用于可燃氣體信號采集的數字顯示探頭設計方案

　　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)。

　　2.4 零點(diǎn)、量程調整及報警單元

　　本探頭的量程為O～100%LEL，可針對不同環(huán)境對零點(diǎn)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(jìn)了按鍵易受腐蝕，不利于裝置密封的缺點(diǎn)。在外磁場(chǎng)的作用下，當磁感應強度超過(guò)導通閾值時(shí)，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(shí)綠燈亮，但可燃氣體濃度大于安全值時(shí)紅燈亮，同時(shí)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(shí)，就發(fā)出聲光警報，防止由可燃氣體含量過(guò)高而發(fā)生意外事故。如圖3所示。

　　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?？捎肕C34063芯片來(lái)實(shí)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(kāi)關(guān)降壓電路。當芯片內部開(kāi)關(guān)管導通時(shí)，電流經(jīng) MC34063的1腳、2腳給電感L1，L2，電容G3和負載供電，同時(shí)電感L1，L2存儲能量;當內部開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)時(shí)，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。

　　ICL7660內含四個(gè)模擬開(kāi)關(guān)S1～S4，由內部振蕩器控制、按一定順序通斷。兩個(gè)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(kāi)時(shí)，C2被充電至+5 V。過(guò)一段時(shí)間，當S1和S3斷開(kāi)，S2和S4閉合時(shí)，C2上的電荷便向C3上轉移。數次循環(huán)后，C3上的電壓便等于-5 V，從而實(shí)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(tài)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。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Xmax單元，然后獲取本次采樣值Xi與Xmax進(jìn)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O(表示正常)。若大于報警值，則轉入報警處理。進(jìn)行報警處理時(shí)，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(jìn)行報警處理，置本次采樣不正常標志返回主程序。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(huán)境的變化可能會(huì )使氣體傳感器在對氣體濃度采樣時(shí)遇到尖脈沖干擾。這種干擾一般持續時(shí)間短，峰值大。在對其進(jìn)行數字濾波處理時(shí)，僅僅采用算術(shù)平均或移動(dòng)平均濾波只能對脈沖干擾進(jìn)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(gè)數據進(jìn)行排序，去掉最大和最小的2個(gè)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。

　　但是該算法還存在一個(gè)不足之處，就是每采集一個(gè)數據就要進(jìn)行一次排序，這樣會(huì )大量占用系統時(shí)間