过一个模拟放大器对其进行一定倍数的放大, 才 能满足 A/D转换器对输入信号电平的要求,这种情况下,就必须选择一种符合 要求的放大器。仪表器的选型很多,可选用的运算放大器相当多,如 OP-07, OP-725,如果要求不高,甚至可选价廉的 uA741等通用运算放大器。本设计的 放大电路采用高精度集成运放 OP-07做放大元件 ,OP-07为一种具有低失调电 压、低失调电流和低温漂的超
低失调运算放大器, 其广泛地应用于稳定积分、精 密加法、比较、阖值电压检测、微弱信号精确放大等场合,是一种通用性极强的 运算放大器。OP-07的电源电压范围 3~ 18V,输入电压范围为 0~ 14V, 3.5 TLC1549与 AT89C2051接口电路的设计
TLC1549芯片与单片机 AT89C2051的连接比较简单,如图所示。被测电压 从2、4脚输入,经 A/D转换后在 6脚输出，5、6、7分别与单片机的 P3.2、P3.7、P3.1连接。其工作原理是:由单片机产生片选控制信号和时钟信号,当 P3.0=0(CS=1时,片选信号有效, P3.2引脚输出时钟脉冲送到 I/O CLOCK引 脚,在 10个时钟脉冲的作用下,电压转换值从 DATAOUT 引脚输出,按照高位在 前低位在后的顺序通过 P3.7引脚送入单片机。当 P3.1=1(CS=0时,片选信号 无效, DATA OUT引脚输出为高阻状态。
3.5.1 AT89C2051芯片概述
AT89C2051是美国和 ATMEL 公司生产的低电压,高性能 CMOS 8位单片机, 片内含 2k bytes的可反复檫写的只读程序存储器(PEROM 和 128bytes 的随 机存取数据存储器(RAM , 器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术 生产,兼容标准 MCS-51指令系统,片内置通用 8位中央处理器和 Flash 存储 单元,功能强大 AT89C2051单片机可为您提供许多高性能价比的应用场合。
主 要 性 能 参 数:
²与 MCS-51产品指令系统完全兼容 ²2k 字节可重檫写闪速存储器 ²1000次檫写周期 ²2.7-6V 的工作电压范围 ²全静态操作 CHz-24MHz ²两极加密程序存储器 ²128³8字节内部 RAM ²15个可编程 I/O口线 ²两个 16位定时 /计数器 ²6个中断源
²可编程串行 UART 通道 ²可直接驱动 LED 的输出端口 ²内置一个模拟比较器 ²低功耗空闲和掉电模式 功能特性概述: AT89C2051提供以下标准功能:2k 字节 Flash 闪速存储器, 128字节内部 RAM , 15和 I/O口线,两个 16位定时 /计数器,一个 5向量两极中断结构,一 个全双工串行通信口,内置一个精密比较器,片内振荡器及时钟电路。同时, AT89C2051可降至 0Hz 的静态逻辑操作, 并支持两种软件可选的节电工作模式，空闲方式停止 CPU 的工作,但允许 PAM ,定时 /计数器,串行通信口及中断系 统继续工作, 掉电方式保存 PAM 中的内容, 但振荡器停止工作并禁止其它所有 部件工作直到下一个硬件复位。
方 框 图 引脚功能说明
²Vcc:电源电压 ²GND 地
²P1口:P1口是一组 8位双向 I/O口, P1.2-P1.7提供内部上拉电阻, P1.0和 P1.1内部无上拉电阻,组要是考虑它们分别是内部紧密比较器的同相 输入端(AINO 和反向输入端(AIN1 ,如果需要应在外部接上拉电阻。P1口 输出缓冲器可吸收 20mA 电流并可直接驱动 LED。当 P1口引脚写入“ 1”时可做 输入端,当引脚 P1.2-P1.7用作输入并被外部拉低时,它们将因内部的上位电 阻而输出电流(In。
P3口还用于实现 AT89C2051特殊性能,如下表示:
P1口 还 在 Flash 闪速编程及程序校验时接受代码数据。
²P3口:P3口的 P3.0-P3.5、P3.7是带有内部上拉电阻的 7个双向 I/O口。P3.6没有引出,它作为一个通用的 I/O口但不可访问,但可作为固定输入 片内比较器的输出信号, P3口缓冲器可吸收 20mA 电流,当 P3口写入“ 1”时, 它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口,作输入端时,被外部拉低的 P3口 将用上拉电阻输出电流(In。
