参考基于can和rs485总线工业用可燃性气体报警系统

本科生毕业设计（论文）摘 要在炼油厂、加油站、化工厂等对可燃性气体浓度要求很高的场所，需要一款能准确检测可燃性气体浓度并报警的可燃性气体报警系统。本文首先对课题的来源和背景作了简单的介绍，并且分析了气体报警系统设计的目的和意义。其次对气体报警系统的工作原理、功能要求作了概述，并依据设计要求对气体报警系统进行了总体设计。系统采用CAN总线与RS485总线相结合的两级通讯网络，主控制器、CAN/485转换器、气体探测器和控制模块相结合的三层结构模式。气体探测器和控制模块相结合的最下层网络，利用气体传感器对各个区域的气体浓度进行检测并进行数据处理，通过CAN/485转换器传送到主控器，实现终端显示，报警，打印等功能。同时根据信号分析得到结论，对报警系统的可靠性进行了具体设计。硬件方面，首先采用了一些性能优良的新型器件对各种防干扰电路进行了设计，并考虑了电路的电磁兼容，比如各种滤波电路、隔离电路和防雷电路等；然后对控制器机箱外壳和通讯线路等进行了设计。软件设计中主要采用了数字滤波以及干扰避开法等防干扰措施。关键词：气体报警系统；电磁兼容；CAN/485；可靠性AbstractIts demanding in many places ,such as oil refinery, filling station and chemical plant, so a system which can test the combustible gas is necessary.First, it introduces the source and background in the thesis and analysis thepurpose of the system. Then working principle and functional requirements are presented, and overall design is completed based on gas alarm system. Its used CAN bus and RS485 bus, structure model has three layers which includes controller, CAN/485convert, gas detector and control module. The bottom are gas detector and control module. Gas sensors are used to test the gas and then the data will be delivered to the controller through the CAN/485. Terminal can complete the display, alarm, print and other functions.Alarm system is designed based on the conclusion which is got from the signal analysis. Some new devices are used in the system to reduce interference.Given the EMC of circuit, such as filter circuit, isolation circuit and protection circuit, chassis shell and communication lines are designed. The software design mainly adopts digital filtering, interference avoiding method and anti interference measures.Key words：Combustible gas alarm；Electromagnetic Compatibility,；CAN/485；eliability目 录第1章 绪论11.1 论文研究来源、目的和意义11.2 可燃性气体报警器的国内外现状21.3 本设计主要任务2第2章 可燃性气体检测报警系统的方案设计42.1 方案论证42.2 系统工作原理42.3 系统功能要求42.4 气体传感器的选型52.4.1 气体传感器介绍62.4.2 可燃性气体传感器的选定72.5 探测器设计102.6 系统总体设计112.7 CAN的通信模型112.7.1 数据链路层112.7.2 物理层12第3章 可燃性气体报警系统的硬件设计133.1 探测器和控制模块133.1.1 单片机的选择133.1.2 信号采集及前置放大电路143.1.3 声光报警电路163.1.4 报警器故障自诊断电路163.1.5 