便携式瓦斯检测仪的设计

便携式瓦斯检测仪的设计摘要在我国，煤炭业绝大多数是井下开采，瓦斯爆炸是煤矿重大灾害事故之一，为了确保矿井的生产安全，国内已开发出很多种类型的瓦斯检测仪，但传统的瓦斯检测仪都普遍存在着体积较大、安装复杂的缺点。因此开发研制便携式智能瓦斯检测仪对促进煤炭行业的安全生产具有重要的意义。本文主要论述了一种便携式瓦斯检测仪的工作原理，并给出了系统硬件原理电路设计与软件系统流程。该系统主要由电源模块、催化燃烧式气体传感器模块、单片机控制模块、键盘、LCD 显示器和声光报警模块等部分构成。该装置将单片机的适时控制及数据处理功能与传感技术相结合，不仅可精确检测井下空气中的瓦斯浓度，还能根据瓦斯浓度的大小及时发出声光报警信号，而且可通过 LCD 显示装置显示出瓦斯的浓度。关键词：瓦斯检测；MJC4/3.0L 气体传感器；AT89C52 单片机Design of portable gas detectorAbstractIn China, the vast majority of underground coal mining industry, coal mine gas explosion is one of major disasters, in order to ensure mine safety, the domestic has developed many types of gas detector, but all the traditional common a larger, installation of complex defects. Therefore developed a portable gas detector intelligent coal industry to promote safety is of great significance.This paper discusses a portable gas detector works, and gives the principle of circuit design hardware and software system processes. The system mainly consists of power supply module, catalytic combustion gas sensor module, microprocessor control module, keyboard, LCD display and sound and light alarm module parts. The device will be single chip control and timely data processing combined with sensor technology can not only accurately detect the concentration of gas underground in the air, but also according to the size of the gas concentration in time audible and visual alarm signals, and can be displayed through the LCD display device the gas concentration.Key words: Gas detection; MJC4/3.0L gas sensor; AT89C52 microcontroller 第 I 页 共 页目 录1 引言 .11.1 课题的研究背景和意义 .11.2 国内外发展状况及趋势 .11.3 课题研究的主要内容 .32 瓦斯的性质和爆炸条件及其检测方法 .42.1 瓦斯的性质 .42.2 瓦斯爆炸及其条件 .42.3 瓦斯的检测方法 .52.3.1 热传导法 .52.3.2 半导体气敏传导器法 .62.3.3 光干涉法 .62.3.4 电化学式气体传感器 .72.3.5 光声气体检测型气体传感器 .72.3.6 红外吸收原理的甲烷检测仪 .72.3.7 催化燃烧法 .82.4 载体催化燃烧式传感元件结构 .82.5 黑白元件 .92.6 载体催化元件工作检测电路 .93 硬件电路设计 .113.1 系统硬件设计原理框图 .113.2 传感器的选择 .113.2.1 MJC4/3.0L 型传感器的基本测试电路和引脚说明 .123.2.2 MJC4/3.0L 型传感器技术指标 .133.2.3 MJC4/3.0L 