家用煤气报警器毕业设计.doc

摘 要 摘 要 当今社会上，出现了许多煤气报警器，而这些产品大都是针对煤气的泄漏所做出 的相应的报警，即为家庭式。但是随着社会的发展，煤气报警器也在发展。 微机控制技术、传感器在工业控制、机电一体化、智能仪表、通信、家用电器等方 面得到了广泛应用，显著提高了各种设备的技术水平和自动化程度。因此对这些原理 和结构我们就需要很好的了解并掌握。 煤气报警系统采用了 rcm5700 为系统的 cpu，通过单片机系统设计实现对家用煤气 的控制功能，由 ng-co-001 电化学一氧化碳气体传感器对煤气进行检测，将所得的浓 度值与设定浓度值相比较得到偏差。通过对偏差信号的处理获得控制信号，去调节煤 气出气阀的通断，四个单元的煤气浓度对应模拟量利用 a/d 转换为数字量，并加入了 键盘输入，从而实现对家用煤气漏气的控制。整个系统的硬件电路设计合理，性能安 全可靠。 关键词关键词： 电位器采样；报警临界值；煤气浓度 abstract abstract in the current society, a lot of coal gas alarms have appeared, and these products are mostly to letting out corresponding alarms made of coal gas , it is family. but with the development of society, coal gas alarm develop too.microcomputer control technology, sensors in the industrial control, mechatronics, smart instrumentation, communications, household appliances, etc. has been widely applied, significantly improved the technological level of equipment and degree of automation. thus the structure of these principles and we need to understand and grasp the good. coal gas warning system adopt rcm5700 computer cpu of system,design a realization through a single slice of machine system to the control function of household-use coal gas. the ng-co-001 electricity chemistry carbon monoxide air spreads a feeling machine to carry on an examination to the coal gas and compares density value and enactment density value gaining to get deviation,the processing that passes to the deviation signal acquires control signal and regulate coal gas to give vent to anger the of valve break.four coal gas density corresponding analog quantity of unit utilize a/d person who changes figure into, and has joined key in,carry out the control that leaks air to the household-use coal gas thus.the hardware circuit of the whole system is reasonable in design, performance is safe and reliable. keywords: potentiometers sampling; alarm threshold; gas concentration 目录 目目 录录 摘 要.i abstract.ii 1 绪论1 1.1 课题研究的背景.1 1.2 课题研究的目的.1 1.3 系统设计基本内容.2 2 系统设计技术基础.3 2.1 系统实现方案与选择3 2.1.1 基于单片机的实现方案.3 2.1.2 基于 mini core的实现方案.3 2.1.3 方案选择4 2.2 mini core芯片选择.5 2.2.1 rcm5700 的简介.5 2.2.2 rcm5700 的优点6 2.2.3 rcm5700 硬件组成6 2.2.4 rcm5700 模块接口定义.7 2.3 传感器的选择13 2.3.1 一氧化碳传感器的选择.14 2.3.2 氢气传感器的选择.16 2.3.3 烷类传感器的选择.17 2.4 仪表放大器的选择.18 2.5 a/d 转换器选择.20 3 基于 rcm5700 