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可燃气体在线检测装置设计 可燃气体在线检测装置设计可燃气体在线检测装置设计 Design of Flammable Gas Online Detection Device 可燃气体在线检测装置设计 I 可燃气体在线检测装置设计 电气工程及其自动化 刘娇艳 摘摘 要要 本文设计开发了一个具有无线收发功能的可燃气体浓度检测装置 采 用气敏电阻传感器 TGS813 和串行 A D 转换器 TLC2543 实现气体信号的采集 采用无线 收发芯片 nRF905 实现数据的开路传输 系统还设计了 LED 显示模块对测量值进行显 示 当气体浓度超标时 发出报警信号 同时 利用无线通讯模块 TC35i 以 GSM 网络 为平台把报警信息发送到用户手机 该装置提高了气体浓度检测的精度 可靠性高 适合各种复杂环境安装应用 同时 当出现问题能将报警信息及时通知到用户 关关 键键 词词 数据采集与检测 无线数据传输 显示 报警 GSM 通信 Design of Flammable Gas Online Detection Device Electrical engineering and automation specialty LIU Jiao yan Abstract This paper developed a wireless transceiver function has the combustible gas concentration measurement device the gas sensor resistance sensor TGS813 and serial A D converter TLC2543 realize gas signal collection Using wireless transceiver chip nRF905 realized data transmission open The system also has designed display module LED the measured value shows when gas chroma issued a warning signal At the same time the use of wireless communication mode TC35i to GSM network platform for the alarm messages to mobile phone users This equipment to increase the concentration of the gas detection accuracy high reliability suitable for all kinds of complex environment install applications At the same time when a problem can will alarm information timely notify to the user Keywords Data collection and test Wireless data transmission Display Alarm GSM communication 可燃气体在线检测装置设计 II 目 录 1 引言 1 1 1 课题背景 1 1 2 本课题的研究意义及研究内容 1 2 系统方案设计 2 2 1 系统功能 2 2 2 系统方案设计 2 3 硬件系统设计 4 3 1 传感器信号采集电路 4 3 1 1 气敏电阻传感器 TGS813 4 3 1 2 信号采集及调理电路 6 3 2 A D 转换电路 7 3 2 1 TLC2543 芯片 7 3 2 2 A D 转换接口电路设计 8 3 3 温度补偿电路 9 3 4 无线传输模块 10 3 4 1 nRF905 芯片 10 3 4 2 nRF905 接口设计 10 3 5 GSM 模块 11 3 5 1 GSM 通信模块 TC35i 11 3 5 2 SIM 卡 12 3 5 3 TC35i 电源电路 12 3 5 4 TC35i 接口电路 13 3 6 显示 报警电路 13 4 系统软件设计 15 4 1 采集模块程序设计 15 4 2 温度补偿模块程序设计 15 4 2 1 温度采集程序设计 15 4 2 2 温度补偿程序设计 16 4 3 无线收发程序设计 17 4 3 1 发送流程 17 4 3 2 接收流程 18 4 4 GSM 短消息程序设计 19 5 系统测试与误差分析 21 可燃气体在线检测装置设计 III 5 1 测试实验结果 21 5 2 误差分析 21 结束语 22 参考文献 23 致谢 24 附录 1 可燃气体在线检测装置设计 1 1 引言 1 11 1 课题背景课题背景 随着社会的发展 社会中对气体检测的应用越来越广泛 它不仅适用于石油 化 工 冶金 采矿 制药 半导体加工 喷涂包装等工业现场而且对家庭 商场 液化 气站 煤气站 加油站等民用商用需防火防爆 预防中毒 空气污染的场所 以及农 业温室气体检测 沼气分析 安全监控和环保应急事故 恐怖袭击 危险品储运等方 面 