控制模块173.2 CAN/485转换器183.2.1 RS485接口电路183.2.2 CAN总线控制器193.2.3 CAN收发器213.3 主控器223.4 系统供电电路273.5 报警系统的电磁兼容设计283.5.1 元器件的选择283.5.2 电路的电磁兼容性设计29第4章 可燃性气体检测报警系统的软件设计324.1 STC12系列单片机调试及开发工具324.2 可燃性气体探测器软件流程及设计324.2.1 探测器主程序设计及流程图324.2.2 主程序初始化流程图334.2.3 中位值平均滤波法数字滤波子程序设计及流程图344.2.4 插值法线性化处理子程序流程图364.2.5 报警子程序流程图374.2.6 串行通信子程流程图394.3 协议转换器软件设计404.3.1 转换器主程序模块404.3.2 CAN总线通信模块424.3.3 RS485通信模块44第5章 总 结45参考文献46致 谢47附 录48附 录50附 录5365第1章 绪论1.1 论文研究来源、目的和意义随着科技的发展，越来越多的可燃性气体作为能源应用于工业生产和人们的日常生活中。但是可燃性气体在给我们带来极大便利的同时，也存在巨大隐患。可燃性气体发生泄漏达到爆炸极限后，一旦有火源作用，便会引起燃烧、爆炸等事故，造成严重的经济损失，甚至会危及生命安全。为了减少这类事故的发生，就必须对这些可燃性气体进行现场实时检测，采用先进可靠的安全检测仪表，严密监测环境中可燃性气体的浓度，及早发现事故隐患，采取有效措施，避免事故发生，才能确保工业安全和家庭生活安全。因此，研究可燃性气体的检测方法与研制可燃性气体报警器就成为传感器技术发展领域的一个重要课题。可燃性气体检测报警装置是能够检测环境中的可燃性气体浓度并具有报警功能的仪器。该报警装置是石油化学工业、有可燃性气体泄漏可能的生产工厂及家庭防火防爆必备的仪器。因此，研究一款新型、性能稳定、准确监测可燃性气体的报警系统具有极其重要得意义。可燃性气体通常指城市煤气、石油液化气、汽油蒸汽、酒精蒸汽、天然气以及煤矿瓦斯等。这些气体主要含有烷类、烃类、烯类、醇类、苯类以及一氧化碳和氢气等成分，易燃、易爆、贮存和使用这些气体的过程中，如违反操作规程和设备密封不好，都有可能发生可燃气体泄漏现象，进而酿成火灾或爆炸事故，给国家和人民的生命财产造成损失。可燃性气体检测报警装置是能够检测环境中的可燃性气体浓度并具有报警功能的仪器。该报警装置是石油化学工业、有可燃性气体泄漏可能的生产工厂及家庭防火防爆必备的仪器。可燃性气体报警器属于中华人民共和国强制检定的工作计量器具目录中第46项，它归类于物理化学计量器具。建筑设计防火规范(GBJ16-87)第10.3.2条明确规定:“散发可燃气体、可燃蒸汽的甲类厂房和场所，应设置可燃性气体浓度检测报警装置”。研究新型、性能稳定、准确监测可燃性气体，并合乎国家相关规定的报警器具有极其重要得意义。1.2 可燃性气体报警器的国内外现状国外从20世纪30年代开始研究及开发气体传感器，且发展迅速，一方面是因为人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高；另一方面是因为传感器市场增长受到政府安全法规的推动。据有关统计，美国1996年2002年气体传感器年均增长率为27%30%。随着传感器生产工艺水平逐步提高，传感器日益小型化、集成度不断增大，使得气体检测仪器的体积也逐渐变小，提高了气体检测仪器的便携性，更加利于生产、运输及市场推广。我国在70年代初期开始研制可燃性气体报警器，生产型号多样、品种较齐全，应用范围也由单一的炼油系统扩展到几乎所有危险作业环境的各种类型报警器，产品数量也在不断增加。但主要是在引进国外先进的传感器技术和先进的生产工艺基础上，进行研究与开发形成自己的特色。近年来，在气体选择性和产品稳定性上也有很大进步。燃气报警器可分为民用可燃气体报警器、工业用可燃性气体报警器、有毒有害气体报警器三大系列产品。(1)民用可燃气体报警器民用可燃气体报警器为居民家庭用的燃气报警器,一般安装在厨房，遇燃气泄漏时，报警器可发出声光报警，或同时伴有数字显示，同时控制外部设备。有的报警器可自动开启排风扇，把燃气排出室外；有的报警器在报警时可自动关闭燃气阀门，以防燃气继续泄漏。(2)工业用可燃性气体报警器及有毒有害气体报警器工业用可燃性气体报警器及有毒有害气体报警器只是检测探头有差异，而在原理和应用中都很相近。工业用燃气报警器及有毒气体报警器根据检测环境的不同，也可分为检漏仪、控制器、探测器。1.3 本设计主要任务本设计是一款基于CAN总线的可燃性气体报警系统。主要是单片机通过传感器检测气体浓度并将处理后的浓度值通过CAN/485转换器发送给主控制器，单片机处理数据后发送命令，控制继电器启动相关排风设备。本设计主要应用于大型化工企业，石油厂等对可燃性气体浓度要求比较严格的场所。