型传感器的特点 .133.3 信号放大模块设计 .143.3.1 放大器 OP07 参数及引脚说明 .143.3.2 由 OP07 组成的双运放高共模抑制比放大电路 .15第 II 页 共 页3.4 A/D 转换模块设计 .163.4.1 ADC0808 芯片 .163.4.2 单片机和 ADC0808 的硬件连接电路 .193.5 单片机的选择 .193.5.1 AT89C52 单片机的介绍 .193.5.2 振荡器的特性 .203.5.3 单片机最小系统的设计 .213.6 LCD 显示电路设计 .213.6.1 LCD 显示器的特性与管脚功能 .223.7 键盘与接口技术 .233.7.1 键盘的组成 .233.7.2 键盘的工作方式 .233.7.3 独立式键盘 .233.8 报警电路设计 .243.9 电源设计 .253.9.1 +3V 稳压源的设计 .253.9.2 -8V 稳压源的设计 .264 系统软件设计 .274.1 系统主程序流程图 .274.2 A/D 转换程序流程图 .274.3 LCD 显示子程序流程图 .284.4 键盘扫描子程序流程图 .28结论 .30参考文献 .31致谢 .33附录 1 .34附录 2 .35附录 3 .36第 1 页 共 41 页1 引言1.1 课题的研究背景和意义煤矿中含有大量的易燃易爆气体，发生事故后会造成巨大的经济损失，甚至危及矿工的生命。随着煤矿开采技术手段的不断改进和开采规模的扩大及开采深度的不断延伸，安全上的隐患也越来越多。瓦斯事故在煤矿事故中所占的比例越来越高。因此不把瓦斯事故控制住，就不能实现煤矿安全生产状况的稳定好转，也就无法保障煤炭工业的持续健康发展。所以，对煤矿中的瓦斯气体进行快速准确的检测显得尤其重要，对瓦斯气体检测仪表的研究和开发也一直是人们关注的问题。为了确保矿井的生产安全，防止瓦斯爆炸，国内外煤矿研究所在此领域进行了很长时间的研究，开发出很多种类型的瓦斯检测仪，但目前已有的瓦斯检测仪器都普遍存在着体积较大、安装复杂、操作不便、智能化程度低等缺点。因此开发研制便于携带、多功能、精度高的智能型瓦斯检测仪对促进煤炭行业的安全生产具有重要的现实意义。1.2 国内外发展状况及趋势瓦斯检测技术是随着煤炭工业发展而逐步发展起来的。1815 年，英国发明了世界上第一种瓦斯检测仪器- 瓦斯检定灯。利用火焰的高度来检测瓦斯浓度；20世纪 30 年代，日本发明了光干涉瓦斯检定器，一直沿用至今；20 世纪 40 年代，美国研制了检测瓦斯浓度的敏感原件-铂丝催化元件；1954 年，英国采矿安全所研制了最早的载体催化元件。电子技术的进展推动了瓦斯检测控制装置的进一步发展。我国矿井瓦斯检测技术经历了从简单到复杂，从低水平到高水平的发展过程。从新中国成立初期到 20 世纪 70 年代，煤矿下井人员主要使用光学瓦斯检测仪，风表等携带式仪器检测井下参数。20 世纪 60 年代初期，我国开始研制载体催化元件，随着敏感原件制造水平的提高，使检测技术进入了新的发展时期。20 世纪70 年代瓦斯断电仪问世，装备在采掘工作面，回风巷道等井下固定地点，实现了对瓦斯的自动连续检测及超限自动切断被控制设备的电源的功能。随后，我国陆续对研制便携式瓦斯提出了许多检测方法，如热传导法、半导体气敏传感器法、第 2 页 共 41 页光干涉法、催化燃烧法等。以这些方法为基本原理研制出的各种检测仪器曾在不同的时期，不同的应用场合发挥过重要作用。总的来说，目前国内煤矿应用的甲烷检测的仪器有多种，主要有：气相色谱仪，气敏元件传感器，光学干涉仪等。1气相色谱仪该类仪器可以检 CO、CO 2 等多种气体。测量范围大而且精度很高，但成本较高。这种仪器的缺点是：体积较大，无法方便携带：工作环境要求很高，测量时要先对气体取样，无法实时探测，功率很大。这种仪器目前主要应用在实验室内。2气敏元件传感器该类仪器是利用催化元件在不同浓度甲烷中使电桥电阻变化不同制成，是目前矿井中最常见的甲烷检测手段。它的特点是：使用方便，价格便宜。该仪器的缺点是：测量范围有限；精度很低，结果不可靠；响应时间很长。3光学干涉仪该类仪器是利用光学干涉的原理，当两束光所经过光程相同时，干涉条纹不发生移动。如果气样室中气体的成分、温度、压力发生改变，则是折射率起了改变，光程也发生变化，所看到的干涉条纹也发生移动。光学干涉仪的特点是：使用的条件要求不高，精度可以达 0.1左右，一般矿井中的瓦斯安全员用的多为这种仪器。缺点是：1.当水蒸气含量较高时，测量精度下降，需要经常更换药品；2.仪器的安装较困难，读数不方便，读数的精度直接与使用人员的操作有很大关系；3.测量范围有限，精度不高。