家用煤氣泄漏控制器硬件設計畢業(yè)論文

1、家用煤氣泄漏報警控制器硬件設計畢業(yè)論文 畢 業(yè)?論 文 畢業(yè)設計題目:家用煤氣泄漏報警控制器 硬件設計 摘 要 當今社會上,出現(xiàn)了許多煤氣報警器,而這些產(chǎn)品大都是針對煤氣的泄漏所做出的相應的報警,即為家庭式。但是隨著社會的發(fā)展,煤氣報警器也在發(fā)展。微機控制技術(shù)、傳感器在工業(yè)控制、機電一體化、智能儀表、通信、家用電器等方面得到了廣泛應用,顯著提高了各種設備的技術(shù)水平和自動化程度。因此對這些原理和結(jié)構(gòu)我們就需要很好的了解并掌握。 煤氣報警系統(tǒng)采用了RCM5700為系統(tǒng)的CPU,通過單片機系統(tǒng)設計實現(xiàn)對家用煤氣的控制功能,由NG-CO-001電化學一氧化碳氣體傳感器對煤氣進行檢測,將所得的濃度值與設

2、定濃度值相比較得到偏差。通過對偏差信號的處理獲得控制信號,去調(diào)節(jié)煤氣出氣閥的通斷,四個單元的煤氣濃度對應模擬量利用A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,并加入了鍵盤輸入,從而實現(xiàn)對家用煤氣漏氣的控制。整個系統(tǒng)的硬件電路設計合理,性能安全可靠。 關(guān)鍵詞: 電位器采樣 報警臨界值 煤氣濃度 目錄1、緒論1 1.1、課題研究的背景1 1.2、課題研究的目的1 1.3、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)2 1.4、系統(tǒng)設計基本內(nèi)容42、系統(tǒng)設計技術(shù)基礎(chǔ)5 2.1、系統(tǒng)實現(xiàn)方案與選擇5 2.2、MINI CORE芯片選擇7 2.3、一氧化碳傳感器的選擇15 2.4、儀表放大器的選擇21 2.5、A/D轉(zhuǎn)換器選擇233、基于RCM5

3、700的系統(tǒng)電路設計24 3.1、系統(tǒng)硬件電路總體設計24 3.2、信號采集放大電路的設計26 3.3、運放電路及A/D轉(zhuǎn)換電路28 3.4、RCM5700內(nèi)置看門狗的利用30 3.5、通信接口電路設計31 3.6、電源轉(zhuǎn)換電路設計344、系統(tǒng)電路調(diào)試34 4.1、模塊的連通性調(diào)試34 4.2、系統(tǒng)各硬件的檢測及控制性調(diào)試35 4.3、系統(tǒng)主控硬件的通信性能調(diào)試35 4.4、系統(tǒng)軟硬件綜合性能測試36 4.5、系統(tǒng)誤差分析36 總結(jié)37 參考文獻38 致謝39 附錄40家用煤氣泄漏報警控制器硬件設計 1、緒論1.1、課題研究的背景隨著我國燃氣的變革及西氣東輸工程的進行,煤氣或天燃氣已成為多數(shù)家

4、庭的燃料。每年,因煤氣泄露造成的煤氣中毒事故中,因使用熱水器不當或產(chǎn)品本身的質(zhì)量問題,造成的煤氣中毒事故,全國均有不少事例。有甚者,因室內(nèi)煤氣濃度過高,引起煤氣爆炸的事故也不少見。家用煤氣有時會因各種原因發(fā)生泄漏,煤氣的主要成分是甲烷,甲烷是一種可燃性氣體,遇到明火會發(fā)生燃燒甚至爆炸,所以如果在煤氣泄漏時打 ,使用家用電器的話,煤氣遇到電火花可能會發(fā)生爆炸事故。人呆在煤氣泄漏的空間內(nèi),甲烷的不完全燃燒可能會生成一氧化碳,人體吸入有毒氣體一氧化碳后,一氧化碳將會迅速與血液中的紅細胞結(jié)合導致人體中毒昏迷,如果長時間吸入泄露的煤氣甚至會發(fā)生中毒死亡。一氧化碳中毒屬內(nèi)科急癥,如不及時發(fā)現(xiàn)及治療,將會危