通过对各个探测器传输来的数据进行处理汇总，实时了解各部分器件的工作状况和气体浓度，达到准确及时预警的目的。电化学气体传感器主要参数测量范围:1500ppm；灵敏度:0.080.8uA/ppm；响应时间: 30s；线性范围: -40ppm；过载:10000ppm；分辨率:0.5ppm，工作温度:-3050；工作湿度:1590RH；负载电阻:10。半导体气体传感器主要参数:取样电阻:0.120K；加热电压：(VH)50.2V；加热功率：(P)约750mW；灵敏度：甲烷R0(air)/RS (0.1%CH4)5；响应时间：Tres10秒；输出电压01V。一氧化碳浓度达到50ppm预报警，超过100ppm报警；硫化氢浓度达到0.13ppm预报警，超过1.5ppm报警；二氧化硫浓度达到3ppm预报警，超过9ppm报警；甲烷浓度浓度达到3ppm预报警，超过20ppm报警。第2章 可燃性气体检测报警系统的方案设计2.1 方案论证本系统可以采用两种方案来实现对气体浓度各个参数的检测。方案一：利用PLC来进行对气体浓度各参数的检测与控制。方案二：利用单片机来进行气体浓度各参数的检测与控制。单片机处理数据以及实时检测的能力都很强，并且数据采集的精度和速度也较高。因此选择单片机作为探测器的主体部分。2.2 系统工作原理可燃气体报警系统总体来说可分为三个部分。第一部分是探测器部分，第二部分是转换器部分，第三部分是上位机部分。探测器部分分为两个部分，一个是气体检测，主要是把可燃性气体在空气中的含量(用浓度表示)通过气体传感器变为可处理的电信号，然后通过A/D采样将信号变为数字信号，再通过单片机进行通讯、数据处理等。第二个是报警，通过单片机对采集到的信号进行处理后判断出气体的浓度值是否已经超标，若超标则及时报警。转换器起到485和CAN相互转换的作用。上位机主要起到集中显示气体浓度，报警，打印等功能。2.3 系统功能要求可燃气体报警系统国标中对产品的性能和试验方法都有一个严格的要求，这些要求中既有一般性的要求，又有对各个功能的详细要求。一般性要求中主要包括以下几个方面：(1)控制器主电源采用220V，50Hz交流电，电源线输入端要接输入端子；(2)控制器要有保护接地端子；(3)直流工作电压采用24V；(4)控制器应具有中文功能标注和信息显示。对产品的具体功能要求主要包括显示功能、报警功能、屏蔽功能、自检功能以及电源功能等几个部分，下面对每个部分的功能做一个介绍。1显示功能气体报警系统的显示主界面主要是浓度显示，因此对显示功能的要求主要是指其浓度显示，主要有以下三点要求：(1)浓度显示全量程指示偏差不应超过+5LEL；(2)分线制控制器应能实时显示每路可燃气体的浓度值，总线制控制器应能至少显示可燃气体浓度最高的探测点的浓度值；(3)控制器的报警状态不应影响控制器的浓度显示功能。控制器故障状态不应影响任何非故障回路的浓度显示功能。本设计中采用的是CJT05001BN型号智能彩色终端显示屏。2报警功能报警器应能直接或间接地接收来自可燃气体报警器及其它报警触发器件的报警信号，并能发出报警声、光信号，指示报警发生部位，记录报警时问，并予以保持，直至手动复位。除复位操作外，对控制器的任何操作均不应影响控制器接收和发出可燃气体报警信号。如果气体浓度达到报警限，单片机控制口输出占空比一定的脉冲，报警时蜂鸣器会发出报警的声音。3电源功能电源分成几部分，分别对各器件供电，设计里需要+9V,2个+5V电源。电源电路同时隔离数字地和模拟地，增强了抗干扰能力。4打印功能打印机选用UPA16PZ微型打印机，通过并口ATmegal28微控制器相连，满足打印历史报警记录、开关机记录及故障记录的要求。5转换功能转换功能是起到把RS485总线和CAN总线进行转换和传递的作用。6控制模块功能单片机对采集到的浓度信号进行检测，通过逻辑判断,使得输出模块动作,从而完成一套控制设备。2.4 气体传感器的选型可燃性气体传感器属于气敏传感器，是气电变换器，它将可燃性气体在空气中的含量(即浓度)转化成电压或者电流信号，通过A/D转换电路将模拟量转换成数字量后送到单片机，进而由单片机完成数据处理、浓度处理及报警控制等工作。传感器作为可燃性气体检测报警器的信号采集部分，是仪表的核心组成部分之一。由此可见，传感器的选型是非常重要的。2.4.1 气体传感器介绍1气体传感器的分类 气体传感器种类繁多，从检测原理上可以分为三大类： (1)利用物理化学性质的气体传感器：如半导体气体传感器、接触燃烧气体传感器等。 (2)利用物理性质的气体传感器：如热导气体传感器、光干涉气体传感器、红外传感器等。 (3)利用电化学性质的气体传感器：如电流型气体传感器、电势型气体传感等。2气体传感器应满足的基本条件一个气体传感器可以是单功能的，也可以是多功能的；可以是单一的实体，也可以是由多个不同功能传感器组成的阵列。