这些检测手段在不同程度上存在着缺陷，并且无法进行远距离探测，这也是我国煤矿甲烷爆炸事件频繁发生的一个重要原因。以全固体、气体或半导体激光器为发射源的甲烷探测器具有对大气成分进行实时的、灵敏的、远距离的探测等特点，但由于激光器的本身价格昂贵，限制了这类探测器在实际中广泛应用。综上所述，目前国内外缺小一种微型化的、低功耗的气体传感检测设备来满足目前国内外的需要，每种系统都可能存在量程小、体积大、功耗大、需短期内校准、使用寿命短、无数据传输方式等其中某种或某几种缺点。因此，根据各种方法相对存在的缺点进行些许完善，从而要研究一套低成本、便于携带及高性价第 3 页 共 41 页比的便携式瓦斯检测仪器，采用模块化设计方法完成控制系统软硬件设计来提高系统可靠性及稳定性的方法。1.3 课题研究的主要内容本文主要研究的是便携式瓦斯检测仪设计的硬件电路及软件程序设计，其主要内容如下：引言，主要说明本设计的主要研究背景和意义，还介绍在瓦斯检测系统中所涉及到的各种技术和发展情况。介绍瓦斯的性质和瓦斯爆炸及其条件，包括传统的瓦斯检测方法及其原理概述。硬件设计，对该瓦斯检测单元模块的各部分电路作详细的介绍和讲解，分析电路的构成和基本工作原理并进行说明。软件设计部分，首先介绍系统总的设计流程，然后分为各个模块，并对部分模块进行程序编写。本文的重点是对瓦斯检测单元部分进行软硬件的设计，并实现既定的功能。第 4 页 共 41 页2 瓦斯的性质和爆炸条件及其检测方法这部分主要说明两个内容。首先要了解的是瓦斯的性质和瓦斯的爆炸及其条件。其次是瓦斯的传统检测方法，如热传导法、半导体气敏传感器法、光干涉法等，并主要说明了本设计采用的催化燃烧法。2.1 瓦斯的性质瓦斯的性质主要有四种：1、瓦斯是一种无色、无味、无臭的气体。在标准状态下，1m瓦斯的质量为0.7168KG，比空气轻，瓦斯相对密度为0.5544.矿井瓦斯的扩散性好，比空气大1.6倍。2、瓦斯本身无毒，但是矿井空气中的瓦斯浓度较高时，相对降低空气中氧的含量，因缺氧而引起人员窒息。当瓦斯浓度达到43%时，氧的浓度将降低至12%，人将感到呼吸困难；当瓦斯浓度达到57%时，氧气含量会下降到9%，人若误入其中，短时间就会窒息死亡。3、瓦斯难溶于水，压力为50个大气压、温度为30摄氏度时，其溶解度仅为1%。4、瓦斯不助燃，但与空气混合达到一定温度后，遇到高温火焰能够燃烧和爆炸。沼气与氧气在高温下的反应是发光、放热反应，其反应方程式如式(2.1)所示 1。(2.1)/(6.82224 molKjOHCH1mol 的沼气完全氧化后，放出的热量和理论值为 882.6kj。正是由于瓦斯的性质特殊，所以它也具有两面性，例如矿井瓦斯作为城市煤气供应、矿井瓦斯发电等；但矿井瓦斯在井下的生产中却给我们带来了很大的麻烦，被我们列为有害气体 2。2.2 瓦斯爆炸及其条件瓦斯爆炸的条件是：一定浓度的瓦斯、高温火源的存在和充足的氧气 3。1、瓦斯浓度。瓦斯爆炸有一定的浓度范围，我们把在空气中瓦斯遇火后能引起爆炸的浓度范围称为瓦斯爆炸界限。瓦斯爆炸界限为 5-16。当瓦斯浓度低第 5 页 共 41 页于 5时，遇火不爆炸，但能在火焰外围形成燃烧层，当瓦斯浓度为 9.5时，其爆炸威力最大(氧和瓦斯完全反应)；瓦斯浓度在 16以上时，失去其爆炸性，但在空气中遇火仍会燃烧。 瓦斯爆炸界限并不是固定不变的，它还受温度、压力以及煤尘、其它可燃性气体、惰性气体的混入等因素的影响 4 。 2、引火温度。瓦斯的引火温度，即点燃瓦斯的最低温度。一般认为，瓦斯的引火温度为 650-750。但因受瓦斯的浓度、火源的性质及混合气体的压力等因素影响而变化。当瓦斯含量在 7-8时，最易引燃；当混合气体的压力增高时，引燃温度即降低；在引火温度相同时，火源面积越大、点火时间越长，越易引燃瓦斯。高温火源的存在，是引起瓦斯爆炸的必要条件之一。3、氧的浓度。实践证明，空气中的氧气浓度降低时，瓦斯爆炸界限随之缩小，当氧气浓度减少到 12以下时，瓦斯混合气体即失去爆炸性。如果有新鲜空气进入，氧气浓度达到 12以上，就可能发生爆炸。瓦斯爆炸和燃烧跟氧气浓度的关系如下图 2.1 所示。图 2.1 瓦斯爆炸和燃烧跟氧气浓度关系图2.3 瓦斯的检测方法本世纪初以来，人们就对瓦斯检测进行了大量的研究，提出了许多检测方法，如热传导法、半导体气敏传感器法、光干涉法等，并主要以这些方法为基本原理研制出的各种检测仪器曾在不同的时期，不同的应用场合发挥过重要作用。这里还主要说明了本设计所采用的催化燃烧法。下面对这些方法进行说明。2.3.1 热传导法此法是利用不同气体的热传导率随气体分子量和分子结构的不同而不同的原理，把性能相同的一对敏感器件(通常采用电阻温度系数较大的铂丝或钨丝)分别接第 6 页 共 41 页在电桥的两个对应桥臂上，一只放置于被测气样的气室中，另一只放置于标准大气的密闭气室中。