5、及生命。近年來,我國部分地區(qū)非職業(yè)性一氧化碳中毒事件時有發(fā)生。特別是冬春季高發(fā),據(jù)不完全統(tǒng)計,我國2006年因非職業(yè)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,南匯區(qū)發(fā)生了2起非職業(yè)性一氧化碳中毒事件。 1.2、課題研究的目的人們面對燃氣泄漏而造成的種種事故威脅,就真的沒有一個徹底的解決辦法嗎?據(jù)有關(guān)專家介紹,使用燃氣報警器是對付燃氣無形殺手的重要手段之一。燃氣專家指出,燃氣泄漏或廢氣排放而大量產(chǎn)生的一氧化碳是燃氣中毒事響應的根源,如采有用燃氣泄漏報警器就能得到及時的警示。有關(guān)部門經(jīng)長期測試同樣得出結(jié)論,燃氣報警器防止一氧化碳中毒事故發(fā)生的有效率達95%以上。計

6、算機的普及和信息技術(shù)的迅猛發(fā)展,人們己不滿足于傳統(tǒng)的居住環(huán)境,對家庭及住宅小區(qū)提出了更高的要求,智能化被引入家庭,并迅速在世界各地發(fā)展起來。人們對居住環(huán)境要求的日見增高,體現(xiàn)在希望住宅不僅更便利、舒適而且更安全。單片機在日用電子產(chǎn)品中的應用越來越廣泛,煤氣泄漏則是人們?nèi)粘Ｉ钪谐３Ｐ枰獪y量和控制的一個問題。單片機有利于為現(xiàn)代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的設施。為了防止中毒事件再次發(fā)生,提出利用單片機系統(tǒng)進行有效的預防對策。所以怎樣防止煤氣中毒與爆炸已成為人們的迫切需要。為此我們開發(fā)研制了智能煤氣報警系統(tǒng)。 1.3、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)民用可燃氣體報警器為居民家庭用的燃氣報警器,一般

7、安裝在廚房,遇燃氣泄漏時,報警器可發(fā)出聲光報警,或同時伴有數(shù)字顯示,同時聯(lián)動外部設備。有的報警器可自動開啟排風扇,把燃氣排出室外;有的報警器在報警時可自動關(guān)閉燃氣閥門,以防燃氣繼續(xù)泄漏8。在應用方面,目前最廣泛的是可燃性氣體氣敏元件傳感器,已普及應用于氣體泄漏檢測和監(jiān)控,從工廠企業(yè)到居民家庭,應用十分廣泛。僅以用于安全保護家用燃氣泄漏報警器為例,日本早在1980年1月開始實行安裝城市煤氣、液化石油氣報警器法規(guī),1986年5月日本通產(chǎn)省又實施了安全器具普及促進基本方針。美國目前已有6個州立法,規(guī)定家庭、公寓等都要安裝CO報警器。報警器種類也相當繁多,有用于一般家庭、集體住宅、飲食餐店、醫(yī)院、學校

8、、工廠的各種氣體報警器和系統(tǒng),有單體分離型報警器、外部報警系統(tǒng)、集中監(jiān)視系統(tǒng)、遮斷連動系統(tǒng)、防止中毒報警防護系統(tǒng)等。結(jié)構(gòu)型式有袖珍型便攜式、手推式、固定式報警等;工業(yè)用固定式報警又有壁掛式、臺放式、單臺監(jiān)控式、多路巡檢式等。氣體檢測技術(shù)與計算機技術(shù)相結(jié)合,實現(xiàn)了智能化、多功能化。美國工業(yè)科學公司(ISC)一臺攜帶式氣體監(jiān)控儀可實現(xiàn)4種氣體監(jiān)測,采用了統(tǒng)一的軟件,只需要換氣體傳感器,即可實現(xiàn)對特定氣體監(jiān)測。美國國際傳感器技術(shù)(IST)公司應用一種“megacas傳感器和微程序控制單元,可檢測100種以上毒性氣體和可燃性氣體,通過其“氣體檢索”功能掃描,能很快確定是哪一種氣體。可燃氣體傳感器的發(fā)展