的系统电路设计.21 3.1 系统硬件电路总体设计.21 3.2 系统硬件电路22 3.3 信号采集放大电路的设计23 3.4 运放电路及 a/d 转换电路25 3.5 rcm5700 内置看门狗的利用.27 3.6 主控制器与显示屏的接口设计.27 目录 3.7 通信接口电路设计.28 3.8 电源转换电路设计.29 4 系统电路调试30 4.1 模块的连通性调试.30 4.2 系统各硬件的检测及控制性调试30 4.3 系统主控硬件的通信性能调试.31 4.4 系统软硬件综合性能测试31 4.5 系统误差分析31 5 总结33 参考文献34 致 谢35 附录.36 河北工程大学毕业设计说明书 - 1 - 1 绪论 1.1 课题研究的背景 随着我国燃气的变革及西气东输工程的进行，煤气或天燃气已成为多数家庭的燃 料。每年，因煤气泄露造成的煤气中毒事故中，因使用热水器不当或产品本身的质量 问题，造成的煤气中毒事故，全国均有不少事例。有甚者，因室内煤气浓度过高，引 起煤气爆炸的事故也不少见。 家用煤气有时会因各种原因发生泄漏，煤气的主要成分是甲烷，甲烷是一种可燃 性气体，遇到明火会发生燃烧甚至爆炸，所以如果在煤气泄漏时打电话，使用家用电 器的话，煤气遇到电火花可能会发生爆炸事故。人呆在煤气泄漏的空间内，甲烷的不 完全燃烧可能会生成一氧化碳，人体吸入有毒气体一氧化碳后，一氧化碳将会迅速与 血液中的红细胞结合导致人体中毒昏迷，如果长时间吸入泄露的煤气甚至会发生中毒 死亡。一氧化碳中毒属内科急症，如不及时发现及治疗，将会危及生命。近年来，我 国部分地区非职业性一氧化碳中毒事件时有发生。特别是冬春季高发，据不完全统计， 我国 2006 年因非职业性一氧化碳中毒，造成至少 3850 人中毒，142 人死亡。2007 年 3-5 月份，南汇区发生了 2 起非职业性一氧化碳中毒事件。 1.2 课题研究的目的 人们面对燃气泄漏而造成的种种事故威胁，就真的没有一个彻底的解决办法吗？ 据有关专家介绍，使用燃气报警器是对付燃气无形杀手的重要手段之一。燃气专家指 出，燃气泄漏或废气排放而大量产生的一氧化碳是燃气中毒事响应的根源，如采有用 燃气泄漏报警器就能得到及时的警示。有关部门经长期测试同样得出结论，燃气报警 器防止一氧化碳中毒事故发生的有效率达 95%以上。 计算机的普及和信息技术的迅猛发展，人们己不满足于传统的居住环境，对家庭 及住宅小区提出了更高的要求，智能化被引入家庭，并迅速在世界各地发展起来。人 们对居住环境要求的日见增高，体现在希望住宅不仅更便利、舒适而且更安全。 单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，煤气泄漏则是人们日常生活中常常 需要测量和控制的一个问题。单片机有利于为现代人工作、科研、生活、提供更好的 更方便的设施。为了防止中毒事件再次发生，提出利用单片机系统进行有效的预防对 策。所以怎样防止煤气中毒与爆炸已成为人们的迫切需要。为此我们开发研制了智能 河北工程大学毕业设计说明书 - 2 - 煤气报警系统。 1.3 系统设计基本内容 针对经常发生的煤气泄漏中毒事件，采用煤气、甲烷、乙烷及一氧化碳等气体传 感器、单片机、电磁阀和电铃，设计一套有毒气体检测、报警电路，显示室内空气质 量（分优、良、中、好、差五级） ，用单片机模块分路控制继电器、发光二极管和电铃。 报警系统由硬件和软件两大部分组成。其中硬件部分由各报警感应器、感应器控 制器、主控器等设备组成。软件部分主要是报警系统控制程序。气敏传感器用来检测 空气中煤气的浓度，当空气中煤气含量超过允许标准浓度后，感应器所获得的感应信 号均被感应器控制器所接收，再由感应器控制器对各感应信号进行相应识别和处理， 并将处理后的感应信号通过串口送至主控器，由主控器对其采取相应的警报动作。报 警信号加至报警声响电路的控制端后，报警声响电路被触发，发出报警声，同时关闭 总气阀。 本课题在硬件设计方面主要研究组成家用煤气泄漏报警控制系统的单片机芯片、 气体传感器总线的使用方法，同时研究电路设计思路、电路组成，包括控制芯片、气 体传感器、单片机、显示电路等的选用和设计，最后给出结构框图、电路原理图。 系统软件设计方面的分析设计包括主机和从机程序设计分析等。 河北工程大学毕业设计说明书 - 3 - 2 系统设计技术基础 微处理器的出现极大地促进了生产力的发展，提高了人们生活的质量，实现了工 业的现代化和自动化。internet 技术的飞速发展，使得基于分组交换技术的通信性能、 通信质量和可靠性得到稳步提高。基于 8 位和 16 位单片机的嵌入式设备(如仪器仪表、 数据采集和显示、过程控制、工业自动化等)的实时应用、测控系统正在走向网络智能 化。这就要求企业从现场控制层到管理层能实现全方位的无缝信息集成，实现远程维 护、智能诊断以及远程管理功能，提供一个开放的基础构架，并具有高可靠性、分散 控制、集中监视和管理的功能。 2.1 系统实现方案与选择 针对目前主要处理芯片的不同，本文提出了 2 种实现方案，分别为基于 8051 单片 机实现方案以及基于 rabbit rcm5700 实现方案。并最终选择了一种方案进行系统实现。 2.1.1 基于单片机的实现方案 基于 8051 单片机实现的煤气报警器的具体方案如图 2.1 所示。该方案主要包括了 可燃气体传感器、a/d 转换器、键盘控制电路、8051 单片机电路、晶振、蜂鸣器以及 led 显示电路1。 