前者是测量元件，后者是补偿元件。当两只敏感元件被加以同样的电流之后，产生的热量相等。但是，由于散热介质不同，使两元件形成了一定温差，电桥就会失去平衡，输出端输出一个与瓦斯浓度变化成比例的电信号。该法用于高浓度瓦斯测量时效果较好。而当瓦斯浓度较低时，由于其热导率与空气热导率相近，输出信号很弱，灵敏度很低，所以该法不适用于低浓度瓦斯的检测。另外，它受气温的影响较大，其它气体引起的空气组分变化也会导致热导率的变化，引起测量误差 5。2.3.2 半导体气敏传导器法此法是在六十年代初期研制成功的。它是利用某些金属氧化物在加热条件下其薄膜电阻随接触的可燃性气体浓度的增加而下降的特性来实现对可燃气体的检测。半导体气敏器件灵敏度高，当混合气体中待测气体的含量不到千分之一时，器件的阻值就会发生足够大的变化，并且它具有结构简单、使用方便、价格便宜等优点，因而在检漏、报警、分析测量等方面获得广泛应用。但半导体气敏器件在低浓度下灵敏度高，而在高浓度下器件的电阻变化较小，所以，它只适合检测低浓度微量气体。2.3.3 光干涉法光学瓦斯检测仪是采用光干涉原理，测定沼气和二氧化碳等多种气体的一种便携式检测仪器。如图 2.2 所示。表示两个相干波列，相干波列会在相遇的区域内产生干涉现象，这种现象又称波的干涉。两个相干波在相遇的干涉区域内，某些点的振动始终加强，而另一些的振动始终减弱，在加强处产生亮条纹，而在减弱处产生暗条纹。此法是利用甲烷和空气对光在气室中的光程差的变化来测定甲烷浓度。光干涉式瓦斯检测仪具有结构简单，安全性好，测量精度高，寿命长，使用可靠，适用气种广泛，故障少等优点，客观存在的主要缺点是测量时受环境气压和温度的影响；测量时受背景气体影响，目前，一些国内外研究者致力于用线阵 CCD 摄像器件实现光电转换，将干涉条纹的位移量转换成电信号输出。但所有与大气折射率不同的气体与瓦斯一样，也均会产生干涉条纹，造成误检测，这是无法克服的缺点。第 7 页 共 41 页图 2.2 光干涉原理图2.3.4 电化学式气体传感器电化学型气体传感器可分为原电池式、可控电位电解式、电量式和离子电极式四种类型。原电池式气体传感器通过检测电流来检测气体的体积分数，近年米，又开发了检测酸性气体和毒性气体的原电池式传感器。可控电位电解式传感器是通过测量电解时流过的电流来检测气体的体积分数，和原电池式不同的是，需要由外界施加特定电压，除了能检测CO，NO，N0 2，0 2，S0 2等气体外，还能检测血液中的氧体积分数。电量式气体传感器是通过被测气体与电解质反应产生的电流来检测气体的体积分数。离子电极式气体传感器出现得较早，通过测量离子极化电流来检测气体的体积分数来测量气体浓度。电化学式气体传感器主要的优点是选择性好，反应迅速灵敏度商，可实时连续检测，缺点足易受环境影响，价格较高。2.3.5 光声气体检测型气体传感器根据气体定律，封闭在光声腔内的气体温度就会产生与光强调制频率相同的周期性起伏，也就是说，强度是变的。光束在气体试样内激发出相应的声波用传声器便可直接检测该信号。气体光声检测系统通常由激光器(或普通单色光源)、调制器(使光束作强度调制，例如机械切光器、电光调制器等)、充有被测吸收气体和装有检测传声器的光声腔以及信号采集处理系统组成。利用光声原理实现的气体检测技术是基于气体的特征红外吸收光谱，间接测量气体吸收的能量，因此测量灵敏度高，检测极限低，且不存在传感器老化问题。但由于它的结构关系，一般造价颇高。2.3.6 红外吸收原理的甲烷检测仪第 8 页 共 41 页红外吸收型甲烷检测仪是利用不同气体对红外辐射有着不同的吸收光谱，某种其他的特征光谱吸收强度与该气体的浓度相关，利用这一原理来测量甲烷的浓度。此方法虽然精确度较高，但由于地面上使用的红外气体检测装置体积大，设备复杂、价格昂贵，光学系统和电路的结构不适合在井下工作。2.3.7 催化燃烧法催化燃烧式传感器是在铂金加热丝的周围环绕一圈涂镀着催化剂的载体，当传感器置于待测可燃气体中，加热丝通以一定的电流时，载体被加热，瓦斯与氧气在催化剂的作用下，于较低温度(300-500)处发生无焰燃烧。释放出的热量使铂金丝的温度上升，从而引起铂金丝的电阻值发生变化，并以此来反映空气中的瓦斯浓度大小。催化燃烧式传感元件，属气敏热效应型传感器，它具有体积小(典型值为长 3mm,直径 1.2mm 的小圆柱体)，结构简单，使用方便等特点，是目前国内外检测瓦斯的主要传感器。载体催化燃烧式传感器，被制成一个便于测量的探头。探头可以单独设置，也可以作为一个独立单元装配在一起内使用。