9、也成為氣體檢測系統(tǒng)的代表性標志。近年來,由于在工業(yè)生產(chǎn)、家庭安全、環(huán)境監(jiān)測和醫(yī)療等領(lǐng)域?qū)怏w傳感器的精度、性能、穩(wěn)定性方面的要求越來越高,因此對氣體傳感器的研究和開發(fā)也越來越重要。隨著先進科學技術(shù)的應用,氣體傳感器發(fā)展的趨勢是微型化、智能化和多功能化。深入研究和把握有機、無機、生物和各種材料的特性及相互作用,理解各類氣體傳感器的工作原理和作用機理,正確選擇各類傳感器的敏感材料,靈活運用微機械加工技術(shù)、敏感薄膜形成技術(shù)、微電子技術(shù)、光纖技術(shù)等,使傳感器性能最優(yōu)化是氣體傳感器的發(fā)展方向。國外氣體傳感器發(fā)展很快,一方面是由于人們安全意識增強,對環(huán)境安全性和生活舒適性要求提高;另一方面是由于傳感器市場

10、增長受到政府安全法規(guī)的推動。因此,國外氣體傳感器技術(shù)得到了較快發(fā)展,據(jù)有關(guān)統(tǒng)計猜測,美國1996年?2002年氣體傳感器年均增長率為(2730)%。目前,氣體傳感器的發(fā)展趨勢集中表現(xiàn)為:一是提高靈敏度和工作性能,降低功耗和成本,縮小尺寸,簡化電路,與應用整機相結(jié)合,這也是氣體傳感器一直追求的目標。如日本費加羅公司推出了檢測(0.110)×10-6硫化氫低功耗氣體傳感器,美國IST提供了壽命達10年以上的氣體傳感器,美國FirstAlert公司推出了生物模擬型(光化反應型)低功耗CO氣體傳感器等。二是增強可靠性,實現(xiàn)元件和應用電路集成化,多功能化,發(fā)展MEMS技術(shù),發(fā)展現(xiàn)場適用的變送器

11、和智能型傳感器。如美國GeneralMonitors公司在傳感器中嵌入微處理器,使氣體傳感器具有控制校準和監(jiān)視故障狀況功能,實現(xiàn)了智能化;還有前已涉及的美國IST公司的具有微處理器的“MegaGas”傳感器實現(xiàn)了智能化、多功能化。氣敏元件傳感器作為新型敏感元件傳感器在國家列為重點支持發(fā)展的情況下,國內(nèi)已有一定的基礎(chǔ)。其現(xiàn)狀是:(1)燒結(jié)型氣敏元件仍是生產(chǎn)的主流,占總量90%以上;接觸燃繞式氣敏元件已具備了生產(chǎn)基礎(chǔ)和能力;電化學氣體傳感器有了試制產(chǎn)品;(2)在工藝方面引入了表面摻雜、表面覆膜以及制作表面催化反應層和修隔離層等工藝,使燒結(jié)型元件由廣譜性氣敏發(fā)展成選擇性氣敏;在結(jié)構(gòu)方面研制了補償復合

12、結(jié)構(gòu)、組合差動結(jié)構(gòu)以及集成化陣列結(jié)構(gòu);在氣敏材料方面SnO2和Fe2O3材料已用于批量生產(chǎn)氣敏元件,新研究開發(fā)的Al2O3氣敏材料、石英晶體和有機半導體等也開始用于氣敏材料;(3)低功耗氣敏元件(如一氧化碳,甲烷等氣敏元件)已從產(chǎn)品研究進入中試;(4)國內(nèi)氣敏元件傳感器產(chǎn)量已超過“九五”初期的400萬支。產(chǎn)量超過20萬支的主要廠家有5家,黑龍江敏感集團、太原電子廠、云南春光器材廠、天津費加羅公司(合資)、北京電子管廠(特種電器廠),其中前四家都超過100萬支,據(jù)行業(yè)協(xié)會統(tǒng)計,1998年全國氣敏元件總產(chǎn)量已超過600萬支?？偟目磥?我國氣敏元件傳感器及其應用技術(shù)有了較快進展,但與國外先進水平仍有