但是，任何一个完整的气体传感器都必须具备以下条件：(1)能选择性地检测某种单一气体，而对共存的其它气体不响应或低响应；(2)对被测气体具有较高的灵敏度，能有效地检测允许范围内的气体浓度；(3)对检测信号响应速度快，重复性好；(4)长期工作稳定性好；(5)使用寿命长；(6)制造成本低，使用与维护方便。3常见气体传感器简介下面对工业上常用的几种气体传感器作简单介绍。(1)半导体气体传感器半导体气体传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的气体传感器，以及用单晶半导体器件制作的气体传感器。该传感器己成为世界上产量最大、使用最广的气体传感器之一。按照敏感机理分类，可分为电阻型和非电阻型。(2)固体电解质气体传感器固体电解质气体传感器使用固体电解质气敏材料作为气敏元件，其原理是利用气敏材料在通过气体时产生离子，测量其形成电动势从而测量气体浓度。这种传感器电导率高，灵敏度和选择性好。但这种传感器制造成本高，检测气体范围有限，在检测环境污染领域中有优势。(3)接触燃烧式传感器当易燃气体接触这种被催化物覆盖的传感器表面时会发生氧化反应而燃烧，故得名接触燃烧式传感器。接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝(也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层)，使用时将铂丝通电，保持300400的高温，此时若与可燃性气体接触，可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧，因此铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升；通过测量铂丝的电阻值变化的大小，就知道可燃性气体的浓度。(4)高分子气体传感器利用高分子气敏材料制作的气体传感器近年来得到很大的发展。高分子气敏材料在遇到特定气体时，其电阻、介电常数、材料表面声波传播速度和频率、材料重量等物理性能发生变化。高分子气体传感器具有对特定气体分子灵敏度高，选择性好，且结构简单，能在常温下使用，可以弥补其它气体传感器的不足。(5)电化学传感器电化学传感器由膜电极和电解液封装而成。气体浓度信号将电解液分解成阴阳带电离子，通过电极将信号传出。它的优点是：反映速度快、准确、稳定性好、能够定量检测，但寿命较短(大约两年)。它主要适用于毒性气体检测。目前国际上绝大部分毒气检测采用该类型传感器。(6)热传导传感器热传导传感器与接触燃烧式传感器具有类似的结构形式，但是测量原理不同。它的测量原理是：将加热后的铂电阻线圈置于目标气体中，由于向目标气体传送热量造成温度降低，引起电阻值变化，传感器即测量电阻值的变化情况。温度的变化情况是目标气体热传导率的函数，而对于一种给定的气体或汽化物，热传导率是它固有的物理特性。(7)红外传感器红外传感器通常用两束红外光进行气体测量，主光束通过测量元件内的目标气体，参考光束通过比较元件内的参考气体。在测量和比较元件中，红外射线被气体有选择地吸收了。未吸收的红外光由光电探测器测量，产生一个正比于目标气体浓度的差分信号。2.4.2 可燃性气体传感器的选定由于石油企业生产中会产生二氧化硫，一氧化碳，甲烷，硫化氢等各类气体，所以需要在检测的时候要有检测顺序。(1)二氧化硫，一氧化碳，硫化氢采用电化学传感器测量硫化氢，二氧化硫和一氧化碳。该类传感器设计的最大特点是采用了气体的扩散势垒，该势垒能限制气体流向敏感电极的流星。敏感电极能与到达电极的电化学活性仍有余裕。这一高的电化学活性保证了传感器的长寿命和很好的温度稳定性。气体扩散进入传感器就在敏感电极上发生反应，或则为氧化反应，或则为还原反应。每一反应均可用标准化学方程式的形式表示。根据目标气体在敏感电极上反应的不同，可以导出类似的方程式：硫化氢： （2-1）二氧化硫： （2-2）一氧化碳： （2-3）在对电极上发生的反应则正好与敏感电极上的反应平衡。例如敏感电极上发生氧化反应，对电极上就会与氧被还原并生成水。反之，如果敏感电极上发生还原反应，对电极上的反应则与之相反（即水被氧化）。这样这一反应的标准方程式可以写成： （2-4）这一总方程式说明供应给传感器的气体是反应的燃料，逸出的气体则是反应的产品。换言之，传感器仅仅是反应的催化剂，它的任何一部分都没有消耗。二氧化硫电化学传感器型号:ME4-SO2检测范围:020ppm最大测量测量限:200ppm灵敏度:0.80.20uA/ppm负载电阻:10响应时间:30S输出电流:0160uA图2.1 ME4-SO2传感器实物图硫化氢电化学传感器型号:ME3-H2S检测范围:0100ppm最大测量测量限:500ppm灵敏度:0.80.16uA/ppm负载电阻:10响应时间:30S输出电流0400uA图2.2 ME3-H2S传感器实物图一氧化碳电化学传感器型号:ME4-CO检测范围:0500ppm最大测量测量限:1500ppm灵敏度:0.080.02uA/ppm负载电阻:10响应时间:25S输出电流:0120uA图2.3 ME4-CO传感器实物图(2)甲烷采用半导体气体传感器检测甲烷。