P3口还接受一些用于 Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。²RST :复位输入。RST 引脚一旦变成两个机器周期以上高电平,所有的 I/O都将复位带“ 1”(高电平状态,当振荡器正在工作时,持续两个机器周期以上 的高电平可完成复位,每个机器周期为 12个振荡时钟周期。
²XTAL1:振动器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。²XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。²振荡器特征: XTAL1、XTAL2为片内振荡器的反相放大器的输入和输出端, 如下表示, 可采 用 石 英 晶 体 或 陶 瓷 震 荡 器 组 成 时 钟 振 荡 器 , 如 需 从 外 部 输 入 时 钟 驱 动 AT89C2051,时钟信号从 XTAL1输入, XTAL2应悬空。由于输入到内部电路是经
过一个 2分频触发器, 所以输入的外部时钟信号无需特殊要求, 但必须符合电平的最大和最小植及时序规范。
²特殊功能寄存器:
并非存储器中所有的地址都被占用,未占用的地址单元亦不能使用,如果对 其进行读访问一般返回为随机数,写访问也不确定。
这些单元是为了以后利用这些未使用的地址单元扩展新功能而设置, 所以用 户软件不要对它们写“ 1” ,在这种情况下,新位的复位或不激活值为“ 0”。
²某些指令的约束条件: AT89C2051是经济型低假位的微控制器, 它含有 2k 字节的 Flash 闪速程序存 储器, 指令系统与 MCS-51完全兼容, 可使用 MCS-51指令系统对其进行编程, 但 是在使用某些有关指令进行编程时,程序员须注意一些事项。
和跳转或分支有关的 有一顶的空间约束,使目的地址安全落在 AT89C2051的 2k 字节的物理程序存储器空间内, 程序员必须注意一点。对于 2k 字节存储器 的 AT89C2051来说, LJMP 7EOH是一条有效指令, 而 LJMP 900H则为无效指令。
1.分支指令 2.3.对于 LCALL、ACALL、AJMP、SJMP、@+DPTR 等指令,只要程序员记住这些分 支指令的目的地址在程序存储器大小的物理范围内(AT89C2051程序地址空 间为:000H-7FFH 单元 , 这些无条件分支指令就会正确执行, 超出物理空间 的限制会出现不可预知的程序出错。CJNE [„]、DJNZ [„]、JB、JNB、JC、JNC、JBC、JZ、JNZ 等这些条件转移指令的使用与上述原则一样,同样,超 出物理空间的限制也会引起不可预知的程序出错,至于中断的使用, 80C51系列硬件结构中已保留标准中断服务子程序的地址。
4.与 MOVX 相关的指令,数据存储器 5.6.AT89C2051包含 128字节内部数据,这样, AT89C2051的堆栈深度局限于内 部 RAM 的 128字节范围内,它既不支持
外部数据存储器的访问,也不支持外部程序的执行,因此程序中应有 MOVX [„]指令。
一般的 80C51汇编器即使在违反上述指令约束而写入的指令时仍对指令进行 汇编,用户应了解正在使用的 AT89C2051微控制器的存储器物理空间的约束范
围,适当地调整所使用的指令寻址范围以适应 AT89C2051。²程序存储器的加密:
²空 闲模式: 在空闲模式下, CPU 保持睡眠状态而所有片内的外设仍保持激活状态,这种 方式由软件产生, 此时, 片内 RAM 和所有特殊功能寄存器的内容保持不变, 空闲 模式可由任何允许的中断请求或硬件复位终止。
P1.0和 P1.1在不使用外部上拉电阻的情况下应设置为“ 0” ,或者在使用上 拉电阻的情况下设置为“ 1”
应注意的是:在用硬件复位终止空闲模式时, AT89C2051通常从程序停止一 直到内部复位获得控制之前的两个机器周期处恢复程序执行。在这种情况下片内 硬件禁止对内部 RAM 的读写, 但允许对端口的访问, 要消除硬件复位终止空闲模 式
对端口以外写入的可能, 原则上进入空闲模式指令的下一条不应对端口引脚或 外部存储器进行访问。