可燃气体传感器输出为模拟量，需要利用 a/d 转换器将模拟量转换成数字量送给 8051 单片机；晶振和键盘控制作为 8051 单片机的外围输入电路，蜂鸣器作为报警用的 8051 单片机的外围输出电路；显示电路采用了 led 显示，由 8051 单片机控制实现显示。 河北工程大学毕业设计说明书 - 4 - 图 2-1 基于 8051 单片机的实现 2.1.2 基于 mini core 的实现方案 基于 mini core 实现的煤气报警器的具体方案如图 2-2 所示。该方案主要包括了 可燃气体传感器、a/d 转换器、键盘控制电路、rabbit rcm5700 模块电路、晶振、蜂 鸣器以及 led 显示电路。 可燃气体传感器输出为模拟量，需要利用 a/d 转换器将模拟量转换成数字量送给 rabbit rcm5700 模块电路；晶振和键盘控制作为 rabbit rcm5700 模块电路的外围输入 电路，蜂鸣器作为报警用的 rabbit rcm5700 模块电路的外围输出电路；显示电路采用 了 led 显示，由 rabbit rcm5700 模块电路控制实现显示。 图 2-2 基于 mini core 的实现 2.1.3 方案选择 方案 1 中采用的是 8051 单片机实现煤气报警器，该方案具有结构化设计简单，器 件成本较低的特点，是一种较为广泛采用的实现方案。 方案 2 中采用的是 rabbit rcm5700 模块实现煤气报警器，该方案基于 rabbit rcm5700 模块进行开发设计，rabbit minicore 模块用于加速嵌入式系统的开发和实施。 编程开发采用我们经过业界广为验证的 dynamic c 开发系统, 一个包括编辑器、链接 器、装载器和编译器在内的 c 语言集成开发环境。从你的计算机通过 usb 端口或串口 下载程序，立即在目标硬件上进行调试无需在线仿真器。这种开发环境减少了工 作量，加速了软硬件集成。rabbit 提供了广泛的驱动函数库和例程、免费的 tcp/ip 及其源代码。 rabbit minicore 系列产品采用超小型 mini pci express 接口，具有可互相兼容 的以太网与 wi-fi 无线网两个版本，除了拥有 mini 的外型，使得产品的设计更加容易 之外，它还配置了 32 个通用输入/输出端口、6 个串行端口和一台 rabbit 5000 微处理 器。这些特点使其成为超小型产品中最具成本效益的网络连接解决方案，既可用于网 络连接也可用于控制。由于该模块具有设计灵活，外围扩展功能强大的特点，可以构 河北工程大学毕业设计说明书 - 5 - 成当今体积最紧凑、成本最低的嵌入式解决方案，可以为系统方便可靠增加网络连接。 针对其应用扩展，本设计选择了方案 2，基于 rabbit rcm5700 模块实现煤气报警 器的方案。 既基于 mini core 实现的家用煤气报警系统，利用可燃气体传感器检测某一环境 中可燃气体含量的指标，对于可燃气体的检测，由于可燃气体传感器输出量为模拟量， 需要将其进行 a/d 转换后送给 rabbit rcm5700 模块，当其含量超过设定值时，由主芯 片 rabbit rcm5700 模块控制蜂鸣器进行报警。 2.2 mini core 芯片选择 2.2.1 rcm5700 的简介 mini core rcm5700 是 rabbit 半导体公司在 2008 年 9 月 30 日推出的一款尺寸紧 凑的经济型核心模块，设计人员可以将其用于小尺寸、低价格、可实现控制或采集且 支持网络功能的系统中去，是高性能低成本的嵌入式解决方案。典型应用在远程数据 记录和上传、储罐监控、自动抄表系统、远程能源管理等领域。 mini core 芯片选择了 rabbit rcm5700 模块。rabbit 充分结合了易于使用和最大 限度的降低产品成本提供可以构成当今体积最紧凑、成本最低的嵌入式解决方案。 mini core 系列也是 rabbit 产品中体积最近凑和成本最低的嵌入式解决方案，设计人 员可以为他们设计的系统方便可靠增加网络连接12。 rabbit semiconductor 公司专注于此，推出的产品在行业内被广泛应用，十几年 来，以其产品质量的高稳定性、容易开发、资源丰富、支持联网等优点获得业界的高 度认可，譬如 rcm3200、lp3500 在工控和水利、电力领域已经成为行业内的经典应用。 这里要介绍的是 rabbit 公司新推出的一款全新产品 minicore rcm5700 核心模块，它 价格低廉、尺寸小、开发容易、支持网络控制。 新的 mini core rcm5700 模块在体积极其紧凑的 mini pci express 板型结构内集 成了丰富的嵌入式功能，并且成本极低。另外的一个好处是，minicore rcm5700 为任 何嵌入式解决方案提供可极小的结构尺寸。rcm5700 可以在任何客户定制开发的母板上 增加新的网络连接。 rcm5700 具备 rabbit 5000 微处理器，工作主频可 达 50.0 mhz, flash memory，两个时钟(主晶振和时间 晶振)和为 rabbit 5000 内置实时时钟/片内 sram 提供 后备电池所需的重启/管理电路。