在检测甲烷前，加一个内装颗粒状活性炭的吸收管，以消除硫化氢对铂金丝的“中毒”的影响。由于二氧化碳的导热率仅为甲烷的二分之一，为消除其影响，应附加一个二氧化碳吸收管。一氧化碳浓度较高时，热效式的读数比实际甲烷浓度偏高，热导式的则偏低，为消除其影响，附加一个一氧化碳吸收管。半导体气体传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的气体传感器以及用单晶半导体器件制作的气体传感器。按敏感机理分类，可分为电阻型和非电阻型。半导体气敏元件也有N型和P型之分。N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小；P型阻值随气体浓度的增大而增大。当遇到CH4时，原来吸附的氧脱附，而由CH4以正离子状态吸附在二氧化锡半导体表面；氧脱附放出电子，CH4以正离子状态吸附也要放出电子，从而使二氧化锡半导体导带电子密度增加，电阻值下降。而当空气中没有CH4时，二氧化锡半导体又会自动恢复氧的负离子吸附，使电阻值升高到初始状态。这就是2M007型可燃性气体传感器检测CH4的基本原理。本设计选用由北京铭东科贸公司开发生产的2M007型可燃性气体传感器，这种型号的传感器不但具备一般半导体气体传感器灵敏度高、响应快、抗干扰能力强、寿命长等优点。2M007型传感器的特性参数(a)回路电压: (Vc) 524V(b)取样电阻: (RL) 0.120K(c)加热电压: (VH)50.2V(d)加热功率: (P)约750mW(e)灵 敏 度:甲烷R0(air)/RS (0.1%CH4)5(f)响应时间:Tres10秒(g)输出电压:01V图2.4 2M007型传感器实物图2.5 探测器设计由于单片机本身资源有限，在一些复杂过程或功能较多的控制中就难以满足要求，需要将单片机的数据送到上一级的微机进行处理。因此实现上位机与下位传感器放大电路A/D转换单片机状态指示灯声音报警通信串口电源电路时钟芯片图2.5 探测器硬件结构图机之间的数据可靠通信可以通过串行口通信来实现。在数据传输量不大的情况下，按照RS-485标准进行串行通信可以应用于本报警系统。2.6 系统总体设计报警系统从结构上可分为主控制器、CAN/485转换器、探测器和控制模块三大部分。结构框图如图2.6所示。主控制器CAN/485转换器CAN/485转换器CAN/485转换器CAN/485转换器CAN CAN 探测器探测器控制模块控制模块被探测现场被探测现场风扇或管道阀门风扇或管道阀门485BUS485BUS图2.6 系统结构框图2.7 CAN的通信模型参照ISO/OSI标准模型，CAN分为数据链路层和物理层。2.7.1 数据链路层按照IEEE802.2和802.3标准，数据链路层又划分为逻辑链路控制子层LLC(Logic Link Control)和介质访问控制子层MAC(Medium Access Control)，在CAN技术规范中，LCC子层和MAC子层的服务和功能被描述为“目标层”和“传送层”。(1)LLC逻辑链路控制子层LLC子层的主要功能是：为数据传送和远程数据请求提供服务，确认由LLC子层接收的报文中哪些报文实际上被验收，并为恢复管理和通知超载提供信息。1)帧接收滤波：在LLC子层上开始的帧跃变是独立的，其自身操作与先前的帧跃变无关。帧内容由标识符命名。标识符并不能指明帧的目的地，但描述数据的含义，每个接收器通过帧滤波确定此帧与其是否有关。2)超载通告：如果接收器内部条件要求延迟下一个LLC数据帧或LLC远程帧，则通过LLC子层开始发送超载帧，最多可产生两个超载帧，以延迟下一个数据帧或远程帧。3)恢复管理：发送期间，对于丢失仲裁或被错误干扰的帧，LLC子层具有自动重发送功能，在发送成功完成前，帧发送服务不被用户认可。(2)MAC媒体访问控制层MAC是CAN协议的核心。它把接收到的报文提供给LLC子层，并接收来自LLC子层的报文。MAC子层负责报文分帧、仲裁、应答、错误检测和标定。MAC子层功能由IEEE802.3中规定的功能模型描述，在此模型中将MAC子层划分为完全独立工作的两个部分，即发送部分和接收部分。1)发送部分功能包括：发送数据封装、发送媒体访问管理。2)接收部分功能包括：接收媒体访问管理、接收数据卸装。2.7.2 物理层按照IEEE802.3LAN标准规范，物理层又划分为：(1)物理介质附件PMA(Physical Medium Attachment)实现总线发送接收的功能电路并可提供总线故障监测方法。(2)介质依靠接口 MDI(Medium Dependent Interface)实现物理介质与介质访问单元之间机械和电气接口。