快速准确的对这些有毒 易爆 易燃气体加以监测 预报和有效控制成为目前急 需解决的重大课题 在这些可能发生可燃气体或有毒气体泄露的特殊场合 如果不能 及早发现并报警控制 就会导致有害气体浓度增加 在到达一定的限度时 就会发生 爆炸 火灾 中毒等严重后果 给个人和集体带来无法估量的损失 甲烷 一氧化碳 硫化氢等可燃易爆气体是造成重大安全事故的潜在原因 因此 对此类易燃 易爆气体的检测是安全生产的重要环节 当前 能够监测可燃气体的检 测技术成为了一种需求 同时 将无线通信技术引入到气体检测领域 不但可以解决 在高温 低温 有毒气体等特殊环境下的远程监控 还能有效解决无法布线情况下的 气体监控 及有线传输中存在的布线麻烦 故障难以检查的不足 有效的增强了系统 的监测和适应能力 1 21 2 本课题的研究意义及研究内容本课题的研究意义及研究内容 通过对国内外气体检测技术研究现状的讨论 我们知道虽然当前的气体检测技术 已经比较成熟 但是大多数产品都存在着功能单一 操作复杂 体积较大 价格昂贵 且灵敏度不高等缺点 随着科技的不断发展 仪器的功能也越来越全面化 将无线收 发通信技术应用到气体监测领域 不但可以解决在高温 低温 有毒气体等特殊环境 下的远程监控 还能有效解决无法布线情况下的气体监控 及有线传输中存在的布线 麻烦 故障难以检查的不足 有效的增强了系统的监测和适应能力 本课题设计了一 种功能齐全 带无线收发 操作简便 体积小 成本低 灵敏度较高的可燃气体检测 装置 并且能够实现温度补偿 较大的提高了系统的检测能力和测量精度 本文选择了适用于系统的气体传感器 TGS813 和温度传感器 DS18B20 并设计出了 信号调理电路 本系统的数据采集模块以微处理 AT89C52 为核心 A D 转换器为 TLC2543 无线通信模块采用无线收发芯片 nRF905 实现了数据的无线传输 系统电路 还设计了 LED 显示模块对测量值进行显示 当气体浓度超标时 发出报警信号 同时 利用无线通讯模块 TC35i 以 GSM 网络为平台把报警信息发送到用户手机 可燃气体在线检测装置设计 2 2 系统方案设计 2 12 1 系统功能系统功能 本课题设计的可燃气体检测装置是以高稳定性 高测量精度 以及能够实现数据 实时传输为目的的 主要功能如下 1 从机能实时采集气体浓度信号 要保证高精度 高灵敏性 2 实现无线通信 数据无线传输到主机 3 对气体浓度进行实时显示 4 当出现异常情况 发出报警信号 5 把报警信息及时发送到用户手机 保证异常情况及时处理 2 22 2 系统方案设计系统方案设计 根据上述系统实现的功能 现有如下设计方案 方案一 传感器 模块 信号调 理电路 从机 MCU 键盘调 节电路 显示电 路模块 nRF905 通信 nRF905 通信 主机 MCU 液晶显 示模块 报警提 示电路 串行 A D 图 1 整体系统框图设计 本方案分为主机和从机两部分 系统整体原理框图如图 1 所示 从机部分主要完成数据的采集和无线发送 传感器模块选用气敏电阻传感器 TGS813 完成气体浓度的采集 该传感器有较高灵敏度 由于传感器产生的信号比较微 弱 所以需要设计信号调理电路进行放大 稳压 经过调理后的信号仍为模拟信号 再设计 A D 转换电路将模拟信号转换成单片机接收的数字信号 处理后的数据通过无 线收发芯片 nRF905 发送 可燃气体在线检测装置设计 3 主机部分主要完成接收数据 显示和报警功能 通过无线收发芯片 nRF905 接收数 据 用液晶显示屏来显示气体浓度 当气体浓度出现异常时驱动扬声器发出报警信号 方案二 传感器 模块 信号调 理电路 MCU 键盘调 节电路 GSM通 信模块 显 示 电 路 模 块 串行 A D 声 光 报 警 电 路 图 2 整体系统框图设计 本方案将传感器 处理器以及通信设备集成一体系统 整体原理框图如图 2 所示 本方案采用气敏电阻传感器 TGS813 经过调理电路后的信号通过串行 A D 转换电 路将模拟信号转换成单片机接收的数字信号 处理后的数据用数码管来显示气体浓度 当气体浓度出现异常时 驱动扬声器发出报警信号 然后再通过 TC35i 模块 最后通 过 GSM 平台把报警信息发送到用户手机 方案三 传感器 模块 信号调 理电路 从机 MCU nRF905 通信 nRF905 通信 主机 MCU 显示报警电路 串行 A D 温度补 偿电路 GSM模块电路 图 3 整体系统框图设计 可燃气体在线检测装置设计 4 本方案分为主机和从机两部分 系统整体原理框图如图 3 所示 从机部分主要完成数据的采集和无线发送 1 可燃气体传感器 完成气体浓度的采集 我们选择气敏电阻传感器 TGS813 该 传感器对可燃气体灵敏度很高 2 传感器产生的信号比较微弱 需要通过信号调理电路进行放大 稳压 经过调 理后的信号仍为模拟信号 再设计 A D 转换电路将模拟信号转换成单片机接收的数字 信号 3 为了进一步提高测量精度 减小温度对测量结果的影响 设计了温度补偿电微 处理器路 通过 DS18B20 采集温度信号 4 单片机将采集的可燃气体浓度信号 温度信号进行处理 通过软件实现温度补 偿 5 处理后的数据通过无线收发芯片 nRF905 发送 主机部分主要完成接收数据 显示和报警的功能 1 通过无线收发芯片 nRF905 接收数据 2 4 位 