²掉电模式: 在掉电模式下,振荡器停止工作,进入掉电模式的指令是最后一条执行的指 令, 片内 RAM 和特殊功能寄存器的内容在终止掉电模式前被冻结。退出掉线模式 的唯一方法是硬件复位,复位后将重新定义全部特殊功能寄存器但不改变 RAM 中的内容, 在 Vcc 恢复到正常工作电平前, 复位应无效, 且必须保持一定时间以 使振荡器重启动并稳定工作。
P1.0和 P1.1在不使用外部上拉电阻的情况下应设置为“ 0”。或者在使用外 部上拉电阻随时应设为“ 1”。
²Flash 闪速存储器的编程: AT89C2051是檫除状态下(也即所有单元内容均为 FFH 时用 2k 字节内的 PEROM 代码存储阵列进行封装微控制器,其程序存储器是可反复编程的,代码存 储阵列一次编程一个字节,一旦阵列被编程,如需重新编程一非空(空为:FFH 字节,必须对整个存储器阵列进行电檫除。
AT89C2051内 Flash 闪速存储器的编程和校验电路
²内部地址计数器:AT89C2051内部包含一个 PEROM 编程地址计数器,它总 在 RST 上沿到来时复位到 000H ,并在 XTAL1引脚上出现在跳变脉冲时进行加 1记数。
²编程方法:要对 AT89C2051进行编程,推荐使用以下方法。1.上电次序: 2.3.在 Vcc 和 GND 引脚之间加上电源。设置 RST 和 XTAL1为 GND 电平。其它引脚置空,等待至少 10ms 以上。
4.置 RST 引脚为高电平,置 P3.2引脚为高电平。5.6.7.对引脚 P3.3、P3.4、P3.5、P3.7按下表正确组合加上逻辑高 “ H ” 或低 “ L ” 电平即对 PERM 进行编程操作。
8.9.10.在 000H 地址单元对 P1.0-P1.7输入数据代码字节。11.12.13.置 RST 端为+12V ,激活编程。14.15.16.使 P3.2跳变一次来编程 PEROM 阵列中的一字节或者加密位,写字节周期 是自身定时的,一般需时 1.2ms。
17.18.19.当校验已编程的数据,使 RST 从+12V 降到逻辑电平“ H ” ,置 P3.3-P3.7引脚到正确的电平即可 P1口读取数据。
20.21.22.对下一地址单元编程字节, 使 XTAL1引脚正脉冲跳变一次使地址计数器加 1,在 P1口输入新的数据字节。
23.24.25.重复 5至 8,可对整个 2k 字节阵列全部编程,直到目标文件结束。26.27.28.下电次序: 29.30.置 XTAL1为低“ L ”电平置 RST 为“ L ”点平置空所有其它 I/O引脚 关闭 Vcc 电源
²数据查询:AT89C2051具有周期结束的数据查询功能,在写周期期间,对最 后写入的字节尝试读将令 P1.7上写入数据的操作结束,当写周期完成,完全 输出端的真实数据有效,同时下一个周期开始,数据查询可在写周期被初始 化的任一时刻开始。
Ready/Busy:字节编程的进度可通过 “ RDY/BSY输出信号检测, 编程期间, P3.1引脚在 P3.2变高“ H ”后被拉低来指示“ BSY ” , P3.1在编程结束后被再次拉 高“ H ”来指示 RDY。
²程序校验:如果加密位 LB1、LB2没有进行编程,则代码数据可通过校验数 据线读取: 1.使 RST 从“ L ”变为“ H ” ,复位内部的地址计数器为 000H。2.3.4.对代码数据加上正确的控制信号即可在 P1口引脚上读取。5.6.7.XTAL1引脚跳变一次使内部地址计数器脚 1。8.9.10.从 P1口读取下一个代码字节。11.12.13.重复 3到 4步骤,即可将全部单元的数据读取。14.15.加密位不可直接校验,加密位的校验可通过对存储器的校验和写入状态来验 证。
²芯片檫除:利用控制信号的正确组合并保持 P3.2引脚 10ms 的低电平即可 将 PEROM 阵列(2k 字节和两个加密位整片檫除,代码阵列在片檫除操作中 将任何非单元写入“ 1”可被再编程之前进行。
²读片内签名字节:除 P3.5、P3.7必须被拉成逻辑低电平外,读签名字节的 过程和单元 000H、001H 及 001H 的正常校验相同,返回值意义如下:(000H =1EH声明产品由 ATMEL 公司制造。(001H =21H声明为 89C2051单片机。²编程接口: Flash 闪速阵列中的每一代码字节进行写入且整个存储器可在控制信号的正 确组合下进行檫除。写操作周期是自身定时的,初始化后它将自动定时到操 作完成。