国内的便携式瓦斯探测仪，主要是以催燃烧法原理制成的。本文研究的便携式瓦斯检测仪即采用的催化燃烧法，采用的是催化热效应型气敏传感器，其将在下面进行介绍。2.4 载体催化燃烧式传感元件结构载体催化燃烧式传感元件，属气敏热效应传感器。其特点是体积小（典型尺寸：长 3mm，直径 1.2mm，重 7mg 的小圆柱体） ，结构简单，功耗低、性能较稳定及使用寿命长。目前已成为国内外检测瓦斯的主要传感元件，特别是我国和英、日、美诸国应用尤为广泛 6。载体热催化元件的结构如图 2.3 所示。图 2.3 载体热催化元件结构图1、催化剂。载体表面涂渡一层黑色铂族金属元素（如：铂、钯、铑等） 。沼气与氧气在催化剂的作用下，产生强烈的氧化还原反应，俗称无焰燃烧。第 9 页 共 41 页2、载体。铂丝线圈被 型氧化铝（ 型氧化铝的熔点(2288K)和硬度(8.8)都很高）包围，这个氧化物体称载体。 载体浇注成均匀的多孔体，它不仅牢固的固定铂丝线圈，多孔表面还可以提高催化剂反应效果，提高催化剂的活性和提高抗毒性能。3、铂丝线圈。铂丝线圈是元件的骨架，是一只用铂丝绕制的小螺旋线圈，正常工作时通过一个 100-200mA 左右的电流，加热催化剂，使催化剂达到起燃温度，同时，又可利用铂丝电阻值催化剂温度而改变的性质，测出铂丝电阻增量。2.5 黑白元件载体催化燃烧式传感器，被制成一个便于测量的探头。探头可以单独设置，也可以作为一个独立单元装配在仪器内使用。探头内部的主要元件是黑元件（催化元件）和白元件 7（补偿元件） 。1、黑元件。黑元件是载体催化燃烧式元件，当甲烷气体在元件表面与氧气产生无焰燃烧时，电桥失去平衡，输出一个电压信号送入主线路板放大，放大了的电压信号送到 A/D 转换模块，实现对瓦斯浓度的检测。2、白元件。白元件是补偿元件，基本结构和技术参数与黑元件相同，但表面不涂镀催化剂，所以，它不掺入低温燃烧。但由于它处在与黑元件相同的工作环境中，所以，对非甲烷浓度变化引起的催化元件阻值变化（环境温度变化、湿度变化、风速变化、电源电流变化等）起补偿作用，从而提高仪器零点稳定性和抗干扰能力。黑白元件出厂时，经过检测仪严格检测匹配，不能任意拆套使用。2.6 载体催化元件工作检测电路载体催化元件一般由一个带催化剂的敏感元件（俗称黑元件）和一个不带催化剂的补偿元件（俗称白元件）构成。其检测电路如图 2.4 所示。黑元件是载体催化燃烧式元件，当甲烷气体在元件表面与氧气产生无焰燃烧时，电桥失去平衡，输出一个电压信号，白元件是补偿元件，基本结构和技术参数与黑元件相同，但表面不涂镀催化剂，所以它不掺入低温燃烧。但它处在与黑元件相同的工作环境中，所以对非甲烷浓度变化引起的催化元件阻值变化起补偿作用，从而提高仪器零点稳定性和抗干扰能力。第 10 页 共 41 页图 2.4 检测电路图载体催化元件使用 Pt 铂、Pd 钯等金属催化剂，其作用原理尚无统一完整的理论 8 。催化剂的催化活性与其电子结构及吸附能力有关。采用载体元件检测瓦斯时，只要维持甲烷-空气混合气体中有足够量的氧，并维持一定的高温条件，就会在元件表面产生无焰燃烧。催化反应过程中无焰燃烧放出热量，增加了敏感元件铂丝的电阻值然后通过惠斯顿电桥测量电路，可以测量其载体催化元件电阻变化量。图 2-3 中， r2 为敏感元件 ,r1 为补偿元件。将 r1,r2 置于同一测量气室中，测量电桥由稳压电源或恒流源供电。在无瓦斯的新鲜空气中，r 1r2，调整电桥使之平衡，信号输出端电压 Uab=0。当瓦斯进入气室时，在敏感元件 r2 表面上催化燃烧，r2 阻值随温度上升而增加为 r2+r 2，而补偿元件 r1 阻值不变，从而电桥失去平衡。当采用恒压源 E 供电时，输出的不平衡电压如式(2.2) 所示。(2.2)()( 212 Erab第 11 页 共 41 页3 硬件电路设计前面已经介绍了瓦斯检测方法的发展，又介绍了载体催化燃烧式传感元件的结构组成和其工作原理，及其基本的检测电桥电路的工作原理。这章主要介绍瓦斯检测仪的硬件电路设计。该瓦斯检测仪由传感器、放大器、报警电路、A/D 转换器、键盘、LCD 显示器、直流电压变换器等电路及高性能稳压器等部分组成。3.1 系统硬件设计原理框图设计的瓦斯检测仪顾名思义是对井下的甲烷浓度进行测定，以便掌握第一手数据，对保证井下的正常生产起着很重要的作用。这个瓦斯检测仪采用集成电路的新型瓦斯检测和报警装置，并具有一定的显示功能 9。它以蓄电池为电源，具有数码管数字显示及声、光报警功能。具有操作简单、读数明显、测量准确、稳定性好等优点，同时还具有防震、防尘、防潮湿、便于携带等优点。该瓦斯检测仪由传感器、放大器、报警电路、A/D 转换器、键盘、LCD 显示器、直流电压变换器等电路及高性能稳压器等部分组成。