基于ＡＤμＣ８１２單片機的可燃性氣體監(jiān)測報警儀的設(shè)計

摘 要：主要介紹可燃性氣體監(jiān)測報警儀的設(shè)計，他由可燃性氣體傳感器、信號放大電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、單片機、顯示部分、鍵盤控制、報警輸出、應(yīng)用系統(tǒng)軟件等組成。從傳感器出來的微電流信號，經(jīng)過放大電路進(jìn)行放大后送入單片機內(nèi)，單片機采用美國ADI公司生產(chǎn)的ADμC812型單片機，這款單片機帶有8通道12位的A/D，可直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。此外，他的存儲資源豐富、可進(jìn)行在線編程，各方面均符合設(shè)計的要求。顯示部分采用74LS164芯片和LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示；報警輸出采用固體繼電器與蜂鳴器控制報警；軟件設(shè)計采用單片機C語言編程。

關(guān)鍵詞：可燃性氣體；傳感器；報警儀；ADμC812單片機

中圖分類號：TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1004-373X(2008)02-181-03

Design of Ignitable Gas Alarm Detector Based on ADμC812

GAO Jingwei，LI Jun，HAN Yi

(Shaanxi Natural Gas Co.Ltd.，Xi′an，710016，China)

Abstract：In this paper，the design of ignitable gas alarm detector is described，ignitable gas alarm detector include the ignitable gas sensor，signal amplification circuit，A/D conversion，single chip computer，display，keyboard control，the alarm，the software and equipment calibration and so on.Micro-signals from the sensor，is enlarged by the circuit and is ran into single chip computer，the single chip computer is produced by the United States ADI Company.The type of single chip computer is ADμC812，this single chip computer has eight channels of 12 b AD，it can collect data directly.In addition，its performance is fine in store and program online.It can be applied to this design.The display part using 74LS164 chips and digital LEDS to display.The speaker that is controlled by solid black-white and the light emitter diode are used in the alarm.The design of software using C language programming.

Keywords：ignitable gas;sensor;alarm instrument;ADμC812 single chip computer

隨著工業(yè)、農(nóng)業(yè)化的發(fā)展，及時、準(zhǔn)確地對易燃、易爆、有毒、有害氣體進(jìn)行監(jiān)測預(yù)報和自動控制已成為當(dāng)前天然氣、煤炭、石油、化工、電力等部門急待解決的問題，人類對生態(tài)環(huán)境凈化的要求也越來越高，不僅要求監(jiān)測、監(jiān)控、檢測易燃、易爆、有毒、有害氣體，而且為確保身心健康，減少環(huán)境污染環(huán)境，還要求研制出各種高靈敏度、超小型、多功能化的氣體傳感器。 近年來，可燃性氣體傳感器的研究和開發(fā)十分活躍，國外從20世紀(jì)30年代開始研究開發(fā)可燃性氣體傳感器，至今已經(jīng)走過半個多世紀(jì)，品種到達(dá)數(shù)百種。

1 氣體傳感器的分類及應(yīng)用

氣體傳感器種類繁多，分類方法目前尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)氣敏特性分類，主要分為半導(dǎo)體式、固體電解質(zhì)式、電化學(xué)式等幾類。

(1) 半導(dǎo)體式氣體傳感器

自從1962年半導(dǎo)體金屬氧化物陶瓷氣體傳感器問世以來，半導(dǎo)體氣體傳感器由于具有靈敏度高、響應(yīng)時間快等優(yōu)點，其產(chǎn)品發(fā)展非常迅速，按檢測不同氣敏特征量的方式可分為電阻式和非電阻式2種。

電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器主要是指半導(dǎo)體金屬氧化物陶瓷氣體傳感器，其電阻隨著氣體含量不同而變化。非電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器MOS二極管式和結(jié)型二極管式以及場效應(yīng)管，其電流或電壓隨著氣體含量而變化，主要檢測可燃性氣體。此類氣體傳感器的主要優(yōu)點是靈敏度高，但制作工藝比較復(fù)雜、成本高。