52-pin mini pci 河北工程大学毕业设计说明书 - 6 - express 插槽式的板边连接器引出了 rcm5700 的 i/o 总线，并行端口和串口到 rcm5700 固定的母板上。 通过客户定制开发的母板，rcm5700 接收+3.3 v 供电并和其它数字设备实现所有 cmos 兼容的接口。 主要特点： (1) 微处理器为 rabbit5000(内含 128 kb 的 sdram)，主频为 50mhz； (2) 程序存储器为 1 mb 闪存； (3) 32 个 gpio(可配置)； (4) 6 个(可配置)cmos 兼容的串 el； (5) 带实时时钟(电池供电)； (6) 10 个 8 位定时器，10 位和 l6 位定时器各 1 个； (7) 有两路触发输入和两路正交解码输入； (8) 带有看门狗； (9) 支持 10100baset 以太网功能； (10) 接口为 mini pci express 接口。 rabbit core mini core 模块用于加速嵌入式系统的开发和实施。编程开发采用我 们经过业界广为验证的 dynamic c 开发系统，一个包括编辑器、链接器、装载器和编 译器在内的 c 语言集成开发环境。 从计算机通过 usb 端口或串口下载程序，立即在目标硬件上进行调试 ，无需在线 仿真器。这种开发环境减少了工作量，加速了软硬件集成。rabbit 提供了广泛的驱动 函数库和例程、免费的 tcp/ip 及其源代码。 有两种类型的开发包供用户进行开发和测试软件。标准开发包包括你设计基于该 微处理器系统所需要的基本组件和完整的 dynamic c 软件开发系统。rcm5700 开发包 还包括你评测 rcm5700 所需要的开发板。digital i/o 和串口板可以立即运行 dynamic c 中的例程从而快速演示 rcm5700 的产品特点。你可以立即为 rcm5700 模块编写和测试 包括以太网和 tcp/ip 应用在内的软件。 2.2.2 rcm5700 的优点 1）使用完整设计和生产的，具有“运行就绪/ 编程就绪”的微处理器模块，能使 您快速完成产品开发并投入市场。 2）比购买和组装单独组件更具竞争力的价格。 3）简单的 c 语言程序开发和调试。用于下载经编译的 dynamic c.bin 文件的 rabbit field utility。 4）能容纳数万行代码大型程序并存储丰富数据的大容量存储器。 图 2-3 rcm5700 河北工程大学毕业设计说明书 - 7 - 5）参考设计使集成的以太网能利用无需特许权的 tcp/ip 软件实现网络连接。 2.2.3 rcm5700 硬件组成 rcm5700 标准开发包包含了您使用 rcm5700 模块所必须的必备硬件。下述物品在 开发包的标准版本中提供。 rcm5700 模块。 配有支架/ 接头的接口板。 配有支架/ 接头的应用电路开发板。 能通过接口板对 rcm5700 进行编程的 usb 线。 2.2.4 rcm5700 模块接口定义 接口板设计原理图 河北工程大学毕业设计说明书 - 8 - 图 2-4 接口板设计原理图 河北工程大学毕业设计说明书 - 9 - 图 2-5 接口板设计原理图 河北工程大学毕业设计说明书 - 10 - rcm5700 模块接口包括了 52 个接口，各个接口定义如图 2-6 所示。 图2-6 rcm5700模块接口定义 根据 rcm5700 模块接口定义可知，52 个接口可以划分为几个主要部分：端口 port a、port b、port c、port d、port e、serial port a、ram、misc. i/o 等，具体如 图 2-7 所示。 图2-7 rcm5700模块端口说明 河北工程大学毕业设计说明书 - 11 - rcm5700 模块管脚功能及说明详见表。 表 2-1-1 引脚功能说明表 河北工程大学毕业设计说明书 - 12 - 表2-1-2 引脚功能说明表 河北工程大学毕业设计说明书 - 13 - 表2-1-3 引脚功能说明表 2.3 传感器的选择 对于煤气报警器的实现，感应器的选择也相当的重要，是系统重要的组成部分之 一，其性能对于系统的精确度和实现范围有这相当大的影响，也是体现煤气监控发展 现状的标志。 河北工程大学毕业设计说明书 - 14 - 2.3.1 一氧化碳传感器的选择 市面上的煤气感应器多种多样，特性价格也各有不同。根据实际应用和成本性价 比，本设计一氧化碳气体传感器选择了 ng-co-001 型电化学一氧化碳气体传感器，其 详情如下4： ng-co-001 型电化学一氧化碳气体传感器属工业级别产品，通过成 熟的电极制备处理技术及传感器结构设计，使其具有长寿命、高灵敏 度、液体密闭性良好等技术特点。传感器与外部电路连接部位通过接 插元件完成，利于传感器与电子线路的兼容与互换。产品组装工艺简 化，有利的降低了产品成本。 用途：工厂一氧化碳浓度检测仪器；气体计量器具；空气质量监测器；气体变送 器；便携式仪器配套元件等等。 （1）ng-co-001 电化学一氧化碳气体传感器基本原理 电化学气体传感器由工作电极、参比电极、对电极构成，根据外部恒电位电路， 传感器工作电极保持一个稳定的工作电位，一氧化碳气体传感器基本工作原理如下面 公式所示： ucture 工作电极：co+h2o=co2+2h+2e- 对电极： o2+4h+4e-=2h2o 总反应： 2co+o2=2co2 这样电化学气体传感器根据电化学反应电子转移，从而定性并定量的检测出被测 气体。