LED 数码管用来显示气体浓度 3 当气体浓度出现异常时驱动扬声器发出报警信号 4 利用 TC35i 模块 通过 GSM 平台把报警信息发送到用户手机 经过分析论证 方案一采用主机和从机分离的方法 可以实现多点综合观测 但 其使用范围有限 必须确保工作人员坚守主机前 方案二采用 GSM 通信模块 把报警 信息发送到用户手机 这样方便直接传递在线检测信息 但由于高集成度的设计 使 其观测范围受到局限 方案三不仅继承了方案一的主从分离的优点 也继承了方案二 方便直接传递报警信息的优点 综合考虑最终选用方案三 3 硬件系统设计 根据第 2 章系统总体框图 本章主要对系统中的各个模块功能 实现方案进行了 分析 说明 并对各模块中芯片选择以及硬件电路的实现进行了分析 从机部分完成数据的采集和无线发送 包括气体浓度采集电路 温度补偿电路 微处理器和无线发送模块 主机部分接收数据 并在情况异常时发出报警信息 主要 包括微处理器 无线接收模块 显示报警模块和 GSM 短消息单元 3 13 1 传感器信号采集电路传感器信号采集电路 传感器信号采集电路主要完成气体浓度的采集及采集信号的放大 稳压处理 可燃气体在线检测装置设计 5 3 1 1 气敏电阻传感器气敏电阻传感器 TGS813TGS813 传感器是检测系统中重要的部分之一 传感器的精度 灵敏度将直接影响检测结 果 根据本系统所检测气体的类型 要求以及器件的性价比 本设计利用电阻式气敏 元件检测气体浓度 气敏传感器选择日本费加罗公司生产的 TGS813 型传感器 外形如 图 4 所示 该气敏电阻传感器元件主要具有如下特点 1 适用于较宽范围的可燃气体 对多种气体都 灵敏的普敏气体传感器 2 响应灵敏度高 尤其是对甲烷 丙烷 异丁 烷等气体 寿命长 低成本 3 耗散功率不超过 15mW 4 搭配简单电路即可使用 在使用 TGS813 气敏电阻传感器时 我们首先要 确定 R0的值 该值是通过测定传感器在空气中甲烷 为 1000ppm 时的电阻得到的 在应用时把该值视作 单位 1 如图 5 所示 图 4 TGS813 传感器外形图 图 5 TGS813 灵敏度特性 TGS813 传感器需要同时施加两个工作电压 加热器电压 VH和回路电压 VC VH施加 在集成的加热器上 用于维持敏感素子处于与对象气体相适应的特定温度 VC则是用 于测定与传感器串联的负载电阻 RL上的两端电压 VRL 在应用过程中 只要能满足传感器电气特性的相关要求 也可以使用同一个电源 对传感器进行供电 以简化电源设计 不过单电源供电通常会产生一些无意义的功耗 可燃气体在线检测装置设计 6 气敏元件的功耗对应的计算如公式 1 所示 为了使敏感素子的功耗 PS低于 15 mW 的限 度值 需要选择适当的 RL值 TGS813 基础测量电路如图 6 公式 1 P 2 S LS SC RR RV 图 6 TGS813 基础测量电路 其中 公式 2 L RL C S R V V R 1 通过设计简单的带有负载的电桥电路 就可以将气敏电阻传感器的电阻比转换成 可以识别的电压信号 负载电阻 RL 由传感器特性曲线可知 输出的电压信号与被检 测的气体浓度成线性关系 通过此电压信号就可以推算出当前目标气体的浓度 通过电桥电路产生的输出电压信号一般比较微弱 需要做相应的调理 使之转换 成适合 A D 转换芯片的电压 才能做进一步的处理需要 3 1 2 信号采集及调理电路信号采集及调理电路 图 7 气体浓度信号采集电路 TGS813 数据采集电路见图 7 TGS813 的基本原理是将气敏电阻传感器的电阻比 气敏输出特性转换成可以测量的电压信号 即把气敏电阻 RS的变化转换成 A3端输出 电压信号 用以检测可燃性气体浓度 本系统中 R0 R9 R10和 RS构成一个电桥 实现 可燃气体在线检测装置设计 7 电阻到电压的转换 LM324 中运算放大器 A 接电压跟随器 和电阻 R7 稳压管 D1组成 稳压电路 为电桥供电 以提高电桥激励电压的稳定性 电桥转换后的输出电压通过 LM324 的另外一个运算放大器 B 进行放大 放大倍数可通过电阻 R11进行调节 以便于 输出合适的电压供 A D 转换 3 23 2 A DA D 转换电路转换电路 A D 转换电路将采集到的模拟信号转换成单片机接收的数字信号 3 2 1 TLC2543 芯片芯片 本次采用的 A D 芯片是 TI 公司的 TLC2543 该芯片是 TI 公司生产的一种 12 位串 行模数转换器 使用开关电容逐次逼近技术完成 A D 转换过程 由于 89C52 本身 I O 资源不是很丰富 所以采用串行输入结构 可以节省单片机很多 I O 资源 12 位分辨 率 A D 转换器 10 s 转换时间 以及 11 个模拟输入通道 66kbps 的采样率是它的主 要特点 TLC2543 片内结构框图如图 8 图 8 TLC2543 片内结构框图 TLC2543 不仅具有高速的转换速度外 片内还集成了 14 路多路开关 其中 11 路为 外部模拟量输入 3 路为片内自测电压输入 在转换结束后 EOC 引脚变为高电平 转 换过程中由片内时钟系统提供时钟 无需外部时钟 在 A D 转换器空闲期间 可以通 过编程方式进入断电模式 此时器件耗电只有 25pA 转换过程系统上电后 CS 的电平必须从高到底以开始一次 I O 