可燃氣體數字顯示探頭設計

摘 要:設計一種可燃氣體數字顯示探頭，介紹了數字顯示探頭的工作原理及其軟、硬件的設計。顯示探頭的探測器由TGS842半導體金屬氧化物可燃氣體傳感器構成，配以OP07放大器對檢測信號進行放大，利用高精度的數字電位器根據不同環境對零點、量程做相應的調整，并用TLC549實現A/D轉換把數字信號傳送給AT89C51微控器，從而實現可燃氣體濃度的實時顯示和聲光報警。再由XTR105芯片把標準的4~20 mA電流信號傳送給中央控制系統，同時用軟件對信號進行濾波、報警處理。

關鍵詞:檢測電橋; 霍爾元件; 電源模塊; 報警處理

中圖分類號:TN710-34文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)17-0160-04

Design of Digital Display Probe for Combustible Gas

ZHANG Li-guo， TONG Shi-zhong， FU Gui-zeng， MA Shu-wen

(School of Control and Information Engineering， Liaoning Shihua University， Fushun 113001， China)

Abstract: A kind of combustible gas digital display probe is designed. The working principle and software hardware design of the digital display probe are introduced. The detector of the probe is composed of TGS842 semiconductor metallic oxide combustible gas sensor， coupled with OP07 amplifier to amplify the detected signal. The high-precision digital potentiometer is used to adjust the measuring range and zero. The TLC549 is employed to achieve A / D convertion and transmit the digital signal to the AT89C51 microcontroller to implement the real-time display and sound and light alarm of combustible gas concentration， and then transmit the standard 4~20 mA current signal to the central control system by the XTR105 chips. At the same time， the signal is filtered and alarm is processed with the software.

Keywords: detection bridge; Hall element; power supply module; alarm handling

收稿日期:2010-03-30

可燃氣體測量儀器是一種廣泛用于石油化工、天然氣、礦井、冶金、油庫等眾多易燃易爆場所的檢測設備。該設備對可燃氣體測量主要是通過單點或多點測量，但隨著現代科技的進步已逐漸發展成通過計算機實現儀表數字化網絡測量的監控系統。用這樣的一個監控系統監控、采集被測現場的可燃或有毒氣體，可以及時地把被測氣體的濃度通過液晶顯示出來。當氣體濃度達到報警值時，就會發出聲光報警，并記錄下報警時間，以便事后的檢查。而采集到的信號將被傳送給計算機控制系統，通過關聯的聯動模塊觸動閥門以打開排氣、排風設備，從而實現現場可燃氣體的安全控制。因此設計一款能穩定并實時采集現場可燃氣體信號的數字顯示探頭就尤為重要。

1 系統工作原理

可燃氣體報警器由傳感器檢測電橋、直流放大器、A/D轉換單元、零點、量程調整單元、單片機以及報警顯示電路和輸出電路等部分組成。系統框圖如圖1所示。首先，傳感器送來的與可燃性氣體濃度相對應的微小電壓信號經過放大后，由 A/D轉換電路將其轉換成數字信號后送入單片機。單片機再對該數字信號進行濾波處理，并對處理后的數據加以分析，以確認是否大于或等于某個報警值。若大于報警值則啟動報警電路發出聲光報警，反之則為正常狀態。然后該數字信號被送到顯示單元以顯示相應的濃度值。

圖1 可燃氣體數字顯示探頭系統框圖

2 硬件電路設計

2.1 可燃氣體傳感器

經過試驗對比，該設計采用半導體金屬氧化物可燃氣體傳感器TGS842[1]。這種具有高穩定性的傳感器需要在一定的高溫下工作，以實現其氧化還原反應，所以必須要有電壓來為其加熱，而加熱電壓是由+5 V的電源提供。該傳感器的測量方式為:由其構成惠斯登檢測橋路，當含有可燃性的混合氣體擴散到檢測元件上時，在氣敏元件表面將會發生氧化還原反應，使電阻阻值發生變化，打破電橋平衡，產生大小與可燃氣體濃度成正比的微小電壓差信號，從而達到檢測可燃氣體濃度的目的[2]。過程如圖2所示。