(2) 固體電解質(zhì)氣體傳感器

固體電解質(zhì)氣體傳感器是一種以離子導(dǎo)體為電解質(zhì)的化學(xué)電池。20世紀(jì)70年代開始，固體電解質(zhì)氣體傳感器由于電導(dǎo)率高，靈敏度和選擇性好，獲得了迅速的發(fā)展，目前環(huán)保、節(jié)能、礦業(yè)、汽車工業(yè)等各個領(lǐng)域均有應(yīng)用，僅次于金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器。

(3) 電化學(xué)式氣體傳感器

電化學(xué)式氣體傳感器可分為原電池式，定電位電解式、電量式，離子電極式4種類型。原電池式氣體傳感器通過檢測電流來檢測氣體的濃度。定電位式傳感器是通過測量電解時流過的電流來檢測氣體的濃度，和原電池式不同的是，他需要由外界施加特定電壓，他除了能檢測CO，NO，NO2，O2，SO2等氣體外，還能檢測血液中的氧濃度。電量式氣體傳感器是通過被測氣體與電解質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生的電流來檢測氣體的濃度。離子電極式氣體傳感器出現(xiàn)得較早，通過測量離子極化電流來檢測氣體的濃度。電化學(xué)式氣體傳感器主要的優(yōu)點是檢測氣體的靈敏度高，選擇性好。

2 可燃性氣體監(jiān)測報警儀硬件電路設(shè)計

(1) 可燃性氣體監(jiān)測報警儀方案設(shè)計

可燃性氣體監(jiān)測報警儀是由可燃性氣體傳感器、信號處理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、ADμC812型單片機、顯示電路、設(shè)置按鍵、信號輸出電路和應(yīng)用系統(tǒng)軟件等組成。其系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示：

ADμC812單片機是美國AD公司推出的一種新型單片機，他是AD公司多年生產(chǎn)A/D，D/A轉(zhuǎn)換器的經(jīng)驗和成熟的51單片機技術(shù)結(jié)合在一起的高性能微轉(zhuǎn)換器，其性價比高，是一個完全可編程、自校準(zhǔn)、高精度，全集成的12位模擬數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)由模擬多路開關(guān)、溫度傳感器、采樣保持電路(T/H)，8通道12位單電源逐次逼近ADC，2個12位DAC，ADC至RAM捕獲DMA控制器以及可編程的8位MCU(與51兼容)等組成，ADμC812單片機數(shù)據(jù)采集電路自身不需要51單片機內(nèi)核的過多干預(yù)，設(shè)定轉(zhuǎn)換時間標(biāo)準(zhǔn)、基準(zhǔn)電壓和最小化數(shù)字噪聲的工作都被自動完成，達(dá)到數(shù)據(jù)檢測與控制的高效性與精確性。

(2) 信號放大電路設(shè)計

由于此設(shè)計所用的氣體傳感器是感應(yīng)可燃性氣體濃度的變化，并將其濃度轉(zhuǎn)化為微弱的電流信號。所以必須采用專用的信號放大電路，并且對電路的要求非常嚴(yán)格。否則，將無法精確的檢測可燃性氣體濃度并進(jìn)行準(zhǔn)確報警。其信號放大電路如圖2所示。

這是一款用于三電極可燃性氣體傳感器的信號放大電路。所用的3個電極分別是：工作電極(S)、對電極(C)、參考電極(R)。從傳感器電極端子出來后的電壓經(jīng)過穩(wěn)壓管穩(wěn)壓，并將此電壓作為一個基準(zhǔn)，這就相當(dāng)于一個“電橋”。當(dāng)空氣中CO的濃度稍有變化便會影響這個“電橋”的變化，從而傳感器就會很快感應(yīng)到氣體濃度的變化，從傳感器出來的信號通過差動放大電路進(jìn)行放大并輸出其濃度值。