参比电极主要作用是保持工作电极维持电化学反应的稳定工作电压，工作电极 与对电极之间因电化学反应形成的电流与被测气体浓度成线性关系。此传感器属于三 电极方式，具有检出信号稳定和线性关系良好等优越性，在一般工业得到较为广泛的 应用。 图 2-9 电化学传感器原理图 图 2-8 河北工程大学毕业设计说明书 - 15 - （2）传感器基本结构： 气体传感器由工作电极、对电极、参比电极、电解质、液体保持材料、过滤干扰 气体物质、贵金属引线、接线柱等组成，使用的典型电极材料包括铂、金、银、铑、 碳、钌、钯等，传感器信号通过引线传导到外部电路，通过放大等处理进行显示。为 了提高对被测气体的选择性，通常在传感器通气孔位置设置过滤剂，以消除干扰气体 造成的不准确信号。 图 2-10 电化学气体传感器典型构造 （3）电化学气体传感器优点： 1）对于气体的浓度能够线形输出信号重现性好 2）对被测气体具有良好选择性，不受温湿度的影响 3）空气中的输出值漂移小，可以获得稳定的输出信号 4）功耗低，电池即可驱动器工作 5）体积小，重量轻，作为便携式仪器首选 6）本质安全结构，机械性能稳定 （4）电化学一氧化碳气体传感器基本特点： 本质特征：ng-co-001 型电化学一氧化碳气体 传感器属工业级别产品，通过成熟的电极制备处 理技术及传感器结构设计，使其具有长寿命、高 灵敏度、液体密闭性良好等技术特点。传感器与 外部电路连接部位通过接插元件完成，利于传感 器与电子线路的兼容与互换。产品组装工艺简化， 有利的降低了产品成本。 用途：工厂一氧化碳浓度检测仪器；气体计量器具；空气质量监测器；气体变送 器；便携式仪器配套元件等等。 图 2-11 河北工程大学毕业设计说明书 - 16 - 工作及保存条件： 工作温度 2050 工作湿度 1590%rh 保存环境温度 020 工作气压 1atm 10% 保存期限 6 个月以内密闭容器 检知对象气体 一氧化碳 测定范围 01000ppm 输出电流 4010nappm 重复性误差 2% 响应时间(t90) 1） 25ppm 增益漂移（g=1） 200v 最大输入失调电压（ad623a） 2v /最大输入失调漂移（ad623a） 100v 最大输入失调电压（ad623b） 1v /最大输入失调漂移（ad623b） 25na 最大输入偏置电流 噪声：35nv/ hz 针对输入端（rti）噪声1khz（g=1） 良好的 ac 特性： 最小 90db 共模抑制比（cmrr）（g=10） 最小 84db 共模抑制比（cmrr）（g=5） （60hz，1k 非平衡信号源） 800khz 带宽（g=1） 到终值 0.01%的建立时间 20s（g=10） 引脚排列 极限参数如下： 电源电压 6v 内部功率耗散 650mw 差分输入电压 6v 图 2-18 河北工程大学毕业设计说明书 - 20 - 输出短路持续时间 不确定 储存温度范围（n，r，rm） -65至+125 工作温度范围： ad623a 40至+85 引脚温度范围（焊接，10 秒） +300 2.5 a/d 转换器选择 本文 a/d 转换器选择了 tlc2543，该芯片是 7lc2543 是德州仪器公司(ti)新型模数 转换器(adc)，具有 l2 位的分辨率，使用开关电容逐次逼近技术完成 ad 转换过程，提 供的最大采样率为 66ksps，供电电流仅需 1ma(典型值)。它除具有高速的转换器和通 用的控制能力外，还具有通用灵活的串行接口(spi)。它被广泛运用于数据采集系统中 2。 tlc2543 是 l2 位开关电容逐次逼近型 adc 每个器件有三个控制输入端：片选(cs)、 输入/输出时钟(i/o clk)及地址数据输入端(data input)。它还可以通过一个串行的 3 态输出端(data out)与主处理器或其它外围的串行口通讯，输出转换结果。通过编程 器件的 data input 管脚串行输入的 8 位通道/方式控制字节的高 4 位(msbs)，可选择 11 个模拟输入通道中的任一个。可用同样的方法选用另外三个测试电压, ref v ref v 用于转换器的枝正或其它用途。通道方式控制字节的低四位(lsbs)用 2/ refref vv 于选择输出数据的长度(8、12 或 16 位)、输出数据的顺序(以 msb 开始或 lsb 开始)和 是否需要单极性(二进制)或双极性(二进制补码)格式。其特点有： 1) 12 bit 分辨率 ad 转换器； 2) 在工作温度范围内 10s 转换时间； 3) 11 个模拟输入通道； 4) 3 路内置自测试方式； 5) 采样率为 66 kb/s； 6) 线性误差+1lsb(max)； 7) 有转换结束(eoc)输出； 8) 具有单、双极性输出； 9) 可编程的 msb 或 lsb 前导； 10) 可编程的输出数据长度。 河北工程大学毕业设计说明书 - 21 - 3 基于 rcm5700 的系统电路设计 3.1 系统硬件电路总体设计 系统的工作原理是利用煤气传感器将煤气浓度变换为 mv 级模拟电流信号，放大器 把信号放大后，经低通滤波滤掉干扰信号送到 a/d 转换器，变换成数字量送主控芯片 进行数据分析。由于煤气泄漏出来的气体的主要性质可以分为毒性气体和可燃性气体 2 种，所以本设计中才用了 3 个性质不同的传感器，对其进行分别处理。