周期 内部控制寄 存器被置零 并且 EOC 为低电平 为了对芯片初始化 CS 先被单片机置高 再被置低 后开始下一次 I O 周期 第一次输出结果是随机的 应忽略 在采样周期中 当时钟 信号从 I O CLOCK 端依次加入 在时钟信号的上升沿控制字从 DIN 一位一位地被送入 TLC2543 高位先送入 同时上一周期转换的 A D 数据 既输出数据寄存器中的数据 从 DOUT 一位一位的移出 TLC2543 收到第 4 个时钟信号后 通道号也已收到 此时 TLC2543 开始对选定通道的模拟量进行采样 保持采样方式直到 8 个 I O CLOCK 下降沿 可燃气体在线检测装置设计 8 这取决于对控制寄存器有管数据长度的设定 到最后一个 I O CLOCK 下降沿 EOC 变低 开始对本次采样的模拟量进行 A D 转换 转换时间约为 10 s 转换完成后 EOC 变高 转换的数据在输出数据寄存器中 待下一个工作周期输出 此后 可以进行新的工作 周期 其时序图如图 9 图 9 TLC2543 工作时序图 3 2 2 A D 转换接口电路设计转换接口电路设计 目前使用的 51 系列单片机没有 SPI 接口 TLC2543 提供 SPI 接口 对于 89C52 须 用软件合成 SPI 操作来和 TLC2543 接口 TLC2543 的 I O CLOCK DIN 和 CS 端由单片 机的 P1 2 P1 3 和 P1 5 提供 TLC2543 转换结果的输出 DOUT 数据由 P1 4 接收 单片机通过编程产生串行时钟 即由 CLK 先高后低的转变提供串行时钟 并按时 序发送与接收数据位 完成通道方式 通道数据的写入和转换结果的读出 用累加器和 带进位的左循环移位指令来合成 SPI 功能 其电路如图 11 所示 可燃气体在线检测装置设计 9 图 10 A D 转换接口电路 3 33 3 温度补偿电路温度补偿电路 TGS813 的 RS 随温度变化较大 检测结果受温度影响比较大 为了提高系统精度 必须对结果进行温度补偿或温度修正 本系统中 通过温度传感器采集温度 然后采 用软件方法对测量值进行温度修正 温度传感器选择美国 Dallas 公司生产的支持 一 线总线 接口的数字化温度传感器 DS18B20 测温原理图如图 11 所示 图 11 DS18B20 测温原理图 可燃气体在线检测装置设计 10 DS18B20 数字式温度传感器 与传统的热敏电阻有所不同的是 使用集成芯片 采 用单总线技术 其能够有效的减小外界的干扰 提高测量的精度 同时 它可以直接 将被测温度转化成串行数字信号供微机处理 接口简单 使数据传输和处理简单化 部分功能电路的集成 使总体硬件设计更简洁 能有效地降低成本 搭建电路和焊接 电路时更快 调试也更方便简单化 这也就缩短了开发的周期 DS18B20 单线数字温度传感器 即 一线器件 其具有独特的优点 采用单总线 的接口方式与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与 DS18B20 的双向通 讯 单总线具有经济性好 抗干扰能力强 适合于恶劣环境的现场温度测量 使用方 便等优点 使用户可轻松地组建传感器网络 为测量系统的构建引入全新概念 测量 温度范围宽 测量精度高 DS18B20 的测量范围为 55oC 125oC 在 10 85oC 范围 内 精度为 0 5oC 足够我们的使用 DS18B20 在使用中不需要任何外围元件 DS18B20 含有寄生电源 可以使用外部电源 也可 以使用内部的寄生电源 当 VDD 端口接 3 0V 5 5V 的电压时是使用外部电源 当 VDD 端口接地时使用 了内部的寄生电源 无论是内部寄生电源还是外部 供电 I O 口线要接 5K 左右的上拉电阻 DS18B20 与单片机接口电路如图 12 所示 图 12 DS18B20 接口电路 3 43 4 无线传输模块无线传输模块 经过处理后的数据通过无线收发芯片 nRF905 由从机发送到主机 3 4 1 nRF905 芯片芯片 nRF905 芯片为挪威 Nordic VLSI 公司生产的单片射频收发器 32 引脚 QFN 封装 5 5mm 工作电压 1 9 3 6V nRF905 芯片可自动处理字头和完成 CRC 循环冗余码 校验 工作 nRF905 芯片一次的数据传输量最大为 32B nRF905 芯片由频率合成器 功率放大器 接收解调器 调制器和晶体振荡器组成 不用外加声表滤波器 nRF905 芯片由微控制器和 SPI 接口实现数据传输 再经 Shock BurstTM 收发模式发送无线数据 工作稳定 当芯片以 10dBm 的输出功率发射数据时 电流只有 11mA 功率损耗低 而芯片在数据接收模式时 其电流也仅为 12 5mA 1 nRF905 工作模式 nRF905 共有四种工作模式 分别为 ShockBurstT 接收和 ShockBurstTM 发送两种工作模式 关机和空闲两种节能模式 可燃气体在线检测装置设计 11 2 nRF905 的芯片配置 nRF905 芯片是通过 SPI 接口把所有配置字送给 nRF905 SPI 命令设置 SPI 接口的工作模式 只有 nRF905 在空闲模式或关机模式状态 时 SPI 接口才保持在工作状态 微处理器对 SPI 总线的设置有读和写两种操作 