2.2 信號調理電路

傳感器輸出的信號是微弱信號，需經過集成運算放大器OP07[3]進行線性放大處理，以滿足A/D轉換電路對電平信號的要求。但在信號輸入前，需加入一個具有100個電阻值，并能對漂移信號進行精確調節的高精度數字電位器X9C103[4]對輸入漂移信號進行調零，使其不進入運算放大器OP07。具體流程為:電橋輸出的信號一端經X9C103(P3.4控制)調零后，進入OP07的反相輸入端(2腳)，而輸出電壓Vo則通過電阻R9接到反相輸入端(2腳)和調零端(1腳)以保證引入的是負反饋;另一端由同相輸入端(3腳)引入放大器，經放大后由另一個X9C103(P3.5控制)實現量程的外部調節。

圖2 可燃氣體數字顯示探頭硬件電路圖

信號經過2個數字電位器到達A/D轉換單元。A/D轉換單元由TLC549芯片[5]實現，它以8位開關電容逐次逼近的方法實現轉A/D 轉換。模擬信號有ANVIN引入，它通過CS，CLOCK和DATA OUT與AT89C51通信。當CS變為低電平后，TLC549芯片被選中，同時前次轉換結果的最高有效位MSB(A7)自DATA OUT端輸出。接著CLOCK端輸出8個外部時鐘信號，前7個CLOCK信號的作用是配合TLC549輸出前次轉換結果A6~A0，并為本次轉換做準備。在第4個CLOCK信號由高變低后，片內采樣保持電路對輸入模擬量采樣開始。第8個CLOCK信號的下降沿使片內采樣保持電路進入保持狀態，并啟動A/D開始轉換。

為了使電路能夠可靠穩定的工作，采用X5045實現電路監視功能。X5045有一個可設定200 ms，600 ms，1.4 s或禁止的看門狗定時器。在本電路中X5045被設置為 1.4 s的定時器。硬件電路如圖2所示，在單片機程序中，每隔一定的時間間隔放置一條 “喂狗”指令 (即在 P1.6輸出一個下降沿)，該時間間隔應小于1.4 s，以保證程序正常運行時 X5045不會溢出;當程序出現異常，該時間間隔將超過1.4 s導致X5045溢出，并通過RST引腳送出一個復位信號使單片機復位，重新開始運行程序。

2.3 輸出單元

傳感器的現場電壓信號由電壓/電流變換器轉換成4~20 mA的標準電流信號后傳送給上位機控制系統。為實現電壓信號變換成4~20 mA標準電流信號，采用XTR105精密電流變送器[6]。它內含1個高精度的儀表放大器、1個電壓/電流變換器和2個相同的0.8 mA精密恒流源基準。傳感器的電壓信號由13腳輸入;3，4腳之間接滑動電阻以調節輸出滿幅值;1，2，14腳接電源，I/O腳接24 V電源正端(且是環流注入端);7腳通過負載電阻RL接電源負端(也是環流信號輸出端);8，9腳外接BD235三極管，該三極管是4~20 mA電流回路的主要電流傳導器件，能將外部電源電流與XTR105的內部消耗嚴格地分開。

2.4 零點、量程調整及報警單元

本探頭的量程為0~100%LEL，可針對不同環境對零點及量程做適當調整。按鍵電路采用霍爾元件A44，它可置于表頭內部，提高了探頭的安全性，從而改進了按鍵易受腐蝕，不利于裝置密封的缺點。在外磁場的作用下，當磁感應強度超過導通閾值時，霍爾輸出管導通，輸出低電平。相反，則霍爾輸出管截止，輸出高電平。對于可燃氣體檢測儀，聲光報警部分必不可少。當可燃氣體濃度小于安全值時綠燈亮，但可燃氣體濃度大于安全值時紅燈亮，同時伴隨蜂鳴器響。即當檢測到可燃氣體在空氣中所占的比例超標時，就發出聲光警報，防止由可燃氣體含量過高而發生意外事故。如圖3所示。