(3)物理信令PLS(Physical Signaling)实现与位表示、定时和同步相关的功能。第3章 可燃性气体报警系统的硬件设计3.1 探测器和控制模块单片机是可燃性气体检测报警器的核心部件，一方面它要接收来自传感器的可燃性气体浓度的模拟信号和故障检测信号，另一方面要对两种信号分别进行处理，控制后续电路的相应工作；在单片机实现的功能中，将模数转换后的信号做数字滤波，再进行线性化处理，然后通过485传输数据，这一过程的软件实现，需要单片机有较快的运算速度，使仪表监测人员能够观测到实时的可燃性气体浓度，并进行相应处理。同时，在能够满足报警器设计的计算速度及接口数的要求的同类型单片机中，要考虑选择价格低廉且体积轻巧的机型，在保证了报警器的精确性、可靠性及抗干扰性的基础上，能够不提高成本，缩小体积。3.1.1 单片机的选择如今市面上比较普遍的单片机有8051系列与PIC系列。8051单片机虽然应用普遍，工具多，易上手，片源广，价格低，但是速度慢，功耗大，适合民用，商用，不适合工业用途。PIC单片机是MICROCHIP 公司的产品，其突出的特点是功耗低，精简指令集，抗干扰性好，可靠性高，但是存在溢出隐患问题。8051系列采用的是堆栈指针，PIC采用硬件堆栈8级。当堆栈指针设定合理，局部变量少的情况下，8051系列用10层的程序嵌套不会出现问题。而PIC单片机程序嵌套包括中断最多不能超过8层。所以如果用C语言进行PIC编程设计容易堆栈溢出。汇编语言对于不同的CPU，其汇编语言可能有所差异，所以不易移植。而C语言是一种结构化的高级语言，虽然占用资源较汇编多，但是可读性好，移植容易，是普遍使用的一种计算机语言。鉴于C语言的易读性和普遍性，本论文的软件设计选择C语言编程，所以PIC系列单片机在此处不是非常适合。为适用于本论文设计的可燃性气体检测报警器，应选择一种比8051系列速度快，功耗低，抗干扰性好，而又避免C语言编程溢出问题的单片机。新推出的STC12系列单片机具有高速、低功耗、超强抗干扰等优点，是的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，速度却比8051单片机快812倍。而且STC12系列下属的STC12C54xxAD系列单片机是低功耗Flash单片机，它的高效寻址方式、大容量Flash、EEPROM、A/D转换、硬件乘法器、硬件脉宽调制(PWM)等功能特点，较好的实现了强大的功能与超低功耗的结合。而且在功能同样的情况下，管脚较少封装体积小，价格比其他型号便宜，因此具有很好的性价比和应用适应性。3.1.2 信号采集及前置放大电路传感器输出信号一般比较微弱，需要经过前置电路对其进行放大、滤波、电平调整，满足单片机对输入信号的要求。本系统采用的半导体气体传感器属于电阻型，因此只需串联一个参考电阻，再经过一个放大电路即可发送给ADC采集。由于系统采用的是单极性供电，所以采用同相比例放大电路，可以减少硬件开销；反之，如果采用反相放大，则一般需要利用双极性供电，这就需要系统额外的利用变压芯片产生一个负压，这显然会造成浪费。常见的运算放大器中，LM324价格低廉、使用简单等优点比较突出，所以本设计中的前置放大电路采用LM324作为电路的运算放大器。LM324是单片高增益四运算放大器，可在较宽电压范围内的单电源或双电源下工作，其电源电流很小且与电源电压无关，四个运放一致性好；其输入偏流电阻是温度补偿的，也不需外接频率补偿，可做到输出电平与数字电路兼容。半导体传感器信号放大：如图3. 1所示，从传感器的上端出来的信号Vi经过运算放大器的同相输入端，但是为保证引入的是负反馈，输出电压Vo通过电阻R4接到反相输入端，同时，反相输入端通过电阻R3接到参考电压Vref 。同相比例运算电路中反馈的组态为电压串联负反馈，同样可以利用理想运放工作在线性区时的两个特点来分析其电压放大倍数。在图3.1中，根据运放的“虚短”和“虚断”的特点可知，=0,所以 =+ （3-1）而且 = （3-2）可以求出 = （3-3）所以本放大电路的放大倍数，此放大电路为同相比例放大电路，它的放大倍数总是大于或等于1。图中选=10K,=40K，于是，=5，已知2M007的输出信号为01V，经过运放，变为了05V的标准电压信号。同相比例运算电路有以下几个特点：(1)同相比例运算放大电路是一个深度的电压串联负反馈电路。因为不存在“虚地”现象，所以其输入端有较高的共模输入电压。(2)电压放大倍数，即输出电压与输入电压的幅值成正比，且相位相同，所以此电路实现了同相比例放大。如果不接R3和R4，则此电路就成了“电压跟随器”，它可以减少电路模块间由于阻抗引起的干扰。(3)由于引入了深度电压串联负反馈，因此电路的输入阻抗很高，输出阻抗很低。高输入阻抗就可以减少放大电路对前端电路的影响，同时低输出阻抗也可以提高自身的抗干扰性，这显然有利于电路中其他模块的设计。