3 4 2 nRF905 接口设接口设计计 图 13 nRF905 与单片机接口电路图 nRF905 与 MCU 之间通过 SPI 接口进行数据和命令交互 为了降低硬件成本同时保 证一定的传输距离 图 13 为典型的接口电路图 根据 nRF905 芯片的 datasheet 围配 置电路参考表 来确定芯片外围电路的匹配电阻 电容和电感的取值 接口电路图如 图 13 所示 3 53 5 GSMGSM 模块模块 GSM 模块主要利用 TC35i 单元 通过 GSM 平台把报警信息发送到用户手机 3 5 1 GSM 通信模块通信模块 TC35i TC35i 是西门子公司的最新产品 该无线模块功能上与 TC35 系列兼容 因而 产 品在设计时体积可以大大缩小 TC35i 集成了完整的射频电路和 GSM 的基带处理器 特 别适合于开发一些 GSM 的无线应用产品 如监控 调度 车载和遥控等系统 也可以 直接作为终端产品进行语音和数据的传输 应用范围十分广泛 此模块性价比很高 并且已经有国内的无线电设备入网证 其主要部分和功能简介如下 可燃气体在线检测装置设计 12 1 GSM 基带处理 GSM 基带处理器是核心部件 是一个单芯片混合信号基带 IC 它包含了移动电话所有的模拟和数字信号处理功能 支持 FR HR 和 EFR 语音编码 通过 C166CPU 和一个 DSP 处理器完成信号的传输 转换 放大等处理 其主要功能有 可编程 PLL 串行方式的 RF 控制 SIM 卡的读写 语音信号的 A D 和 D A 转换 包含 基带滤波 等 它的作用相当于一个协议处理器 用来处理外部系统通过接口发送过 来的 AT 指令 控制其它所有设备的工作 主要完成对输入信号的检测 检测到异常情 况后短消息的发送 接收到的短消息的解析 根据收到的短消息作出相应的动作 以 及 EEPROM 的读写等 2 射频部分 GSM 射频部分是一个单片机收发器 主要实现信号的调制与解调 实现外部射频信号与内部基带处理器之间的信号转换 射频 RF 模块的核心是收发 SMARTi 它包含了一个外差式接收器 上变频调制环路发射器 全集成的中频 IF 合成器和射频锁相环路 共同完成对射频信号的接收和发送处理 接收器的主要特点 有 两个低噪声 RF 混频器用于不同的频段 可编程增益控制 IF 正交解调 差分 I Q 输出 发射器的主要特点有 差分 I Q 输入 IF 正交调治 集成中频滤波器 3 ASIC 电源模块 该模块能够利用线性电压调整器把外部输入的电源电压 VBTT 进行稳压 然后为 GSM 基带处理器和 GSM 射频 RF 模块提供电源 同时也为用 户提供标准的 2 9V 70mA 电源使用 4 ZIF 插座 TC35i 的用户应用接口采用 40 脚的 ZIF 插座 其中包含的引脚功 能有 3 3 5 5V 峰值为 2A 的直流电源 模拟音频输入输出接口 标准的 RS232 信号接 口共 8 个引脚 SIM 卡连接引脚数为 6 个 3 5 2 SIM 卡卡 在当今的移动通讯领域中 ETSI 推出的 GSM 系统以其保密性强 频谱效率高 系统容量大且能提供非话业务等诸多优点而成为国际标准在世界范围内得到极为广泛 的应用和十分迅速的发展 SIM 卡是数字蜂窝移动电话的用户识别卡 它的全称是 用户识别模块 在 GSM 数字移动电话系统中 SIM 卡起着极其重要的作用 它既是手持机的一个重要组成部分 又是为每一个 GSM 移动电话用户配备的身份卡 它使 我拥有手持机 的传统观念转 变为 我拥有数字移动电话使用卡 的新概念 SIM 卡中存放着与用户信息相关的数据 可以分为三类 第一类 固定存放的数据 此类数据在移动电话机被出售之前由电信经营部门写入 如国际移动用户识别号 IMSI 用户身份证认证关键字 或称密钥 KI 加密算法 用户帐号等 第二类 暂时存放的有关网络的数据 如位置区域识别码 LAI 移动用户暂时保密号 TMSI 被禁止接入的公共电话网代码 第三类 相关业务代码 如个人识别码 PIN 解锁 码等 可燃气体在线检测装置设计 13 3 5 3 TC35i 电源电路电源电路 TC35i 需要 3 3 4 8V 电源 GSM 在使用过程中 电流变化非常大 空闲时电流不 大于 3 5mA 而在启动连接传输登陆网络过程时电流最大可到 2A 同时 要求压降要 小于 400mV 保证最低电压要高于 3 3V 因此 GSM 对供电电路的设计要求很高 否则 如果在数据传输时电压的波动大于了 400mV TC35i 就会认为是电压过低而自动关闭 因此电路的电源线要尽可能短 在电路设计中可以把 ZIF 零阻力插座 接口的电源和 其他的电源分开供电 可采用大功率器件 高稳定的开关电源供电 本系统选用 LM1117 三端稳压器 输出电压为 3 3v 工作电流为 1 0A 具体电路见图 14 图 14 TC35i 电源电路 3 5 4 TC35i 接口电路接口电路 单片机与 TC35i 之间通过串口进行通讯 通讯速率为 9600bps 采用 8 位异步通讯 方式 1 个起始位 8 个数据位 1 个停止位 由于 TC35i 的串行输入口需要 CMOS 电平 而 89C51 串行输出的是 TTL 电平 因此采用电阻分压的方式来实现电平转换 TC35i 内部无 SIM 卡座 需要外接 与 SIM 