(3) 電源部分電路設(shè)計

單片機及外圍所連接的芯片工作電壓要求為是+5 V或+9 V，這里先將220 V的電壓通過交流到直流的轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換到+9 V，再將+9 V的電壓通過穩(wěn)壓器穩(wěn)壓到+5 V。然后，根據(jù)單片機和其外圍芯片所需進(jìn)行供電。考慮電源部分的抗干擾的問題，有必要加上光電隔離，以防止影響整個儀器的正常工作。其主體電路的原理圖如圖3所示：

(4) 顯示和按鍵電路設(shè)計

可燃性氣體監(jiān)測報警儀的顯示電路可采用LED或LCD進(jìn)行顯示，這里采用串并轉(zhuǎn)換芯片74LS164 與數(shù)碼管LED進(jìn)行顯示。其中，串行接口芯片74LS164 為移位寄存器，分別用6個數(shù)字7段的LED靜態(tài)顯示驅(qū)動器和接口，而74LS164 時鐘輸入的CLK 接低電平有效的片選信號。每次輸出待顯示數(shù)字的7段編碼的其中1段編碼值，送8 次可在LED上顯示1位數(shù)字。其電路連接如圖4所示，此外，設(shè)計中所用的按鍵電路是通過按鍵和上拉電阻構(gòu)成，如圖5所示。

(5)報警功能電路設(shè)計

當(dāng)可燃性氣體濃度達(dá)到報警點時，為了使操作人員不致忽視，以便及時采取措施，通常有2種方法：閃光報警，因為閃動的指示燈更能提醒人們注意；鳴音報警，發(fā)出特定的鳴音，作用于人的聽覺器官，易于引起和加強警覺。以上這2種報警統(tǒng)稱聲光報警。其控制電路原理如圖6所示。

本設(shè)計通過2個紅色的LED發(fā)光二極管和1個蜂鳴器進(jìn)行報警。其中2個紅色的LED分別代表一級報警和二級報警。輸出報警電路是通過對繼電器的控制來控制蜂鳴器進(jìn)行報警。要求繼電器的控制電壓為5 V，被控制電壓為220 V。(6)其他電路設(shè)計

除了以上所必須的電路外，還應(yīng)該與一部分電路相配合才能使ADμC812單片機正常工作。如復(fù)位電路、時鐘電路、發(fā)光二極管驅(qū)動電路、下載跳線以及上拉電阻等。

(7) 串行通信電路

串行通信是單片機與PC機進(jìn)行通訊所必須的環(huán)節(jié)。ADμC812單片機片內(nèi)含有1個全雙工的串行接口，在串行通訊中采用RS 232C標(biāo)準(zhǔn)。RS 232C標(biāo)準(zhǔn)的電平采用負(fù)邏輯，規(guī)定+ 3～+15 V之間的任意電平為邏輯“0”電平，-3～-15 V之間的任意電平為邏輯“1”電平，與TTL和CMOS電平不同。在接口電路和計算機接口芯片中大都為TTL或CMOS電平，所以在通信時，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，以便與RS 232C標(biāo)準(zhǔn)的電平匹配，MAX 232芯片可以完成電平轉(zhuǎn)換。其硬件電路如圖7所示。

3 可燃性氣體監(jiān)測報警儀的軟件設(shè)計

軟件設(shè)計可采用單片機C語言設(shè)計，總程序設(shè)計包括：A/D轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計、顯示模塊設(shè)計、按鍵設(shè)置模塊設(shè)計等。其流程圖如圖8所示：

4 結(jié) 語

可燃性氣體監(jiān)測報警儀雖然用途非常廣泛，但是其精度也受到各方面因素的制約。最主要的是報警儀標(biāo)定，這是一項復(fù)雜的工作，直接影響著報警儀的測量精度。如果沒有進(jìn)行精確的標(biāo)定，其將直接影響儀器的正常工作。

參 考 文 獻(xiàn)

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［2］單成祥.傳感器的理論與設(shè)計基礎(chǔ)及應(yīng)用［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1999.

［3］張國雄，金篆芷.測控電路［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2003.

［4］何立民.單片機高級教程［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，1999.

［5］李剛.ADμC8XX系列單片機［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

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［7］包敬民，李向倉.微弱信號的檢測技術(shù)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2006，29(21):65-66.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。