ng-co-001 型 电化学一氧化碳气体传感器主要是对毒性并可燃的一氧化碳气体进行精密的单项检测。 其他 2 种传感分别对其中 2 类的可燃气体进行检测。 对 rcm5700 植入软件程序后，控制整个电路的运行。 空气中的气体浓度信号同时进入主芯片，主芯片对其进行分析，并输出信号到显 示器，控制其提示出“好、优、良、中、差”等 5 个等级的空气质量提示。当感应信 号达到设定的任意一个危险区域（包括可燃气体浓度危险区和毒性气体浓度危险区） 值时，主控芯片将输出信号驱动报警，控制显示器显示出相应空气质量等级即为“差” ，驱动蜂鸣器发出声响，报警 led 发光，同时控制电磁阀关闭。以让监控人员进行处 理。故障排除后，报警完毕自动回到警戒状态，等待下一次报警。 图 3-1 系统原理框图 系统采用模块化设计。所谓的模块化设计，简单地说就是程序的编写不是开始就 逐条录入计算机语句和指令，而是首先用主程序、子程序、子过程等框架把软件的主 要结构和流程描述出来，并定义和调试好各个框架之间的输入、输出链接关系。 用户端自动报警器内提供备用电源，在没有市电的情况下，交直流供电自动切换， 确保系统在停电时能继续工作。 氢气传感器 烷类传感器 信号放大器 信号放大器 a/d a/d a/d 晶振 串口 rcm5700 蜂鸣器 显示器 电磁阀 报警灯 其他扩展 电源 co 传感器 信号放大器 河北工程大学毕业设计说明书 - 22 - 3.2 系统硬件电路 系统硬件电路的总体设计主要包括了 rcm5700 模块电路设计、可燃气体传感器电 路设计、a/d 转换器电路设计以及通信接口电路设计。 图 3-2 系统总体硬件原理图 使用 rabbit rcm5700 芯片 pb3 接虚拟时钟线，利用 pb5 口线接虚拟数据线 data。 可燃气体传感器输出的模拟量经过放大电路放大后，再经过 ad 转换器转换后，数 据采用串行方式与 rcm5700 模块连接，其中 rcm5700 模块中 pa0、pa2、pa4、pc6 分别 与 ad 转换器的 clk、din、dout、cs 相连，以此实现可燃气体传感器和 rcm5700 模块 河北工程大学毕业设计说明书 - 23 - 的相连，将可燃气体传感器输出送入 rcm5700 模块中处理。 串口通信主要利用 rcm5700 模块端口 pb3 和 pb5 作为串口通信端口，分别定义为 txd 和 rxd。 蜂鸣器则有 rcm5700 模块 pd1 输出端口实现控制。 使用 rcm5700 模块 pb2，并电阻连接 led。 河北工程大学毕业设计说明书 - 24 - 3.3 信号采集放大电路的设计 由于气体传感器采集的电信号一般很小，而且存在共模成分，需要经过放大电路 放大，之后方可进行 a/d 转换。气体传感器输出的信号幅度很小，存在着不同程度的 电磁干扰，因此在本设计中，放大电路采用仪表放大器 ad623，对来自传感器的信号经 行精密放大，同时抑制共模成分提高信号质量6。ad623 的主要特点是：使用一只外 接电阻设置增益 g，计算公式为 g=1+100k/rti，其中 g 可达 1000，从而给用户带来 了极大方便。其输入共模范围很宽，允许比地电压低 150mv 的共模电压。单电源供电 （+3.0+12v）能达到最佳性能。但双电源供电（2.56.0）也能够提供优良的 性能：低功耗、宽电源范围和电源限输出特性非常合适电池供电的应用场合；可取代 分立器见构成的仪表放大器，具有线性度优良、温度稳定性高和体积小、可靠性高等 优点。 在本设计中，采用恒压供电方式为气体传感器供电，且在正常使用中采样电路的 输出为单极性输出，ad623 的 ref 端同 tlc2543 的 ad 参考电压输入端在设计中同时接 地即可。 河北工程大学毕业设计说明书 - 25 - 图 3-3 信号采集放大电路 由 ad623 构成的放大电路如图 3-3 所示。在图中接口 j4 为气体传感器的接口，气 体传感器与电阻 r34、r35 和 r39 构成电桥采集信号，直流+2.5 电压用过 lm324 同相输 入端获得一个稳定的输出电压，q1 的通断由 lm324 输出决定，由于 q1 的 b 极电源比较 稳定，而 b 级电流决定三级管导通时的放大倍数，因此通过 ce 极的电压也比较稳定。 q1、lm324 与 lt1764-3.3 构成恒压电路，为电桥提供恒压。ad623 的 ref 接地， output 端接入 tlc2543 的 ad 模块引脚。 河北工程大学毕业设计说明书 - 26 - lm324 系列器件为价格便宜的带有真差动输入的 四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器 相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在 低到 3.0 伏或者高到 32 伏的电源下，静态电流为 mc1741 的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负 电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元 件的必要性。它有 5 个引出脚，其中“+”、“-”为 两个信号输入端，“v+”、“v-”为正、负电源端， “vo”为输出端。