13、較大的差距,主要是產(chǎn)品制造技術(shù)、產(chǎn)業(yè)化及應用等方面的差距,與日本比較仍要落后10年。 1.4、系統(tǒng)設計基本內(nèi)容針對經(jīng)常發(fā)生的煤氣泄漏中毒事件,采用煤氣、甲烷、乙烷及一氧化碳等氣體傳感器、單片機、電磁閥和電鈴,設計一套有毒氣體檢測、報警電路,顯示室內(nèi)空氣質(zhì)量(分優(yōu)、良、中、好、差五級),用單片機模塊分路控制繼電器、發(fā)光二極管和電鈴。報警系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成。其中硬件部分由各報警感應器、感應器控制器、主控器等設備組成。軟件部分主要是報警系統(tǒng)控制程序。氣敏傳感器用來檢測空氣中煤氣的濃度,當空氣中煤氣含量超過允許標準濃度后,感應器所獲得的感應信號均被感應器控制器所接收,再由感應器控制器對各感應

14、信號進行相應識別和處理,并將處理后的感應信號通過串口送至主控器,由主控器對其采取相應的警報動作。報警信號加至報警聲響電路的控制端后,報警聲響電路被觸發(fā),發(fā)出報警聲,同時關(guān)閉總氣閥。本課題在硬件設計方面主要研究組成家用煤氣泄漏報警控制系統(tǒng)的單片機芯片、氣體傳感器總線的使用方法,同時研究電路設計思路、電路組成,包括控制芯片、氣體傳感器、單片機、顯示電路等的選用和設計,最后給出結(jié)構(gòu)框圖、電路原理圖。系統(tǒng)軟件設計方面的分析設計包括主機和從機程序設計分析等。 2、系統(tǒng)設計技術(shù)基礎(chǔ)微處理器的出現(xiàn)極大地促進了生產(chǎn)力的發(fā)展,提高了人們生活的質(zhì)量,實現(xiàn)了工業(yè)的現(xiàn)代化和自動化。Internet技術(shù)的飛速發(fā)展,使得

15、基于分組交換技術(shù)的通信性能、通信質(zhì)量和可靠性得到穩(wěn)步提高。基于8位和16位單片機的嵌入式設備如儀器儀表、數(shù)據(jù)采集和顯示、過程控制、工業(yè)自動化等的實時應用、測控系統(tǒng)正在走向網(wǎng)絡智能化。這就要求企業(yè)從現(xiàn)場控制層到管理層能實現(xiàn)全方位的無縫信息集成,實現(xiàn)遠程維護、智能診斷以及遠程管理功能,提供一個開放的基礎(chǔ)構(gòu)架,并具有高可靠性、分散控制、集中監(jiān)視和管理的功能。 2.1、系統(tǒng)實現(xiàn)方案與選擇針對目前主要處理芯片的不同,本文提出了2種實現(xiàn)方案,分別為基于8051單片機實現(xiàn)方案以及基于Rabbit RCM5700實現(xiàn)方案。并最終選擇了一種方案進行系統(tǒng)實現(xiàn)。 2.1.1、基于單片機的實現(xiàn)方案基于8051單片機實

16、現(xiàn)的煤氣報警器的具體方案如圖2.1所示。該方案主要包括了可燃氣體傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、鍵盤控制電路、8051單片機電路、晶振、蜂鳴器以及LED顯示電路1?？扇細怏w傳感器輸出為模擬量,需要利用A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送給8051單片機;晶振和鍵盤控制作為8051單片機的外圍輸入電路,蜂鳴器作為報警用的8051單片機的外圍輸出電路;顯示電路采用了LED顯示,由8051單片機控制實現(xiàn)顯示。圖5.1 基于8051單片機的實現(xiàn) 2.1.2、基于Mini Core的實現(xiàn)方案基于Mini Core實現(xiàn)的煤氣報警器的具體方案如圖2.2所示。該方案主要包括了可燃氣體傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、鍵盤控制電路、R