圖3 零點、量程調整及報警單元硬件電路設計

2.5 電源模塊設計

控制系統采用統一的24 V直流電源供電，但是AT89C51和TGS842傳感器需要+5 V電源，而OP07需要-5 V電源，這就需要電壓轉換單元。可用MC34063芯片來實現+24 V到+5 V的電壓轉換。MC34063芯片是單片式DC/DC變換器。圖4為采用 MC34063芯片構成的開關降壓電路。當芯片內部開關管導通時，電流經MC34063的1腳、2腳給電感L1，L2，電容C3和負載供電，同時電感 L1，L2存儲能量;當內部開關管斷開時，由電感L1，L2繼續給電容C3和負載供電，輸出+5 V電源電壓。如圖5所示。

圖4 +24 V到+5 V電壓轉換電路

圖5 +5 V到-5 V電壓轉換電路

ICL7660內含四個模擬開關S1～S4，由內部振蕩器控制、按一定順序通斷。兩個普通的電解電容C2和C3分別接到腳2和腳4以及腳5。當S1和S3閉合，S2和S4斷開時，C2被充電至+5 V。過一段時間，當S1和S3斷開，S2和S4閉合時，C2上的電荷便向C3上轉移。數次循環后，C3上的電壓便等于-5 V，從而實現了正電壓到負電壓的變換。

3 軟件設計

系統的軟件功能主要包括:被檢測氣體濃度信號A/D轉換、防脈沖干擾平均值濾波、狀態指示燈及按鍵功能設置、用液晶顯示模塊顯示氣體濃度值和報警電路設計等[1，7]。主程序流程如圖6所示。

3.1 報警電路的設計

報警程序的設計思想是首先將報警值輸入Xmax單元，然后獲取本次采樣值Xi與Xmax進行比較。若小于報警值，則本次采樣正常，可將正常值送入RESULT單元，并置標志位0(表示正常)。若大于報警值，則轉入報警處理。進行報警處理時，首先判斷上一次采樣是否正常，如果正常，即可重新采樣，置允許檢測不正常次數N，然后在轉入報警處理程序;如果不正常，則檢測一下是否連續N次不正常。是，則報警;不是，則再把剩下的允許連續不正常的次數Z存入計數單元，然后再進行報警處理，置本次采樣不正常標志返回主程序[8]。報警電路程序流程如圖7所示。

3.2 濾波電路的設計

工作環境的變化可能會使氣體傳感器在對氣體濃度采樣時遇到尖脈沖干擾。這種干擾一般持續時間短，峰值大。在對其進行數字濾波處理時，僅僅采用算術平均或移動平均濾波只能對脈沖干擾進行1/n處理，其剩余值仍然較大。最好的策略是去掉將受干擾信號的數據，即防脈沖干擾平均值濾波法。算法是:對連續的n個數據進行排序，去掉最大和最小的2個數據，將剩余數據求平均值。為了加快數據處理速度，n的取值為8。

圖6 可燃氣體數字顯示探頭主程序流程圖

圖7 報警電路程序流程圖

但是該算法還存在一個不足之處，就是每采集一個數據就要進行一次排序，這樣會大量占用系統時間。解

決的辦法就是在系統中用兩個變量來存儲當前n個數

據的最大值和最小值在這個數組中的偏移量，只有被新輸入數據覆蓋的數據正好是當前的最大或最小值時，才會在下個數組中查找最大或最小值;這樣在其他情況下，只要將輸入數據與最大值和最小值比較就可以修改最大值和最小值了，而且不用進行數據排序[8]。濾波電路軟件流程圖如圖8所示。

圖8 軟件濾波電路流程圖

4 結 語

本文所設計的可燃氣體數字顯示探頭具有結構穩定、測量精度高、利于密封和可維護性好等特點。該儀器用LCD顯示可燃性氣體濃度，在其濃度達到設定濃度時發出聲光報警。具有的故障自診斷功能能快速重復檢測和延時報警。同時報警器還能與上位機控制系統進行通信，既可以實時傳送氣體濃度檢測數據給控制系統以記錄保存，也可以利用上位機控制系統實現遠程實時檢測和聯動裝置的控制等功能。

參考文獻

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