此放大电路还加了参考电压，引入了零点调节功能，这样可以更方便的调整由于不同传感器导致的零点变化问题。它利用滑动变阻器产生一个参考电压Vref，再利用电压跟随器把电压输入到运算放大电路的电压参考端。所以调节滑动变阻器，就可以直接改变放大电路的参考电压。而电压跟随器的作用就如上面介绍的，它只是用来匹配阻抗用的，防止R3和R4对滑动变阻器输出电压的影响。 图3.1 2M007前置放大电路电化学传感器：如图3.2电化学传感器的原理图，电化学传感器有3个，测量原理相同，选取为示例检测气体。运放A1的放大倍数为A （3-4）若R11100k，R12150k，则A2.5；若R95k对于00.4mA的电流输入信号，将在R9上产生02V的电压信号，由A2.5可知，00.4mA的输入电流对应05V的输出电压信号。图3.2 电化学传感器前置放大电路3.1.3 声光报警电路声光报警电路图如图3.3所示。报警装置采用无源压电式KM3712x型蜂鸣器，较一般的蜂鸣器体积大，声音响亮。报警灯选XP-12LED报警灯。当单片机P2.1置1时，闪光灯先闪烁。然后单片机STC12C5410AD 的17脚(P2.7)置1时，三极管Q1导通，蜂鸣器报警，达到预报警的目的。本报警器采用单片机STC12C5410AD的PWM功能，如果气体浓度达到报警限，单片机控制P2.7(PWM)口输出占空比一定的脉冲，报警时蜂鸣器会发出如警车警笛的声音。 图3.3 声音报警电路3.1.4 报警器故障自诊断电路2M007的内阻在0.120K之间，根据分压原理，正常工作时，P1.1检测到的电压应该在0.4554.76V之间。(1)判断传感器电源连接情况在传感器的地端串联一个电阻R6。当传感器正常连接时，电阻和传感器分压，此时电阻两端有微弱的电压，单片机可以通过P1.1(AD)口检测到；如果传感器电源连接不正常，则会产生断路，检测到电阻两端电压为0。 图3.4 传感器电源自诊断电路(2)判断传感器信号端连接情况另一种情况是判断传感器信号端是否连接正确，此时不需要外加电路，在传感器预热2分钟后，测量传感器信号的输出电压，如果电压为5V，则说明传感器的信号端连接不正常。3.1.5 控制模块控制模块主要由继电器和通讯电路两部分组成，它有两个作用，一是根据主控制器发送的指令来控制继电器的吸合或断开。二是将继电器的开关状态发送给主控制器。QA0是手动刀闸，当长期不用时，拉起刀闸。 图3.5 控制模块3.2 CAN/485转换器该气体报警系统与其它报警系统的不同之处就在于它的通讯方式，它灵活的将CAN总线和485总线结合在一起，不仅满足了大型系统的要求，而且在稳定性和速度上都大大强于以往单一的总线方式。CAN总线最早由德国的VOSCH公司提出的，全称为控制器局域网，主要应用在汽车内部的复杂硬信号接线。现在CAN总线以其独特的设计，低成本、高可靠性、实时性、抗干扰能力强等特点应用到了工业中的各个方面。CAN/485转换器选用了AVR的ATmegal6单片机作为控制器，其具有16K字节的系统内可编程Flash，擦写寿命可达10,000次，512字节的EEPROM，擦写寿命为100，000次，1K字节的片内SRAM，可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密。3.2.1 RS485接口电路计算机与工业现场终端之间的数据传输可以采用串行通讯和并行通信两种方式，由于串行通信方式具有线路少、成本低等特点，特别是在远程通信时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛应用。在串行通信时，要求通信双方都采用一个标准接口，使不同设备可以方便的连接起来进行通讯。RS232和RS485都是串行数据接口标准，最初都是由电子工业协会制定并发布的，RS232作为工业标准，可以保证不同厂家产品之间的兼容。RS485由RS232发展而来，它是为了弥补RS232的不足而提出来的。为改进RS232通信距离短、速率低的缺点，并增加了多点、双向通信能力。RS232与RS485标准只对接口的电气特性作出规定，而不涉及接插件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。因为RS485是差分方式收发数据，所以需要更高的抗干扰能力。RS485接口的电平转换芯片MAX485E的RO、DI引脚通过光电隔离6N137连接到主控制器的UART串El的RXD、TXD引脚，接收发送控制信号由主控制器的PA7引脚连接DERE引脚来完成。当PA7引脚为高电平，则MAX485芯片的DE/RE引脚为“1”，发送器有效，接收器禁止，此时主控制器可以向RS485总线发送数据：当P25引脚为低电平，则MAX485芯片的DE/RE引脚为“0”，发送器禁止，接收器有效，此时主控制器可以接收来时RS485总线的数据，在任一时刻，MAX485芯片中的“接收器和“发送器只能有1个处于工作状态。