17、abbit RCM5700模塊電路、晶振、蜂鳴器以及LED顯示電路?？扇細怏w傳感器輸出為模擬量,需要利用A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送給Rabbit RCM5700模塊電路;晶振和鍵盤控制作為Rabbit RCM5700模塊電路的外圍輸入電路,蜂鳴器作為報警用的Rabbit RCM5700模塊電路的外圍輸出電路;顯示電路采用了LED顯示,由Rabbit RCM5700模塊電路控制實現(xiàn)顯示。 圖6.1 基于Mini Core的實現(xiàn) 2.1.3、方案選擇方案1中采用的是8051單片機實現(xiàn)煤氣報警器,該方案具有結(jié)構(gòu)化設計簡單,器件成本較低的特點,是一種較為廣泛采用的實現(xiàn)方案。方案2中采用的是Ra

18、bbit RCM5700模塊實現(xiàn)煤氣報警器,該方案基于 Rabbit RCM5700模塊進行開發(fā)設計,Rabbit MiniCore模塊用于加速嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)和實施。編程開發(fā)采用我們經(jīng)過業(yè)界廣為驗證的 Dynamic C開發(fā)系統(tǒng), 一個包括編輯器、鏈接器、裝載器和編譯器在內(nèi)的C語言集成開發(fā)環(huán)境。從你的計算機通過 USB端口或串口下載程序,立即在目標硬件上進行調(diào)試?無需在線仿真器。這種開發(fā)環(huán)境減少了工作量,加速了軟硬件集成。Rabbit 提供了廣泛的驅(qū)動函數(shù)庫和例程、免費的TCP/IP及其源代碼。Rabbit MiniCore系列產(chǎn)品采用超小型mini PCI Express接口,具有可互相兼

19、容的以太網(wǎng)與Wi-Fi無線網(wǎng)兩個版本,除了擁有Mini的外型,使得產(chǎn)品的設計更加容易之外,它還配置了32個通用輸入/輸出端口、6個串行端口和一臺Rabbit 5000微處理器。這些特點使其成為超小型產(chǎn)品中最具成本效益的網(wǎng)絡連接解決方案,既可用于網(wǎng)絡連接也可用于控制。由于該模塊具有設計靈活,外圍擴展功能強大的特點,可以構(gòu)成當今體積最緊湊、成本最低的嵌入式解決方案,可以為系統(tǒng)方便可靠增加網(wǎng)絡連接。 針對其應用擴展,本設計選擇了方案2,基于Rabbit RCM5700模塊實現(xiàn)煤氣報警器的方案。既基于Mini Core實現(xiàn)的家用煤氣報警系統(tǒng),利用可燃氣體傳感器檢測某一環(huán)境中可燃氣體含量的指標,對于可燃

20、氣體的檢測,由于可燃氣體傳感器輸出量為模擬量,需要將其進行A/D轉(zhuǎn)換后送給Rabbit RCM5700模塊,當其含量超過設定值時,由主芯片Rabbit RCM5700模塊控制蜂鳴器進行報警。 2.2、Mini Core芯片選擇 2.2.1、RCM5700的簡介Mini Core RCM5700是Rabbit半導體公司在2008年9月30日推出的一款尺寸緊湊的經(jīng)濟型核心模塊,設計人員可以將其用于小尺寸、低價格、可實現(xiàn)控制或采集且支持網(wǎng)絡功能的系統(tǒng)中去,是高性能低成本的嵌入式解決方案。典型應用在遠程數(shù)據(jù)記錄和上傳、儲罐監(jiān)控、自動抄表系統(tǒng)、遠程能源管理等領(lǐng)域。Mini Core芯片選擇了Rabbit

21、 RCM5700模塊。Rabbit充分結(jié)合了易于使用和最大限度的降低產(chǎn)品成本提供可以構(gòu)成當今體積最緊湊、成本最低的嵌入式解決方案。Mini Core系列也是Rabbit產(chǎn)品中體積最近湊和成本最低的嵌入式解決方案,設計人員可以為他們設計的系統(tǒng)方便可靠增加網(wǎng)絡連接12。Rabbit Semiconductor公司專注于此,推出的產(chǎn)品在行業(yè)內(nèi)被廣泛應用,十幾年來,以其產(chǎn)品質(zhì)量的高穩(wěn)定性、容易開發(fā)、資源豐富、支持聯(lián)網(wǎng)等優(yōu)點獲得業(yè)界的高度認可,譬如RCM3200、LP3500在工控和水利、電力領(lǐng)域已經(jīng)成為行業(yè)內(nèi)的經(jīng)典應用。這里要介紹的是Rabbit公司新推出的一款全新產(chǎn)品MiniCore RCM5700