在本章中提出了设计的总体设计方案，并绘制出了系统总体模块原理框图，其各个模块电路的设计及芯片的选择将在以下各节中进行详细的介绍与说明。其原理框图如图 3.1 所示。总的硬件原理设计图与仿真见附录 1 与附录 2。图 3.1 系统总体模块原理框图3.2 传感器的选择考虑到检测系统的性价比和便携性本设计采用型号为：MJC4/3.0L 瓦斯检测第 12 页 共 41 页传感器。其外观图和结构图如图 3.2 和 3.3 所示。图 3.2 MJC4/3.0L 外观图图 3.3 MJC4/3.0L 结构图3.2.1 MJC4/3.0L 型传感器的基本测试电路和引脚说明MJC4/3.0L 型传感器的基本测试电路如图 3.4。图 3.4 MJC4/3.0L 型传感器的基本测试电路4321第 13 页 共 41 页2 脚、4 脚分别接电源的正、负极，1 脚、3 脚为电桥的输出端。3.2.2 MJC4/3.0L 型传感器技术指标MJC4/3.0L 型传感器技术指标如表 3.1 所示。表 3.1 MJC4/3.0L 型传感器技术指标工作电压 (V) 3.00.1工作电流(mA) 11010灵敏度(mV) 20 1%甲烷线形度（%） 0-5测量范围 0100%LEL 0-4%瓦斯输出电压（mV） 0-90响应时间 (90%) 小于 10 秒恢复时间 (90%) 小于 30 秒使用环境 -40- +70 低于 95%RH储存环境 -20- +70 低于 95%RH外形尺寸（mm ） 9.51419MJC4/3.0L 型传感器的灵敏度特性如图 3.5 所示。图 3.5 MJC4/3.0L 型传感器的灵敏度特性3.2.3 MJC4/3.0L 型传感器的特点1、桥路输出电压呈线性，响应速度快。2、具有良好的重复性、选择性。第 14 页 共 41 页3、元件工作稳定、可靠，抗硫化氢中毒。3.3 信号放大模块设计当被测瓦斯气体的浓度通过气体传感器转换成电量时，获得的电压变化量往往很小( 通常只有几毫伏到几十毫伏)，而共模电压却很高，输入到放大器的噪声与放大器件自身产生的噪声，往往大于放大器的输入信号。因此，如何减少噪声或把噪声与信号分离开来，是信号放大器设计的关键 10。一般传感器后面的放大器必须具有很高的共模抑制比，同时要求有较高的输入电阻，以免对传感器产生影响。为了提高精度，放大器还应有较高的开环增益，较低的失调电压、失调电流、噪声以及漂移等 11。本设计选择 OP07 做为放大电路的放大器，OP07 是高精度低失调电压的精密运放，常应用于微弱信号的放大电路。如果使用双电源，能达到最好的放大效果。3.3.1 放大器 OP07 参数及引脚说明OP07 参数如下：1、低的输入噪声电压幅度：0.35VP-P (0.1Hz -10Hz)2、极低的输入失调电压：10V3、极低的输入失调电压温漂：0.2V/ 4、具有长期的稳定性：0.2V/MO5、低的输入偏置电流：1nA6、高的共模抑制比：126dB7、宽的共模输入电压范围：14V8、宽的电源电压范围：3V-22VOP07 的引脚图如图 3.6 所示。图 3.6 OP07 引脚图第 15 页 共 41 页1 和 8 脚为偏置平衡(调零端)，2 脚为反向输入端，3 脚为正向输入端，5 脚为空脚 ，6 脚为输出端，7 和 4 分别接电源的正负极。3.3.2 由 OP07 组成的双运放高共模抑制比放大电路由 OP07 组成的双运放高共模抑制比放大电路如图 3.7 所示。图 3.7 双运放高共模抑制比放大电路图由电路可得：(3.1)1341)(iOUR(3.2)6251Oii所以由式(3.1) 和式(3.2) 得：第 16 页 共 41 页(3.3)51634256)1()1(RUUiiO又因为输入共模电压 ，输入差模电压 ，将它/)(21iiic 12iiidU们带入式(3.3) 可得：(3.4)idicOURU)21(536456为了获得零共模增益，式(3.4)右边第一项必须为零，可取 此时，6453R电路得差动闭环增益为： 561Kd因为从传感器输出的最大有效电压信号为 90mv（根据传感器测量浓度范围确定） ，为了取得较大的 A/D 转换器输入信号，需要对其放大，取R3=R6=5000，R 4= R5=100，放大倍数为 51 倍。模数转换芯片可以采集最大电压，又不会超过上限。根据实际情况，瓦斯传感器的测量范围为 0-4%，对应的电压差为 0-90mA，如果 OP07 芯片两端加的电压太小，在低电压情况下可能达到饱和，而无法正常放大电压，经实测电压为+8V，-8V 可满足需要。