RS485接口电路图如下： 图 3.6 RS485接口电路为增强系统的可靠性，采用6N137进行隔离；同时电路中加入磁珠和防雷管，可有效地实现雷击和浪涌保护。3.2.2 CAN总线控制器在网络的层次结构中，数据链路层和物理层是保证通信质量至关重要、不可缺少的部分，也是网络协议中最复杂的部分。CAN控制器就是扮演这个角色。目前，一些知名的半导体厂家都生产CAN控制芯片。其类型一种是和微处理器做在一起的，一种是独立的。前者在特定情况下，可以使电路设计简化，而后者在使用上比较灵活，可以与多种类型的单片机、微型计算机的各类标准总线进行接口组合，本课题中的CAN总线的控制器采用Philips半导体公司生产的独立CAN控制器SJAl000。SJAl000可以在Basic CAN模式或PeliCAN模式下工作，它是通过时钟分频寄存器中的CAN模式位来选择的，复位时默认是Basic CAN模式。在Basic CAN模式下只可以发送和接收标准帧结构的信息，在这种情况下，当检测到CAN总线上有扩展结构的信息时，如果信息正确，也会被允许且给出一个确认信号，但没有接收中断信号产生。在PeliCAN模式下，标准格式和扩展格式的信息都可以被发送和接收。 图3.7 SJA1000电路图 控制器SJAl000作为CAN接口电路中的控制部分与主控制器相连接，引脚AD0-AD7是和Atmage16的输出输入引脚PB0PB7相接；SJAl000的片选信号脚CS由Atmage16的PD3口控制，SJAl000为低电平片选，PD3为0时Atmage16片外存储器地址可选中SJAl000，它通过这些地址可对SJAl000执行相应的读写操作。而对于控制器的收发引脚TX0，TXl与RX0，RXl在本系统中TX0、RX0可和收发器P82C250的TXD、RXD接通。SJAl000中的中断输出信号INT连接到Atmage16的INT0端通过中断方式与单片机通信。通过SJAl000的MODE引脚可选择接口模式Intel模式MODE高；Motorola模式MODE低。本设计中，正是使用Intel模式。SJAl000的VDD1VDD3电源输入脚，外接上驱动+5V电压；而VSS1VSS3输出接地。设计中对SJAl000提供12MHz晶振，Atmage16和SJAl000都有各自独立的晶振电路。有一些资料中指出，可以用SJAl000的时钟输出信号CLKOUT来驱动单片机，作为单片机的时钟信号。但这样处理实际发现并不可靠，有时SJAl000有CLKOUT信号输出，但并不能驱动单片机工作。接口电路如图3.7所示。 3.2.3 CAN收发器Philips半导体公司生产的P82C250是一种通用的CAN收发器，是CAN协议控制器和物理总线之间的接口，它主要是为汽车中高速通讯应用而设计。此器件对总线提供差动发送能力，对CAN控制器提供差动接收能力。P82C250有三种工作模式，由引脚8(Rs)来选定，包括：高速模式、斜率控制模式和待机模式。高速工作模式：它支持最大的位速率或最长的总线长度。这种模式的总线输出信号用尽可能快的速度切换，因此一般使用屏蔽的总线电缆来阻止可能的扰动。将Rs脚直接连接地电平就可以进入高速模式。斜率控制模式：当使用非屏蔽的总线电缆时可以考虑使用这种模式。这种模式的输出转换速度可以被故意降低，以减少电磁辐射。当在Rs引脚和地电平之间应用一个适当的电阻时收发器被设置成斜率控制模式。待机模式：这种模式在电池供电、要求系统功耗很低时非常有用。当在Rs脚上加一个逻辑高电平则进入待机模式。在待机模式中传输一个报文可以将系统激活，从而使收发器回到高速或斜率控制模式。本设计中选择斜率控制模式。P82C250的电路设计如图3.8所示。图3.8 P82C250接口电路为了增强CAN总线节点的抗干扰能力，P82C250的CAN收发器的TXD和RXD并不是直接与CAN控制器SJAl000的TX和RX相连，而是通过高速光耦6N137后与P82C250相连，这样可以很好地实现了总线的电气隔离。6N137的最高速度可达10MBd，最低隔离度为2500Vrms，完全可以胜任CAN总线接口通信的速度要求，减小工业现场的干扰源对于协议转换器的电磁干扰，提高系统的稳定性。P82C250的TXD和RXD接到6N137的输出脚OUT和输入脚IN；不过，应该特别说明的一点是光耦部分电路所采用的两个电源VCC和VDD必须完全隔离，否则采用光耦也就失去了意义。脚Rs作为斜率控制电阻输入端，电阻的大小可以根据总线通信速度适当调整一般在16140K之间，本设计中Rs阻值为120K，在通过接一个120K电阻分流之后可以接地。3.3 主控器主控制器包括显示、报警、存储和控制等一些主要功能，CAN/485转换器主要实现CAN数据格式与RS485数据格式的转换，起到上传下达的作用。探测器主要是检测气体浓度并将处理后的浓度值通过CAN/485转换器发送给主控