卡座相连的有 5 个引脚 CCIN 为 SIM 卡到位检测 可不用 分别为 CCVCC 电源 CCGND 地 CCRST 复位 CCCLK 时 钟 和 CCIO 数据 GSM 基带处理器集成了一个与 ISO7816 3IC Card 标准兼容的 SIM 接口 因而在模块外另加 SIM 卡通过 ZIF 连接器和模块相连是很容易实现的 但是在 SIM 卡接口设计时 为了保证更高的稳定性 ZIF 连接器和卡座引脚的最大长度不应超 过 200mm 在 GSM11 11 为 SIM 卡预留 5 个引脚的基础上 TC35i 在 ZIF 连接器上为 SIM 卡接口预留了 6 个引脚 CCIN 为所添加的引脚 用来判断 SIM 卡卡槽中有没有 SIM 卡 有 SIM 卡 则置该引脚为高电平 1 同时系统进入正常工作状态 但是目前移动运 营商所提供的 SIM 卡均无 CCIN 引脚 所以在设计电路时将引脚 CCIN 与 CCVCC 相连 可燃气体在线检测装置设计 14 在工作时 TC35i 的 SYNC 引脚有两种工作模式 可用 AT 命令 AT SSYNC 进行切换 一 种是指示发射状态时的功率增长 另一种是指示 TC35i 的工作状态 本模块使用的是 后一种功能 当 LED 熄灭时 TC35i 为关闭或睡眠状态 当 LED 为 600ms 间隔亮灭时 则 TC35i 为进行网络登陆状态或 SIM 卡没有插入 当 LED 为 75ms 亮 3s 灭时 则 TC35i 为网络登陆成功待机状态 其电路图如 15 所示 图 15 TC35i 与单片机接口电路 3 63 6 显示 报警电路显示 报警电路 显示电路主要用 LED 做为信号显示工具 LED 显示已应用在现代生活的各个方面 交通信号灯 广告显示牌 安全信号显示 工具信号灯以及仪器设备显示等场合 本 装置的显示电路应用 LED 的动态显示方式 满足要求的同时 结构简单 成本 主机 部分单片机接收气体浓度信号后通过数码管进行显示 并且当浓度超过上限时驱动扬 声器报警 本系统选用了 4 位共阴数码管 显示数据通过 P0 口送到数据锁存器 送到数码管 P2 0 P2 1 P2 2 P2 3 四个口作为控制端 分时轮流控制各个 LED 数码管的 COM 端 就使各个数码管轮流受控显示 每位数码管的点亮时间为 1 2ms 动态显示的效果和 静 态显示是一样的 能够节省大量的 I O 口 而且功耗更低 显示电路如图 16 可燃气体在线检测装置设计 15 图 16 显示电路 报警电路由单片机 P2 5 引脚产生报警信号驱动蜂鸣器报警 报警电路如图 17 图 17 报警电路 4 系统软件设计 在对系统硬件设计之后 本章将介绍系统的软件设计 系统的软件主要包括采集 模块程序设计 温度补偿程序设计 显示程序设计 无线收发程序设计 4 14 1 采集模块程序设计采集模块程序设计 可燃气体在线检测装置设计 16 采集模块主要是获得传感器的数据 该部分主要是利用 TGS813 采集温度信号 并 通过 12 位串行 A D 转换器 TLC2543 转换成数字信号 再由单片机读入数据进行相应的 处理 数据采集的间隔为 500ms 通过定时器来设定 就是在每次定时器中断到来时 启动 A D 转换 读取 A D 转换结果 并在得到数据设置一个标志位 通知主程序 告 诉主程序已经得到新的数据 开始时 CS 片选为高 I O CLOCK DATA INPUT 被禁止 DATA OUT 呈高阻状 EOC 为高 工作时必须将片选 CS 置低电平 然后用软件产生时钟脉冲并加到 CLK 端 在时 钟脉冲作用下 TLC2543 一方面从 DOUT 端口输出上次转换的结果 同时从 DIN 端口输 入下一次的操作指令 在第 12 个时钟下降沿 EOC 变低 开始对本次采样的模拟量进 行 A D 转换 转换时间约需 10 s 转换完成后 EOC 变高 转换的数据在输出数据寄存 器中 待下一个工作周期输出 此后 可以进行新的工作周期 4 24 2 温度补偿模块程序设计温度补偿模块程序设计 在利用气敏传感器检测气体浓度时 测量结果受温度影响较大 需要实时根据介 质温度来修改气体浓度 本系统采用了美国 DALLAS 半导体公司的温度传感器 DS18B20 作为测温元件 该传感器可以直接读出被测温度值 4 2 1 温度采集程序设计温度采集程序设计 温度测量时先调用 DS18B20 初始化子程序 它主要是查找总线上是否存在 DS18B20 存在就发送启动温度转换 当 DS18B20 接收到温度转换命令后 开始启动温 度转换 转换完成后的温度值就以 16 位带符号扩展的二进制补码形式存储在其内部高 速暂存存储器的第 1 2 字节 单片机可以通过单线接口读出该数据 读数据时先读低 位 后读高位 DS18B20 温度读取流程如图 18 所示 可燃气体在线检测装置设计 17 开始 DS18B20初始化 主机发出Skip ROM指令 主机发出温度转换指令 等待转换 DS18B20初始化 主机发出Skip ROM指令 读RAM指令 返回低12位值 图 18 温度读取流程 4 2 2 温度补偿程序设计温度补偿程序设计 气敏传感器 TGS813 检测气体浓度时 测量结果受温度影响较大 TGS813 温度与电 阻率变化关系如图 19 所示 图 19 TGS813 电阻率随温 湿度变化图 