家用煤气泄漏报警控制器设计.doc

毕毕 业业 论论 文文 毕业设计题目：毕业设计题目：家用煤气泄漏报警控制器家用煤气泄漏报警控制器 设计设计 系系 别：别： 机电工程系机电工程系 摘摘 要要 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 目目 录录 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、国内外研究现状及发展动态2 1.4、系统设计基本内容4 2、系统设计技术基础5 2.1、系统实现方案与选择5 2.2、mini core 芯片选择 7 2.3、一氧化碳传感器的选择15 2.4、仪表放大器的选择21 2.5、a/d 转换器选择.23 3、基于 rcm5700 的系统电路设计24 3.1、系统硬件电路总体设计24 3.2、信号采集放大电路的设计26 3.3、运放电路及 a/d 转换电路28 3.4、rcm5700 内置看门狗的利用.30 3.5、通信接口电路设计31 3.6、电源转换电路设计34 4、系统电路调试.34 4.1、模块的连通性调试34 4.2、系统各硬件的检测及控制性调试35 4.3、系统主控硬件的通信性能调试35 4.4、系统软硬件综合性能测试36 4.5、系统误差分析36 总结37 参考文献.38 致谢39 附录40 0 家用煤气泄漏报警控制器设计家用煤气泄漏报警控制器设计 1 1、绪论、绪论 1.11.1、课题研究的背景、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。 1.21.2、课题研究的目的、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 1 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煤气报警系统。 1.31.3、国内外研究现状及发展动态、国内外研究现状及发展动态 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，同时联动外部设备。 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8。 在应用方面，目前最广泛的是可燃性气体气敏元件传感器，已普及应用于 气体泄漏检测和监控，从工厂企业到居民家庭，应用十分广泛。仅以用于安全 保护家用燃气泄漏报警器为例，日本早在 1980 年 1 月开始实行安装城市煤气、 液化石油气报警器法规，1986 年 5 月日本通产省又实施了安全器具普及促进基 本方针。美国目前已有 6 个州立法，规定家庭、公寓等都要安装 co 报警器。 报警器种类也相当繁多，有用于一般家庭、集体住宅、饮食餐店、医院、学校、 工厂的各种气体报警器和系统，有单体分离型报警器、外部报警系统、集中监 视系统、遮断连动系统、防止中毒报警防护系统等。结构型式有袖珍型便携式、 手推式、固定式报警等；工业用固定式报警又有壁挂式、台放式、单台监控式、 多路巡检式等。气体检测技术与计算机技术相结合，实现了智能化、多功能化。 美国工业科学公司（isc）一台携带式气体监控仪可实现 4 种气体监测，采用了 统一的软件，只需要换气体传感器，即可实现对特定气体监测。美国国际传感 器技术（ist）公司应用一种“megacas 传感器和微程序控制单元，可检测 100 种以上毒性气体和可燃性气体，通过其“气体检索”功能扫描，能很快确定是哪 一种气体。 可燃气体传感器的发展也成为气体检测系统的代表性标志。 近年来，由于在工业生产、家庭安全、环境监测和医疗等领域对气体传感 2 器的精度、性能、稳定性方面的要求越来越高，因此对气体传感器的研究和开 发也越来越重要。随着先进科学技术的应用，气体传感器发展的趋势是微型化、 智能化和多功能化。深入研究和把握有机、无机、生物和各种材料的特性及相 互作用，理解各类气体传感器的工作原理和作用机理，正确选择各类传感器的 敏感材料，灵活运用微机械加工技术、敏感薄膜形成技术、微电子技术、光纤 技术等，使传感器性能最优化是气体传感器的发展方向。 国外气体传感器发展很快，一方面是由于人们安全意识增强，对环境安全 性和生活舒适性要求提高；另一方面是由于传感器市场增长受到政府安全法规 的推动。因此，国外气体传感器技术得到了较快发展，据有关统计猜测，美国 1996 年2002 年气体传感器年均增长率为（2730）。 目前，气体传感器的发展趋势集中表现为：一是提高灵敏度和工作性能， 降低功耗和成本，缩小尺寸，简化电路，与应用整机相结合，这也是气体传感 器一直追求的目标。如日本费加罗公司推出了检测（0.110）106 硫化氢低 功耗气体传感器，美国 ist 提供了寿命达 10 年以上的气体传感器，美国 firstalert 公司推出了生物模拟型（光化反应型）低功耗 co 气体传感器等。二 是增强可靠性，实现元件和应用电路集成化，多功能化，发展 mems 技术，发 展现场适用的变送器和智能型传感器。如美国 generalmonitors 公司在传感器中 嵌入微处理器，使气体传感器具有控制校准和监视故障状况功能，实现了智能 化；还有前已涉及的美国 ist 公司的具有微处理器的“megagas”传感器实现了 智能化、多功能化。 气敏元件传感器作为新型敏感元件传感器在国家列为重点支持发展的情况 下，国内已有一定的基础。其现状是： （1）烧结型气敏元件仍是生产的主流，占总量 90以上；接触燃绕式气 敏元件已具备了生产基础和能力；电化学气体传感器有了试制产品； （2）在工艺方面引入了表面掺杂、表面覆膜以及制作表面催化反应层和修 隔离层等工艺，使烧结型元件由广谱性气敏发展成选择性气敏；在结构方面研 制了补偿复合结构、组合差动结构以及集成化阵列结构；在气敏材料方面 sno2 和 fe2o3 材料已用于批量生产气敏元件，新研究开发的 al2o3 气敏材料、石英 晶体和有机半导体等也开始用于气敏材料； 3 （3）低功耗气敏元件（如一氧化碳，甲烷等气敏元件）已从产品研究进入 中试； （4）国内气敏元件传感器产量已超过“九五”初期的 400 万支。产量超过 20 万支的主要厂家有 5 家，黑龙江敏感集团、太原电子厂、云南春光器材厂、 天津费加罗公司（合资） 、北京电子管厂（特种电器厂） ，其中前四家都超过 100 万支，据行业协会统计，1998 年全国气敏元件总产量已超过 600 万支。 总的看来，我国气敏元件传感器及其应用技术有了较快进展，但与国外先 进水平仍有较大的差距，主要是产品制造技术、产业化及应用等方面的差距， 与日本比较仍要落后 10 年。 1.41.4、系统设计基本内容、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。 4 5 2 2、系统、系统设计技术基础设计技术基础 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。 2.12.1、系统实现方案与选择、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。 2.1.12.1.1、基于单片机的实现方案、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。 图 5.1 基于 8051 单片机的实现 6 2.1.22.1.2、基于、基于 minimini corecore 的实现方案的实现方案 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 6.1 基于 mini core 的实现 2.1.32.1.3、方案选择、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 7 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。 