22、核心模塊,它價格低廉、尺寸小、開發(fā)容易、支持網(wǎng)絡控制。新的Mini Core RCM5700 模塊在體積極其緊湊的mini PCI Express板型結(jié)構(gòu)內(nèi)集成了豐富的嵌入式功能,并且成本極低。另外的一個好處是,MiniCore RCM5700為任何嵌入式解決方案提供可極小的結(jié)構(gòu)尺寸。RCM5700可以在任何客戶定制開發(fā)的母板上增加新的網(wǎng)絡連接。RCM5700具備Rabbit 5000微處理器,工作主頻可達50.0 MHz, flash memory,兩個時鐘主晶振和時間晶振和為Rabbit 5000內(nèi)置實時時鐘/片內(nèi)SRAM 提供后備電池所需的重啟/管理電路。52-pin mini PCI

23、Express插槽式的板邊連接器引出了RCM5700的 I/O總線,并行端口和串口到 RCM5700固定的母板上。通過客戶定制開發(fā)的母板,RCM5700 接收+3.3 V供電并和其它數(shù)字設備實現(xiàn)所有CMOS兼容的接口。 主要特點:1 微處理器為Rabbit5000內(nèi)含128 KB的SDRAM,主頻為50MHz;2 程序存儲器為1 MB閃存;3 32個GPIO可配置; 4 6個可配置CMOS兼容的串El; 5 帶實時時鐘電池供電; 6 10個8位定時器,10位和l6位定時器各1個;7 有兩路觸發(fā)輸入和兩路正交解碼輸入;8 帶有看門狗;9 支持10/100Base?T以太網(wǎng)功能;10 接口為Min

24、i PCI Express接口。Rabbit Core Mini Core模塊用于加速嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)和實施。編程開發(fā)采用我們經(jīng)過業(yè)界廣為驗證的 Dynamic C開發(fā)系統(tǒng),一個包括編輯器、鏈接器、裝載器和編譯器在內(nèi)的C語言集成開發(fā)環(huán)境。從計算機通過 USB端口或串口下載程序,立即在目標硬件上進行調(diào)試 ,無需在線仿真器。這種開發(fā)環(huán)境減少了工作量,加速了軟硬件集成。Rabbit提供了廣泛的驅(qū)動函數(shù)庫和例程、免費的TCP/IP及其源代碼。有兩種類型的開發(fā)包供用戶進行開發(fā)和測試軟件。標準開發(fā)包包括你設計基于該微處理器系統(tǒng)所需要的基本組件和完整的Dynamic C 軟件開發(fā)系統(tǒng)。RCM5700開發(fā)包還

25、包括你評測RCM5700所需要的開發(fā)板。Digital I/O 和串口板可以立即運行Dynamic C中的例程從而快速演示RCM5700的產(chǎn)品特點。你可以立即為RCM5700模塊編寫和測試包括以太網(wǎng)和TCP/IP應用在內(nèi)的軟件。 2.2.2、RCM5700 的優(yōu)點1)使用完整設計和生產(chǎn)的,具有“運行就緒/ 編程就緒”的微處理器模塊,能使您快速完成產(chǎn)品開發(fā)并投入市場。2)比購買和組裝單獨組件更具競爭力的價格。3)簡單的 C 語言程序開發(fā)和調(diào)試。用于下載經(jīng)編譯的 Dynamic C.bin 文件的Rabbit Field Utility。4)能容納數(shù)萬行代碼大型程序并存儲豐富數(shù)據(jù)的大容量存儲器。5