由图 20 可见 电阻率变化与温度有关 需要实时根据介质温度来校正气体浓度 本系统的温度补偿主要依据图 20 把温度与电阻率变化关系在单片机内部制成相应的 可燃气体在线检测装置设计 18 转化关系表 通过查表的方式进行快速校正 这样 有利于加快整个系统检测的采样 率 提高系统效率 4 34 3 无线收发程序设计无线收发程序设计 数据的收发主要由无线收发芯片 nRF905 完成 4 3 1 发送流程发送流程 nRF905 数据发送流程 1 首先 在通信协议和器件配置时确定好 SPI 接口的速率 然后 在微控制器要 发送数据时 按时序经 SPI 接口 把接收机的地址和需要发送的数据发给 nRF905 将 采集到的信息数据写入 TxBuf 寄存器 经 SPI 时序发送 WTP 指令 为写入 TX 有效数据 做好准备 然后 将 TX 有效数据写入 TX Payload 寄存器 经 SPI 时序发送 WTA 指令 为写入 TX 地址做好准备 然后向 TX Address 寄存器写入 TX 地址 发送过程完成 2 微控制器把 TRX CE 和 TX EN 置高 nRF905 的 ShockBurstTM 发送模式激发 发 送数据完成后 置高数据准备好引脚 3 置高 AUTO RETRAN 引脚 则 nRF905 数据不断重发 直到 TRX CE 置低 4 查询 TRX CE 引脚 被置低 则 nRF905 数据发送完成 进入空闲模式 nRF905 数据发送过程中 ShockBurstTM 工作模式保证 无论 TRX EN 和 TX EN 是 高电平还是低电平 只要开始数据的发送 在 nRF905 发送完之前 都不能接收下一个 发送数据包 直到该发送数据过程完成 具体流程图 20 所示 初始化系统 将数据存入Rxbuf寄存器 计算校验码 加上数据头 写WTP指令 写WTA指令 将Rxbuf寄存器的值导入 发射寄存器TX playload 向TX Address寄存器写入 TX的地址 置TRX CE 1 开始发送数据 nRF905加字头和CRC校验码 将数 据打包发送 发送完成 置TRX CE 0 延时50ms 返回 开始 图 20 无线数据发送模块的软件流程图 可燃气体在线检测装置设计 19 4 3 2 接收流程接收流程 nRF905 数据接收流程 1 由表 3 1nRF905 工作模式可知 TRX CE 为 1 TX EN 为为 0 时 器件进入 ShockBurstTM 接收模式 不断查询 等待数据接收信号 2 当 nRF905 查询到载波信号且频段相同时 置载波检测引脚为 1 3 nRF905 收到一个相匹配的地址信号时 置地址匹配引脚为 1 4 nRF905 数据正确接收完毕 则把字头 地址和 CRC 校验位自动除去 置准备数 据好引脚为 1 5 微控制器置 TRX CE 为 0 nRF905 为空闲模式 通过 SPI 端口 以匹配的速率 把数据移送到微控制器寄存器内 6 当全部数据接收结束 nRF905 置数据准备好引脚和地址匹配引脚为 0 nRF905 进入 ShockBurstTM 发送模式 ShockBurstTM 接收模式或关机模式之一 数据接收过程中 如果改变 TRX CE 或 TX EN 引脚的状态 nRF905 也随即改变工作 模式 就会丢失数据包 微处理器收到地址匹配引脚有效信号后 判断 nRF905 正在接 收数据包信息 微处理器决定置 nRF905 中断数据接收为另一个工作模式还是继续该数 据接收 系统数据接收流程如图 21 所示 初始化系统 置TX EN 0 TRX CE 1 进入初始化系统 检测DR 1 写RRP指令 接收的数据存入RXbuf寄存器 等待nRF905 置低DR和AM 置TRX CE 1 返回 N Y 开始 图 21 无线数据接收模块的软件流程图 可燃气体在线检测装置设计 20 4 44 4 GSMGSM 短消息程序设计短消息程序设计 GSM 引擎模块为模块中与 SMS 有关的 GSMAT 指令提供的命令接口 符合 GSM07 05 和 GSM07 07 规范 短消息模块收到短消息时 通过串口发送指示 消息数据终端设备 可以向 GSM 模块发送各种命令 短消息的实现主要有短消息中心地址的设置 短消息 格式的设置 短消息发送 短消息接收 短信息的删除等操作 1 短消息中心地址设置 AT CSCA 设置及更新短消息的中 心地址 为短消息中心地址 为地址类型识别码 表示回车键 2 短信息格式的设置 AT CMGF mode 为 0 时 代表 PDU 格式 mode 1 时 代表 Text 格式 3 短消息发送命令 AT CMGS PDU is given 在该 命令中 先发送命令 AT CMGS 然后等待 TC35i 模块返回 字符 返 回字符后 再具体输入 PDU 的内容 并以字符 ctrl Z 结束 在基于 PDU 格式的短 消息中 所有参数均在 PDU 数据包里 4 读短消息命令 AT CMGR INDEX主要用来阅读指定位置的短消息 5 删除短消息命令 AT CMGD INDEX删除指定位置的短消息 在单片机自身的初始化后 设置串口的波特率为 9600 然后 开始检测 SIM 卡 如果检测结果是无 SIM 卡 无 SIM 卡则返回消息进行提示 如果有则进一步向下运行 设置短消息的工作模式 注意 