两个信号输入端中，vi-（-）为反 相输入端，表示运放输出端 vo 的信号与该输入端的 位相反；vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端 vo 的信号与该输入端的相位相同。lm324 的引脚排列见 右图 3-4。 3.4 运放电路及 a/d 转换电路 从一氧化碳传感器输出信号为差分信号，该模拟信 号需要经过运放后送入 a/d 转换器。本系统中运放采用 了 ad623 仪用放大器实现，运放后信号送入 a/d 转换器。 图 3-5 中 ain0ain10 为模拟输入端；cs 为片选 端；din 为串行数据输入端；dout 为 ad 转换结果的三 态串行输出端；eoc 为转换结束端；clk 为 io 时钟； ref+为正基准电压端；ref 一为负基准电压端；vcc 为电 源；gnd 为地。 vcc：正电源端，一般接+5v。 gnd：正电源地。 vref+：正基准电压端，一般接+5v。 v -：负基准电压端，一般接地。 ain0ain10：11 路模拟量输入引脚。 cs：片选端，由高到低有效，由外部输入。 eoc：转换结束端，向外部输出。 io clock：控制输入输出的时钟，由外部输入。 图3-5 tlc2543 图 3-4 河北工程大学毕业设计说明书 - 27 - data input：控制字输入端，用于选择转换及输出数据格式。 data out：ad 转换结果的输出端。 tlc2543 的工作过程分为两个周期:i/o 周期和转换周期。 a) i/o 周期 i/o 周期由外部提供的 i/o clock 定义,延续 8、12 或 16 个时钟周期,决定于选定 的输出数据长度。器件进入 i/o 周期后同时进行两种操作。 在 i/o clock 的前 8 个脉冲的上升沿,以 msb 前导方式从 data input 端输入 8 位 数据流到输入寄存器。其中前 4 位为模拟通道地址,控制 14 通道模拟多路器从 11 个模 拟输入和三个内部测电压中选通一路送到采样保持电路,该电路从第 4 个 i/o clock 脉 冲的下降沿开始对所选信号进行采样,直到最后一个 i/o clock 脉冲的下降沿。i/o 周 期的时钟脉冲个数与输出数据长度(位数)同时由输入数据的 d3、d2 位选择为 8、12 或 16。当工作于 12 或 16 位时,在前 8 个时钟脉冲之后,data input 无效。 在 data out 端串行输出 8、12 或 16 位数据。当 cs 保持为低时,第一个数据出现 在 eoc 的上升沿。若转换由 cs 控制,则第一个输出数据发生在 cs 的下降沿。这个数据 串是前一次转换的结果,在第一个输出数据位之后的每个后续位均由后续的 i/o 时钟下 降沿输出。 b) 转换周期 在 i/o 周期的最后一个 i/o clock 下降沿之后,eoc 变低,采样值保持不变,转换周 期开始,片内转换器对采样值进行逐次逼近式 a/d 转换,其工作由与 i/o clock 同步的 内部时钟控制。转换完成后 eoc 变高,转换结果锁存在输出数据寄存器中,待下一个 i/o 周期输出。i/o 周期和转换周期交替进行,从而可减小外部的数字噪声对转换精度的影 响。 c)接口时序 可以用四种传输方法使 tlc2543 得到全 12 位分辩率,每次转换和数据传递可以使 用 12 或 16 个时钟周期。一个片选脉冲要插到每次转换的开始处,或是在转换时序的开 始处变化一次后保持为低,直到时序结束。 在设计制作时要注意如下 3 个问题： （1）电源去耦 当使用 tlc2543 这种 12 位 a/d 器件时，每个模拟 ic 的电源端必须用一个 0.1f 的陶瓷电容连接到地，用作去耦电容。在噪声影响较大的环境中，建议每个电源和陶 瓷电容端并一个 10f 的钽电容，这样能够减小噪声的影响。 （2）接地 对模拟器件和数字器件，电源的地线回路必须分开，以防止数字部分的噪声电流 通过模拟地回路引入，产生噪声电压，从而对模拟信号产生干扰。所有的地线回路都 河北工程大学毕业设计说明书 - 28 - 有一定的阻抗，因此地线要尽可能宽或用地线平面，以减小阻抗，连线应当尽可能短， 如果使用开关电源，则开关电源要远离模拟器件。 （3）电路板布线 使用 tlc2543 时一定要注意电路板的布线，电路板的布线要确保数字信号和模拟 信号隔开，模拟线和数字线特别是时钟信号线不能互相平行，也不能在 tlc2543 芯片 下面布数字信号线。 tlc2543 对时序要求特别严格，数每隔一小段时间就会有变化。 解决的办法：采集关中断。 3.5 rcm5700 内置看门狗的利用 由于需要通过 a/d 转换器对来自于气敏传感器的各种模拟量进行多次采样，外部 干扰有可能会影响 cpu 的正常运行，从而引起混乱。但 rcm5700 自带有看门狗，看门 狗电路作为程序运行监控器，每隔一定时间，由控制器向看门狗发出一个复位信号， 使其复位端保持无效。程序一旦跑飞或进入死循环造成系统失效，由看门狗发出一个 复位信号，使系统能尽快复位并恢复正常工作。 