26、)參考設計使集成的以太網(wǎng)能利用無需特許權(quán)的 TCP/IP 軟件實現(xiàn)網(wǎng)絡連接。 2.2.3、RCM5700硬件組成RCM5700 標準開發(fā)包包含了您使用 RCM5700 模塊所必須的必備硬件。下述物品在開發(fā)包的標準版本中提供。RCM5700 模塊。配有支架/ 接頭的接口板。配有支架/ 接頭的應用電路開發(fā)板。能通過接口板對 RCM5700 進行編程的 USB 線。 2.2.4、RCM5700模塊接口定義接口板設計原理圖 RCM5700模塊接口包括了52個接口,各個接口定義如圖12.1所示。圖12.1 RCM5700模塊接口定義根據(jù)RCM5700模塊接口定義可知,52個接口可以劃分為幾個主要部分:端

27、口Port A、Port B、Port C、Port D、Port E、Serial Port A、RAM、Misc. I/O等,具體如圖12.2所示。圖12.2 RCM5700模塊端口說明RCM5700模塊管腳功能及說明詳見表。 2.3、傳感器的選擇對于煤氣報警器的實現(xiàn),感應器的選擇也相當?shù)闹匾?是系統(tǒng)重要的組成部分之一,其性能對于系統(tǒng)的精確度和實現(xiàn)范圍有這相當大的影響,也是體現(xiàn)煤氣監(jiān)控發(fā)展現(xiàn)狀的標志。 2.3.1、一氧化碳傳感器的選擇市面上的煤氣感應器多種多樣,特性價格也各有不同。根據(jù)實際應用和成本性價比,本設計一氧化碳氣體傳感器選擇了NG-CO-001型電化學一氧化碳氣體傳感器,其詳情如

28、下4:NG-CO-001型電化學一氧化碳氣體傳感器屬工業(yè)級別產(chǎn)品,通過成熟的電極制備處理技術(shù)及傳感器結(jié)構(gòu)設計,使其具有長壽命、高靈敏度、液體密閉性良好等技術(shù)特點。傳感器與外部電路連接部位通過接插元件完成,利于傳感器與電子線路的兼容與互換。產(chǎn)品組裝工藝簡化,有利的降低了產(chǎn)品成本。用途:工廠一氧化碳濃度檢測儀器;氣體計量器具;空氣質(zhì)量監(jiān)測器;氣體變送器;便攜式儀器配套元件等等。(1)NG-CO-001電化學一氧化碳氣體傳感器基本原理 電化學氣體傳感器由工作電極、參比電極、對電極構(gòu)成,根據(jù)外部恒電位電路,傳感器工作電極保持一個穩(wěn)定的工作電位,一氧化碳氣體傳感器基本工作原理如下面公式所示: UCTUR

29、E 工作電極:CO+H2OCO2+2H+2e- 對電極: O2+4H+4e-2H2O 總反應: 2CO+O22CO2這樣電化學氣體傳感器根據(jù)電化學反應電子轉(zhuǎn)移,從而定性并定量的檢測出被測氣體。參比電極主要作用是保持工作電極維持電化學反應的穩(wěn)定工作電壓,工作電極與對電極之間因電化學反應形成的電流與被測氣體濃度成線性關(guān)系。此傳感器屬于三電極方式,具有檢出信號穩(wěn)定和線性關(guān)系良好等優(yōu)越性,在一般工業(yè)得到較為廣泛的應用。(2)傳感器基本結(jié)構(gòu):氣體傳感器由工作電極、對電極、參比電極、電解質(zhì)、液體保持材料、過濾干擾氣體物質(zhì)、貴金屬引線、接線柱等組成,使用的典型電極材料包括鉑、金、銀、銠、碳、釕、鈀等,傳感器

30、信號通過引線傳導到外部電路,通過放大等處理進行顯示。為了提高對被測氣體的選擇性,通常在傳感器通氣孔位置設置過濾劑,以消除干擾氣體造成的不準確信號。(3)電化學氣體傳感器優(yōu)點:1)對于氣體的濃度能夠線形輸出信號重現(xiàn)性好2)對被測氣體具有良好選擇性,不受溫濕度的影響3)空氣中的輸出值漂移小,可以獲得穩(wěn)定的輸出信號4)功耗低,電池即可驅(qū)動器工作5)體積小,重量輕,作為便攜式儀器首選6)本質(zhì)安全結(jié)構(gòu),機械性能穩(wěn)定(4)電化學一氧化碳氣體傳感器基本特點:本質(zhì)特征:NG-CO-001型電化學一氧化碳氣體傳感器屬工業(yè)級別產(chǎn)品,通過成熟的電極制備處理技術(shù)及傳感器結(jié)構(gòu)設計,使其具有長壽命、高靈敏度、液體密閉性良