2.22.2、minimini corecore 芯片选择芯片选择 2.2.12.2.1、rcm5700rcm5700 的简介的简介 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 8 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 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 图 8.1 9 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。 2.2.22.2.2、rcm5700rcm5700 的优点的优点 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。 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。 2.2.32.2.3、rcm5700rcm5700 硬件组成硬件组成 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。 2.2.42.2.4、rcm5700rcm5700 模块接口定义模块接口定义 接口板设计原理图 10 图 10.1 11 图 11.1 12 rcm5700 模块接口包括了 52 个接口，各个接口定义如图 12.1 所示。 图12.1 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 12.2 所示。 图12.2 rcm5700模块端口说明 13 rcm5700 模块管脚功能及说明详见表。 表 13.1 14 表14.1 15 表15.1 2.32.3、传感器、传感器的选择的选择 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。 16 2.3.12.3.1、一氧化碳传感器的选择、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 16.1 17 图 17.1 电化学传感器原理图 （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 17.2 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 18 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。 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 22.1 23 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 2.52.5、a/da/d 转换器选择转换器选择 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,用于转换器的 ref v ref v2/ refref vv 枝正或其它用途。通道方式控制字节的低四位(lsbs)用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； 25 10) 可编程的输出数据长度。 26 3 3、基于、基于 rcm5700rcm5700 的系统电路设计的系统电路设计 3.13.1、系统硬件电路总体设计、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 24.1 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 氢气传感器 烷类传感器 信号放大器 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 27 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。 3.23.2、系统硬件电路、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。 28 图 25.1 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。 3.33.3、信号采集放大电路的设计、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。 29 图 27.1 信号采集放大电路 由 ad623 构成的放大电路如图 27.1 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。 30 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。 3.43.4、运放电路及、运放电路及 a/da/d 转换电路转换电路 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 28.2 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。 图28.2tlc254 31 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。 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。 32 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。 3.53.5、rcm5700rcm5700 内置看门狗的利用内置看门狗的利用 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。 33 3.63.6、主控制器与显示屏的接口设计、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 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 31.1 主控制器与显示屏的接口设计 34 3.73.7、气体自动控制阀的原理、气体自动控制阀的原理 台湾 sun yeh 电动阀门它是一种直角回转结构，它与阀门定位器配套使 用，可实现比例调节；v 型阀芯最适用于各种调节场合，具有额定流量系数大， 可调比大，密封效果好，调节性能零敏，体积小，可竖卧安装。适用于控制气 体、蒸汽、液体等介质。 气动活塞执行机构采用压缩空气作动力源，通过活塞的运动带动曲臂进行 90 度回转，达到使阀门自动启闭。它的组成部分为：调节螺栓、执行机构箱体、 曲臂、气缸体、气缸轴、活塞、连杆、万向轴。 气动调节阀的工作原理：气动调节阀由执行机构和调节机构组成。执行机 构是调节阀的推力部件，它按控制信号压力的大小产生相应的推力，推动调节 机构动作。阀体是气动调节阀的调节部件，它直接与调节介质接触，调节该流 体的流量。 pvc 电动调节三通球阀是阀与电动执行器组成，由调节电动执行器接受 420ma 信號啟動旋转带动阀体转角为 090从而打开和关闭阀门，电动执行器 可搭配大部份之阀门，安裝配套容易。 执行器电压：ac:1110v、1220v、3220v、3380v、3440v、24v; dc24v 消费电力： ac10w300w 关闭时间： 8sec / 58sec 090 电磁阀与 rcm5700 的连接如下 35 图 32.1 主控制器与自动气阀接口设计 3.83.8、通信接口电路设计、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 配置情况可以参考表 33.1。 表33.1 rcm5700配置情况 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。 36 图33.2 max232典型电路连接 3.83.8、电源转换电路设计、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 34.1 所示。 图34.1 lt1764-3.3电源转换电路 本章小结： 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 4、系统电路调试、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