3.5.2 AD转换器(TLC1549概述
1.TLC1549是美国德州仪器公司生产的 10位模数 转换 器。它采用 CMOS 工 艺,具有内在的采样和保持,采用差分基准 电压 高阻输入,抗干扰,可按比例量 程校准转换范围,总不可调整误差达到 ±1LSB Max(4.8mV 等特点。.TLC1549的工作温度范围内(自然通风极限参数如下: 电源电压范围:-0.5~6.5V 输入电压范围:-0.3~VCC+0.3V 输出电压范围:-0.3~VCC+0.3V 正基准电压: VCC+0.1V 负基准电压:-0.1V
峰值输入电流(任何输入端:±20mA 峰值总输入电流(所有输入端:±30mA 工作温度范围(自然通风: TLC1549C 0~70℃ TLC1549I-40~80℃ TLC1549M-65~125℃ 3.工作原理
在芯片选择(CS 无效情况下, I/O CLOCK 最初被禁止且 DATA OUT 处 于高阻状态。当串行接口把 CS 拉至有效时,转换时序开始允许 I/O CLOCK 工 作并使 DATA OUT 脱离高阻状态。串行接口然后把 I/O CLOCK 序列提供给 I/O CLOCK 并从 DATA OUT 接收前次转换结果。I/O CLOCK 从主机串行接口接收 长度在 10和 16个时钟之间的输入序列。开始 10个 I/O 时钟提供采样模拟输入 的控制时序。
在 CS 的下降沿, 前次转换的 MSB 出现在 DATA OUT 端。10位数据通过 DATA OUT 被发送到主机串行接口。为了开始转换, 最少需要 10个时钟脉冲。如果 I/O CLOCK 传送大于 10个时钟长度, 那么在的 10个时钟的下降沿, 内部逻辑把 DATA OUT 拉 至低电平以确保其余位的值为零。在正常进行的转换周期内,规定时间内 CS 端 高电平至低电平的跳变可终止该周期, 器件返回初始状态(输出数据寄存器的内 容保持为前次转换结果。由于可能破坏输出数据, 所以在接近转换完成时要小 心防止 CS 被拉至低电平。时序图如下图
4.应用介绍
TLC1549的理想转换特性如下图所示。
(1 此曲线基于下列假设:VREF+和 VREF-已被调整以便从数字 0至 1跳变的 电压(VZT 为 0.0024V ,满度跳变电压(VFT 为 4.908V。1LSB=4.8mV。
(2 满度值(VFS 是指其额定中点(midstep 值具有最高的绝对值的那级 台阶。零度值(VZS 是指其额定中点(midstep 值等于零的那级台阶。
5.芯片工作方式
芯片工作方式如下表所示 : 在方式
1、方式
3、方式 5中,在 DATA OUT引脚上,前一次转换的 MSB 出现在 CS 的下降边时, 剩下的 9位在 I/O CLOCK的以后 9个下降边时被移出。
10位数据经 DATA OUT端发送到主串行接口。所用串行时钟脉冲的数目届取决 于工人选的方式,但要开始进行转换,最少需要 10个时钟脉冲。在第 10个时 钟的下降边 EOC 输出变低,而当转换完成时加到逻辑高电平,转换结果可以由 主机读出,如果 I/O CLOCK传送是多于 10个时钟,在第 10个时钟的下降边内 部逻辑也将 DATAOUT 变低以保证剩下各位的值是零。
3.6 输出电路设计
3.6.1三位 LED 数码管简单介绍
在 单 片 机 系 统 中 , 常 用 的 显 示 器 有 :发 光 二 极 管 显 示 器 , 简 称 LED(LightEmittingDiode, 液晶显示器,简称 LCD(LiquidCrystalDisplay;荧光 管显示器。近年来也开始使用简易的 CRT 接口,显示一些汉字及图形。前三种 显示器都有两种显示结构;段显示(7段, “ 米 ” 字型等 和点阵显示(5X?, 5X8, 8X8点阵等。而
发光二极管显示又分为固定段显示和可以拼装的大型字段显示,此 外还有共阳极和共阴极之分等。
三种显示器中,以荧光管显示器亮度最高,发光二极管次之,而液晶显示器最 弱,为被动显示器,必须有外光源。