3.6 主控制器与显示屏的接口设计 液晶屏采用 1602 液晶屏（单+5v 电源供电） 1602 采用标准的 16 脚接口，其中: 第 1 脚：vss 为地电源 第 2 脚：vdd 接 5v 正电源 第 3 脚：v0 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对 比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个 10k 的电位器调整对 比度 第 4 脚：rs 为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。 第 5 脚：rw 为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当 rs 和 rw 共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当 rs 为低电平 rw 为高电平时可以 读忙信号，当 rs 为高电平 rw 为低电平时可以写入数据。 第 6 脚：e 端为使能端，当 e 端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。 第 714 脚：d0d7 为 8 位双向数据线。 第 1516 脚：空脚 河北工程大学毕业设计说明书 - 29 - rcm5700 与 1602 显示屏的接口，本设计采用直接访问方式接口电路。 图 3-6 主控制器与显示屏的接口设计 3.7 通信接口电路设计 本设计中通信接口电路采用了 rs-232 实现，rs-232c 是由美国电子工业协会 （eia）正式公布的，在异步串行通信中应用最广泛的标准总线。 rs-232c 标准（协议）的全称是eia-rs-232c 标准，其中eia(electronic industry association)代表美国电子工业协会，其中rs是recommended standard的缩写，代表 推赠标准，232是标识符，c代表rs-232的最新一次修改（1969年），在这之前，有过 rs-232a、rs-232b标准，它规定连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。 现在，计算机上的串行通信端口（rs-232）是标准配置端口，已经得到广泛应用，计 算机上一般都有12个标准rs-232c串口，即通道com1和com2。具体的rcm5700配置情 况可以参考3-1。表3-1 rcm5700配置情况 河北工程大学毕业设计说明书 - 30 - 其中电平转换芯片采用了 maxim 公司的单电源电平转换芯片 max232 实现。其典型 电路连接如图 33-2 所示。 图3-7 max232典型电路连接 3.8 电源转换电路设计 系统中电源除了+5v 以外，还包括了+3.3v，其电源转换电路采用了芯片 lt1764-3.3 实现+5v 到+3.3v 的转换，其电路连接如图 3-9 所示。 图3-8 lt1764-3.3电源转换电路 本章小结： 河北工程大学毕业设计说明书 - 31 - 本章针对基于 minicore rcm5700 模块的实现方案，给出了系统实现的总体硬件 电路设计。并分别对 rcm5700 模块碳气体传感器电路、放大电路，a/d 转换器电路、 以及通信接口电路的设计进行了详细阐述。 4 系统电路调试 在进行硬件电路的实验调试时，首先检测电路板各个主要模块之间的连通性，即 保证硬件电路焊接及连接无误，是否有短路、虚焊现象发生；对系统各硬件电路进行 检测，保证各模块可以正常工作，同时保证各主要硬件电路可以由主控芯片 rabbit rcm5700 模块进行控制；对系统主控芯片 rabbit rcm5700 模块的通信进行测试；结合 系统软件测试，利用硬件平台进行功能性检测，最终验证系统软硬件综合功能的实现。 1）安装 dynamic c。 2）将 rcm5700 模块安装在接口板上，用 usb 电缆连接接口板和电脑。 3）植入软件程序，检测无误后，将驱动各功能运作。 4.1 模块的连通性调试 该部分电路的测试主要完成各个主要模块之间连通性测试，包括了一氧化碳气体 传感器和 a/d 转换器之间的连接、a/d 转换器和 rabbit rcm5700 模块之间的连接、led 与 rabbit rcm5700 模块之间的连接、晶振以及蜂鸣器与 rabbit rcm5700 模块之间的 连接等。 按照逐级检查的方式，对各个连接电路部分进行仔细测试检查，保证整体系统的 连通性正确。 连通性调试期间，各模块均以 led 代替，外接一个发光二级管，控制每个端口的 连接，直到各个接口灯亮，连通性调试结束。 河北工程大学毕业设计说明书 - 32 - 4.2 系统各硬件的检测及控制性调试 系统各硬件的检测及控制性主要包括了各主要模块的功能性验证，即一氧化碳气 体传感器电路、键盘电路、led 显示等电路各自可以正常工作。同时为了保证各硬件控 制性，利用主控芯片 rabbit rcm5700 模块完成对各部分硬件电路控制性的测试，保证 硬件电路各个环节工作正常且均可以由 rabbit rcm5700 模块实现控制。 1）放大电路与 a/d 转换电路的调试 a/d 转换电路的主要工作是对采集到的模拟输入信号进行正确的采样和转换，所得 到的数字信号量应该与原模拟信号量一致。在试验中采用编组器产生模拟输入信号量， 读取其 a/d 转换后的数字量经行比较。实验的结果表明 a/d 采样精度满足系统功能要 求。 2）一氧化碳气体检测测试 此模块的主要功能是采集煤气气体浓度的信号，按照国