可燃氣體數字顯示探頭設計

可燃氣體測量?jì)x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(chǎng)所的檢測設備。該設備對可燃氣體測量主要是通過(guò)單點(diǎn)或多點(diǎn)測量，但隨著(zhù)現代科技的進(jìn)步已逐漸發(fā)展成通過(guò)計算機實(shí)現儀表數字化網(wǎng)絡(luò )測量的監控系統。用這樣的一個(gè)監控系統監控、采集被測現場(chǎng)的可燃或有毒氣體，可以及時(shí)地把被測氣體的濃度通過(guò)液晶顯示出來(lái)。當氣體濃度達到報警值時(shí)，就會(huì )發(fā)出聲光報警，并記錄下報警時(shí)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(guò)關(guān)聯(lián)的聯(lián)動(dòng)模塊觸動(dòng)閥門(mén)以打開(kāi)排氣、排風(fēng)設備，從而實(shí)現現場(chǎng)可燃氣體的安全控制。因此設計一款能穩定并實(shí)時(shí)采集現場(chǎng)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(diǎn)、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(lái)的與可燃性氣體濃度相對應的微小電壓信號經(jīng)過(guò)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(jìn)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(gè)報警值。若大于報警值則啟動(dòng)報警電路發(fā)出聲光報警，反之則為正常狀態(tài)。然后該數字信號被送到顯示單元以顯示相應的濃度值。

2 硬件電路設計
2．1 可燃氣體傳感器
經(jīng)過(guò)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。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(shí)現其氧化還原反應，所以必須要有電壓來(lái)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(shí)，在氣敏元件表面將會(huì )發(fā)生氧化還原反應，使電阻阻值發(fā)生變化，打破電橋平衡，產(chǎn)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。過(guò)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(jīng)過(guò)集成運算放大器OP07進(jìn)行線(xiàn)性放大處理，以滿(mǎn)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(gè)具有100個(gè)電阻值，并能對漂移信號進(jìn)行精確調節的高精度數字電位器X9C103對輸入漂移信號進(jìn)行調零，使其不進(jìn)入運算放大器OP07。具體流程為：電橋輸出的信號一端經(jīng)X9C103(P3．4控制)調零后；進(jìn)入OP07的反相輸入端(2腳)，而輸出電壓V。則通過(guò)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(jīng)放大后由另一個(gè)X9C103(P3．5控制)實(shí)現量程的外部調節。
信號經(jīng)過(guò)2個(gè)數字電位器到達A／D轉換單元。A／D轉換單元由TLC549芯片實(shí)現，它以8位開(kāi)關(guān)電容逐次逼近的方法實(shí)現轉A／D轉換。模擬信號有ANVIN引入，它通過(guò)，CLOCK和DATA OUT與AT89C51通信。當變?yōu)榈碗娖胶?，TLC549芯片被選中，同時(shí)前次轉換結果的最高有效位MSB(A7)自DATA OUT端輸出。接著(zhù)CLOCK端輸出8個(gè)外部時(shí)鐘信號，前7個(gè)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(gè)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(kāi)始。第8個(gè)CLOCK信號的下降沿使片內采樣保持電路進(jìn)入保持狀態(tài)，并啟動(dòng)A／D開(kāi)始轉換。
為了使電路能夠可靠穩定的工作，采用X5045實(shí)現電路監視功能。X5045有一個(gè)可設定200 ms，600 ms，1．4 s或禁止的看門(mén)狗定時(shí)器。在本電路中X5045被設置為1．4 s的定時(shí)器。硬件電路如圖2所示，在單片機程序中，每隔一定的時(shí)間間隔放置一條“喂狗”指令(即在P1．6輸出一個(gè)下降沿)，該時(shí)間間隔應小于1．4 s，以保證程序正常運行時(shí)X5045不會(huì )溢出；當程序出現異常，該時(shí)間間隔將超過(guò)1．4 s導致X5045溢出，并通過(guò)RST引腳送出一個(gè)復位信號使單片機復位，重新開(kāi)始運行程序。
2．3 輸出單元
傳感器的現場(chǎng)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(shí)現電壓信號變換成4～20 mA標準電流信號，采用XTRl05精密電流變送器。它內含1個(gè)高精度的儀表放大器、1個(gè)電壓／電流變換器和2個(gè)相同的O．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(dòng)電阻以調節輸出滿(mǎn)幅值；1，2，14腳接電源，I／O腳接24 V電源正端(且是環(huán)流注入端)；7腳通過(guò)負載電阻RL接電源負端(也是環(huán)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XTRl05的內部消耗嚴格地分開(kāi)。