LED显示块是由发光二极管显示字段组成的显示器, 有 8字段和 “ 米 ” 字段之分。显示块都有 dp 显示段,用于显示小数点。7段 LED 的字型码,由于只有 7个段 发光二极管,所以字型码为一个字节。“ 米 ” 字段 LED 的字型码由于有 15个段发 光二极管, 所以字型码为两个字节。这种显示块有共阳极和共阴极两种。共阴极 LED 显示块的发光二极管的阴极连接在一起,通常此公共阴极接地,当某个发 光二极管的阳极为高电平时,发光二极管点亮,相应的段被显示。同样,共阳板 LED 显示块的发光二极管的阳极连接在一起,通常此公共阳极接正电压。由 N 片 LED 显示块可拼接成 N 位 LED 显示器。本设计是三位 LED 显示器的结 构, N 位 LED 显示器有 N 根位选线和 8XN(或 16XN 根段选线。根据显示方式 的不同,位选线和段选线的连接方法也各不相同。段选线控制显示字符的字型, 而位选线则控制显示位的亮、暗。LED 显示器有静态显示和动态显示两种显示 方式,一是 LED 静态显示方式、二是动态显示。„
LED 显示器工作于静态显示方式时,各位的共阴极(或共阳极 连接在一起并 接地(或 +5v,每位的段选线(a~dp 分别与一 8位的锁存输出相连。之所以称为 静态显示, 是由于显示器中的各位相互独立, 而且各位的显示字符一经确定, 相 应锁存器的输出将维持不变, 直到显示另一个字符为止。也正因为如此, 静态显 示器的亮度都较高。本设计用的是阳极驱动。该电路各位可独立显示, 只要在该
位的段选线上保持段选码电平, 该位就能保持相应的显示字符。由于各位分别由 一个 8位输出口控制段选码, 故在同一时间里, 每一位显示的字符可以各不相同。这种显示方式接口,编程容易,管理也简单,付出的代价是占用口线资源较多。若用 I/O口线接口,则要占用 4个 8位 I/O口,若用锁存器(如 74LS244 接口, 则要用 1片 74LS244芯片。而如果用 “ 米 ” 字段的 LED 显示器,则静态显示方式 需要更多的
硬件资源。如果显示器位数增多, 则静态显示方式更是无法适应。因 此在显示位数较多的情况下,一般都采用动态显示方式。
3.6.2三位 LED 数码管驱动电路的设计
译码与编码是相反的过程,是将二进制代码表示的特定含义翻译出来的过 程。能实现译码功能的组合逻辑电路称为译码器。
集成译码器可分为三种,即:二进制译码器、二-十进制译码器和显示译码 器。二进制译码器是将输入的二进制代码的各种状态按特定含义翻译成对应输出 信号的电路。也称为变量译码器。若输入端有 n 位,代码组合就有 2n 个,当然 可译出 2n 个输出信号。
显示译码器由译码输出和显示器配合使用,最常用的是 BCD 七段译码器。其输出是驱动七段字形的七个信号,常见产品型号有 74LS48、74LS47等。
本设计采用 74LS48译码器, 74LS48是输出高电平有效的中规模集成 BCD 七段显示译码驱动器,它的功能简图和管脚引线图如下图: ~41~ ~42~
功
功能简图 管脚引线图 其真值表见下表所示: 74LS48BCD 七段译码驱动器真值表 ~43~
~44~
灭 灯 ³ ³ ³ ³ ³ ³
0 0 0 0 0 0 0 0 灭 零 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
试 灯
0 ³ ³ ³ ³ ³ 1 1 1 1 1 1 1 1 74LS48的输入端是 四位二进制信号(8421BCD码 , a、b、c、d、e、f、g 是七段译码器的输出驱动信号,高电平有效。可直接驱动共阴极七段数
码
是使能端,起辅助控制作用。使能端的作用如下:(1 是试灯输入端, 当 =0, =1时, 不管其它输入是什么状态, a~g 七段亮;(2灭灯输入 ,当
=0,不论其它输入状态如何, a~g均为 0,显示 管熄灭;(3动态灭零输入 ,当 =1, =0时, 如果 =0000时, a~g均 为各段熄灭;(4 动态灭零输出 ,它与灭灯输入 共用一个引出端。当 =0或 =0且
=1, =0000时,输出才为 0。片间 与 配合,可用于熄灭多
位数字前后所不需要显示的零。3.7 可编程看门狗电压监控电路