3.4 A/D 转换模块设计在检测系统中，传感器输出的模拟信号首先由信号调理电路进行处理，如放大、硬件滤波、非线性补偿、信号变换等。信号调理之后，再将模拟信号转换成数字量，以便采用微处理器或微机系统进一步分析、处理、存储等。由模拟信号到数字信号的转换，是由数据采集系统来完成的。数据采集系统是对输入模拟信号进行长时间的数字化测量，从而获得大量数据以便进一步分析与处理的电路。它是外部被测模拟信号进入测量系统的前置通道，有时也称预处理系统。所谓数字化测量，就是以一定时间间隔测定某个时刻的瞬时值，再将其转换成数字量。3.4.1 ADC0808 芯片ADC0808 是采样分辨率为 8 位的、以逐次逼近原理进行模/数转换的器件。其第 17 页 共 41 页内部有一个 8 通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通 8 路模拟输入信号中的一个进行 A/D 转换。ADC0808 是 ADC0809 的简化版本，功能基本相同。一般在硬件仿真时采用 ADC0808 进行 A/D 转换，实际使用时采用ADC0809 进行 A/D 转换 12。芯片的引脚图如图 3.8 所示：图 3.8 ADC0808 引脚图1、ADC0808 芯片有 28 条引脚，采用双列直插式封装，如图 3-8 所示。下面说明各引脚功能。(1) IN0-IN7：8 路模拟量输入端；(2) D0-D7：8 位数字量输出端；(3) ALE：地址锁存允许信号输入端，高电平有效；(4) START： A/D 转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少 100ns 宽）使其启动（脉冲上升沿使 ADC0808 复位，下降沿启动 A/D 转换） ；(5) EOC：A/D 转换结束信号，输出，当 A/D 转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平） ；(6) OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当 A/D 转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量；(7) CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于 640KHZ；(8) REF(+)、 REF(-)：基准电压；第 18 页 共 41 页(9) Vcc：电源，单一5V；(10) GND：接地。(11) ADD-A、ADD-B、ADD-C：3 位地址输入线，用于选通 8 路模拟输入中的一路，地址线选取通道如表 3.2；表 3.2 ADC0808 地址线选取通道图通道选择 ADDA ADDB ADDCIN0 0 0 0IN1 1 0 0IN2 0 1 0IN3 1 1 0IN4 0 0 1IN5 1 0 1IN6 0 1 1IN7 1 1 1本设计中用的是通道 1，所以在程序中选择通道接口 ADDA,ADDB,ADDC 的值为000。2、ADC0808 的主要特性有：(1) 8 路输入通道， 8 位 A/D 转换器，即分辨率为 8 位；(2) 具有转换起停控制端；(3) 转换时间为 100s；(4) 单个5V 电源供电；(5) 模拟输入电压范围 05V，不需零点和满刻度校准；(6) 工作温度范围为 -4085 摄氏度；(7) 低功耗，约 15mW。3、ADC0808 的工作过程：首先输入 3 位地址，并使 ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通 8 路模拟输入之一到比较器。START 上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A/D 转换，之后 EOC 输出信号变低，指示转换正在进行。直到 A/D 转换完成，EOC 变为高电平，指示 A/D 转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可第 19 页 共 41 页用作中断申请。当 OE 输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。3.4.2 单片机和 ADC0808 的硬件连接电路ADC0808 和单片机系统的基本组成主要有单片机和 A/D 转换器。其中单片机是系统的核心部分，单片机发出控制信号以启动 A/D 转换器进行采样。系统的硬件设计在连接上应主要考虑三总线(控制总线、地址总线、数据总线)的连接。