在查询完网络运营商后 当前国内只有移动和联通两 家移动运营商 故只需要设置移动短消息中心号码和联通短消息中心号码 TC35i 的初 始化流程图如图 22 所示 设置串口通信模式 检查有无SIM卡 设置短消息方式 查询网络运营商 设置短消息中心号码 Y N 图 22 TC35i 的初始化流程图 可燃气体在线检测装置设计 21 主机接收从机无线传输的数据 将数据通过 LED 数码管进行显示 将气体浓度值 与极限值进行比较 不在允许范围内则系统发出报警信号 并将该信息通过 TC35 短信 模块发送给用户手机 其流程图如图 23 所示 开始 初始化 设置极限值 接收数据 超出极限 发送消息 发送成功 已发送3次 结束 Y Y N Y N N N 图 23 TC35i 发送消息流程 TC35i 异常状态可以分成几类 TC35i 损坏或者物理连接故障 SIM 卡损坏 SIM 卡欠费 受到非期望信息 在主程序中 检测到这些状态后 进入异常状态处理模块 进行处理 终端源产生中断后 单片机应用系统就会发出指令执行相应的报警程序 报警信息通过 SIM 形式发到用户手机上 使用户采取相应的处理措施 用户可将 SIM 卡上电话簿的第一个号码设为报警号码 应用系统的中断源一产生中断就会以短消息 的形式将报警信息发给报警号码 从而实现向用户报警的目的 图 24 为监测报警流程 图 报警数据 是否触发报警程序 进行报警程序 短消息发送 用户手机接收 N Y 可燃气体在线检测装置设计 22 图 24 检测报警流程图 5 系统测试与误差分析 通过前边的章节 主要介绍了该可燃气体无线检测装置的原理 硬件连接及软件 的实现 本章主要对所设计的装置进行测试 并对测试结果进行整理分析 以便更好 的理解装置的优缺点 为今后的改进工作建立数据支持 5 15 1 测试实验结果测试实验结果 1 数据采集测试结果 数据采集过程是在不同温度条件下进行的 温度的调节是 靠室内空调进行 主要对室内空气中甲烷的浓度进行了测量 在甲烷实际浓度不变 浓度为 3000ppm 的情况下 对有无温度补偿进行了不同的测量 测试结果表明 在 温度从 10OC 变化到 35oC 时 有温度补偿的情况下 所测的甲烷浓度基本相同 即温度 的变化对结果的影响较小 只有略微的差异 但在无温度补偿的情况下 测试结果相 差较大 产生较大误差 可见 在本检测装置中加入温度补偿单元可较好的保证测试 结果的精度 误差一般可控制在 5 F S F S 代表满量程 可见 温度补偿效果较 好 2 无线通信测试结果 通过对测试数据的无线发送和接受的测试 基本达到了收 发功能的要求 并且 无线收发的距离可达 400m 收发数据正常 证明此功能能够正 常工作 能够实现无线传输 3 GSM 短消息发送结果 经测试 用户通过一部手机 能够接收到 GSM 模块发送 报警信息 证明此功能可以实现 5 25 2 误差分析误差分析 仪器测量的误差是测量过程中的一个基本问题 任何一种测量都不可避免地存在 着误差 误差的确定对于表示和分析测量仪器的准确性 研究和改善测量准确度起着 重要的作用 本装置的误差主要来源于几个方面 环境温度湿度的不同 信号的干扰 及单片机 ADC 模数转换本身误差的影响等 在检测过程中 外部电源给检测装置供电 由于受到外部环境温度和湿度变化的 影响 可能使电源产生过压 欠压 浪涌 及峰尖干扰等 这些受到干扰的噪声信号 会通过电源内阻耦合到检测装置的电路 从而产生测量结果的误差 甚至会给系统造 成很大的损坏 抑制这些噪声的主要方法设计更加合理的电源 是电源电压更稳定 信号的干扰主要有以下几种 共模干扰是在检测装置中 各种信号的电流通过电 源内阻和公共地线阻抗时产生的电压干扰 静电耦合干扰是检测装置中内部电路之间 存在的寄生电容 使得检测装置中一部分电路信号的变化对其他电路的干扰 传导干 可燃气体在线检测装置设计 23 扰是脉冲信号在检测装置传输过程中出现的延时 波形变形并接收干扰信号而产生 抑制这些干扰的主要方法是给系统接合理的地线 接去耦电容等 TGS813 传感器在气体的检测过程中受温度湿度的变化影响较大 在采用 一线总 线 数字化温度传感器 DS18B20 进行温度测量时 用软件查表的方式 对气体浓度大 小进行了补偿 减少了温度变化产生的误差 从而减小了温度对测量结果的影响 本 系统中没有考虑湿度对气体浓度检测信号的影响 所以测量结果仍然存在一定的误差 也是该方案今后需要改进的地方 该系统采用的 TLC2543ADC 模数转换器的转换位数是 12 位串行模数转换器 不可 调误差范围在 0 5 LSB 3 LSB 之间 对应模拟量的偏差最大可达到 0 2mV 可燃气体在线检测装置设计 24 结束语 利用传感器工作的基本原理 本文设计了基于 AT89C52 单片机的具有无线传输功 能的可燃气体检测装置 该装置数据采集单元采用性能优越的 TGS813 传感器 同时配 有温度补偿单元 有效提高了系统的测量精度 设计了无线收发模块对数据进行开路传输 此外 电路还设计了显示模块对测量 值进行显示 当气体浓度超标时 发出报警信号 同时把报警信息发送到用户手机 本文归纳起来主要完成了以下工作 1 对系统整体结构进行了规划设计 完成了系统总体方案设计和系统模块化设计 针对系统高精度和高可靠性的要求 对系统的主要元器件进行了选型 2 对传感器信号采集的基本