可编程看门狗电压监控电路选用 Xicor 公司的 X25045集成芯片,它是集看 门狗定时器功能,电压监控功能,快闪 E2PROM 存储功能为一体的集成芯片。看门狗定时器电路对微控制器提供了独立的保护系统, 可编程设置三种周期, 当 系统出现故障时, 在预先设定的周期之后产生复位信号, 该周期一旦设定, 即使 在电源周期变化之后也不改变。电压监控功能可以保护系统使之免受低电压状况 的影响,当 V}。降到最小转换点以下时,系统复位,直到电压升高且稳定为止, EZPROM 可存放数据,安全可靠,这种组合不仅降低系统成本,减少电路板空 间要求,而且与 CPU 接口简单,性能稳定。.1..芯片的性能特点 ²可编程的看门狗定时器;²低 ucc 检测,直到 VCC 等于 1V 时有效;²1 MHZ的时钟频率;²512X8位串行 E2PROM;.低功耗 CMOS 设计,工作时电流 3mA ,备用 时 10 } A;²电源电压为 2.7V}S.SV;~45~ ²片内写保护;
²高可靠性 :使用期限 :100000周期 /字节;数据保存期 :100年;ESD 保护 :所有引脚 2000V;²RESET 高电平有效。2.引脚排列及说明
X25045引脚排列如下图所示
X25045的引脚排列图 引脚说明见下表
X25045引脚说明 3.X25045与 AT89C2051的连接如图下图所示。
X25045与 AT89C51连接图 3.8通讯电路
本毕业设计采用遥控传输,将报警信号传输给远距离的报警设备,它的有效 传输距离可达 8~10km。遥控发射电路由 NE555(或 ICM7555单稳态电路、发 射组件 FDD-5和晶体管 VT 驱动器组成,如附三图所示。
3.8.1遥控发射电路
它是由时基电路 555组成单稳态电路。平时,由于触发端 T 开路,其电位为 1Ucc/3,故电路保持稳态,即输出端 F 为低电平;一旦门、窗受到振动,传感开 关
S1~S5之中总会有瞬时接通的, T=0,电路翻转,即输出由 0边为,保持 1的时间约为 1.1R1C1, 按图中阻、容之植, 大约 20s 左右, 这段时间称为暂稳态, 在暂晚年态时间内,不管开关 Si(i=1, 2,„ 5 开、关与否,均不能改变输出为 1的状态,经过 1.1R1C1时间后, F 由 1变为 0。
3.8.2 晶体管驱动器
晶体管驱动器由 9013组成,为驱动继电器提供较大的的电流,当 NE555输 出 F=1时,晶体管 VT 导通,继电器吸合,常开触点闭合,将发射器 FDD-5接入 电源向外发射。如果选用微型继电器,可以不要驱动级, NE555输出电流较大, 可直接驱动继电器线圈。但若选用由 CMOS 电路组成的时基电路(入各种 7555 其输出 F 后必须加驱动电路, 否则, 由于继电线圈吸取较大的电流会烧毁集成电 路,这在使用中应引起注意。
3.8.3 发射组件 FDD-5 FDD-5是发射组件,外部有金属屏蔽盒,尺寸为 85㎜³55㎜³20㎜,工 作频率为 36.100MHz ,常称为 36MHz ,工作电压 8~12V ,工作电流小于 1.1A ,发射功率为 5W ,在发射组件中是较大的功率,调制方式为调频,最大频偏为±5kHz ,残留辐 射小于-60dB。输入信号幅度小于 100mV ,输入调制信号形式为方脉冲或模拟正 弦波。FDD-5有一天线插孔,插入半波同轴偶极天线,发射距离可达 8~10km。组件有 3个引脚,功能已在器件上标注:1脚(GND , 2脚(Ucc , 3脚(CP , 输入调制信号。
FDD-5组件由本振、音频调制放大、数字编码电路 VD5026、音频编码切换开关、三倍频高放及射频功放电路等组成。本振电路产生 12.03330MHz 基频, 输入信号 调制在基频上, 经三倍频后输出 36.10000MHz 调制信号, 经射频功率放大器, 通 过天线向外发射, 同时, 工作状态指示 LED 管发光。输入调制信号可以是模拟音 频信号,也可以是数字编码信号,由 3脚 CP 端输入。如果是模拟音频信号,经 切换开关直接送至本振,实现编码发射。发射电路中的开关 SB 不可省略,开机 时应将 SB 打开,否则将会报警。
3.8.4半波同轴偶极天线
发射电路应架设天线才能使发射距离较远。天线的作用是发射或接受电磁 波,是通信遥控摇测等领域不可缺少的能量转换部件,与组件匹配的优良天线, 能增加遥控遥测距离。专业制作的天线性能优良,但价格较高。