如图3.9 所示是一个 A/D 转换器与单片机的接口电路。图中 A/D 转换器选用的是ADC0808，单片机则选用 AT89C52。其中，ADC0808 是采样分辨率为 8 位的、以逐次逼近原理进行模数转换的器件。图3.9 单片机和 ADC0808 的硬件连接电路图3.5 单片机的选择单片机系统基本组成包括输入控制、输出显示、晶振、复位电路以及外围功能器件等。3.5.1 AT89C52 单片机的介绍AT89C52 是一个低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 8k bytes 的可反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 256 bytes 的随机存取数据存储器（ RAM） ，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元，AT89C52 单片机在电子行业中有着广泛的应用 13。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 1000 次。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C52 是一种高效微控制器 14。AT89C52 的主要特性为：1、与 MCS-51 兼容；第 20 页 共 41 页2、8K 字节可编程闪烁存储器寿命：大于 1000 写 /擦，3、时钟频率 0-24MHz；4、2 个读写中断口线，3 级加密位；5、256*8 位内部 RAM；6、32 个双向 I/O 口；7、3 个 16 位可编程定时/计数器中断；8、2 个外部中断源，共 8 个中断源；9、2 个串行中断，可编程 UART 串行通道；10、低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能；AT89C52 的引脚图如图 3.10 所示。图 3.10 AT89C52 的引脚图3.5.2 振荡器的特性XTAL1：接外部晶振的一个引脚。在单片机内部，它是一反相放大器输入端，这个放大器构成了片内振荡器。它采用外部振荡器时，此引脚应接地。XTAL2：接外部晶振的一个引脚。在片内接至振荡器的反相放大器输出端和内部时钟发生器输入端。当采用外部振荡器时，则此引脚接外部振荡信号的输入15。第 21 页 共 41 页XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2 应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度 16。3.5.3 单片机最小系统的设计单片机最小系统包括电源、外部晶振电路和手动复位电路：电源：40 脚、20 脚分别接电源，接地。外部晶振电路：当 XTAL1（19 脚）接外部晶体和微调电容时，该引脚输入外部时钟脉冲。一般采用频率为 12MHZ 的晶振，这时每一个机器周期为其 1/12，等于 1s，方便计算。手动复位电路：通过接通按钮，使单片机进入复位状态，即按下按钮时，通过设计好的电路使 RST（9 脚）保持两个机器周期的高电平，即可完成手动复位。单片机最小系统的设计如图 3.11图 3.11 单片机最小系统的设计3.6 LCD 显示电路设计单片机应用系统中，常用的显示器件有 LED（发光二极管显示器）和LCD（液晶显示器） 。这两种器件都具有成本低廉、配置灵活、与单片机接口方便的特点。本设计采用 LCD 显示。第 22 页 共 41 页在实际电路中，LCD 显示第一行显示瓦斯浓度（显示 wsnd） ，第二行显示设定的报警值（显示 alarm） 。3.6.1 LCD 显示器的特性与管脚功能1602 液晶也叫 1602 字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个 5X7 或者 5X11 等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用。LCD1602 的主要特性如下1、3.3V 或 5V 工作电压，对比度可调2、内含复位电路3、提供各种控制命令,如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能4、有 80 字节显示数据存储器 DDRAM5、内建有 192 个 5X7 点阵字型的字符发生器 CGR0M6、8 个可由用户自定义的 5X7 的字符发生器 CGRAMLC1602 的引脚如图 3.12 所示。图 3.12 LCD 显示器图16