31、好等技術(shù)特點。傳感器與外部電路連接部位通過接插元件完成,利于傳感器與電子線路的兼容與互換。產(chǎn)品組裝工藝簡化,有利的降低了產(chǎn)品成本。 用途:工廠一氧化碳濃度檢測儀器;氣體計量器具;空氣質(zhì)量監(jiān)測器;氣體變送器;便攜式儀器配套元件等等。工作及保存條件: 工作溫度 20?50工作濕度 15?90%RH保存環(huán)境溫度0?20工作氣壓1atm ± 10% 保存期限6個月以內(nèi)密閉容器檢知對象氣體 一氧化碳測定范圍0?1000ppm輸出電流 40±10nAppm重復性誤差 ±2%響應時間t9030秒基準線位移-20?50 100ppm 2.3.2、氫氣傳感器的選擇TGS822TF傳

32、感器因裝有活性炭過濾器,消除了雜質(zhì)氣體的影響,對有機溶劑或其他揮發(fā)性氣體的靈敏度低,而對氫氣和一氧化碳的靈敏度高,非常適合用于檢測人工煤制氣。在這里我們主要他對對氫氣的檢測功能能。右圖是典型的靈敏度特性,全部是在標準試驗條件下得出的結(jié)果?？v坐標以傳感器電阻比(Rs/Ro)表示,Rs,Ro的定義如下: Rs =不同濃度氣體中的電阻值 Ro =1000ppm一氧化碳中的電阻值 基本測試回路:此傳感器需要施加 2 個電壓:加熱器電壓(VH)和回路電壓(VC)。這個VH用于維持敏感素子處于與對象氣體相適應的特定溫度而施加在集成的加熱器上。VC則是用于測定與傳感器串聯(lián)的負載電阻(RL)上的兩端電壓(VR

33、L)。這種傳感器具有極性,所以VC需用直流電源。只要能滿足傳感器的電性要求,VC和VH可以共用同一個電源電 路。為了將判定值水平最佳化,并使敏感素子的功耗(PS)低于15mW的限度值,需要選擇RL的值。 管腳連接1或3:傳感器 4或6:傳感器 2:加熱器 5:加熱器 2.3.3、烷類傳感器的選擇TGS813傳感器對甲烷、丙烷、丁烷的靈敏度高,對天然氣、液化氣的監(jiān)視也很理想。這種傳感器可檢知多種可燃氣體,所以是對各種應用方式都很優(yōu)越的低成本傳感器。這里我們主要利用他對烷類氣體的檢測。右圖是典型的靈敏度特性,全部是在標準試驗條件下得出的結(jié)果。縱坐標以傳感器電阻比(Rs/Ro)表示,Rs,Ro的定義

34、如下: Rs =不同濃度氣體中的電阻值 Ro =1000ppm 甲烷中的電阻值 基本測試回路與上面的氫氣傳感器類似。 2.4、儀表放大器的選擇 AD623是一個集成單電源儀表放大器,它能在單電源(+3V到+12V)下提供滿電源幅度的輸出。AD623允許使用單個增益設置電阻進行增益編程,以得到更好的用戶靈活性,且符合8引腳的工業(yè)標準引腳配置13。在無外接電阻條件下,AD623被設置為單位增益(G1),在接入外接電阻后,AD623可編程設置增益,其增益最高可達1000倍。AD623通過提供極好的隨增益增大而增大的交流共模抑制比(AC CMRR)而保持最小的誤差。線路噪聲及諧波將由于共模抑制比(CM

35、RR)在高達200Hz時仍保持恒定而受到抑制。AD623具有較寬的共模輸入范圍,它可以放大具有低于地電平150mV共模電壓的信號,雖然AD623是按照工作于單電源方式進行的優(yōu)化設計,但當它工作于雙電源(±±6.0V)時,仍然能提供優(yōu)良的性能。低功耗(3V時1.5mW)、寬電源電壓范圍、滿電源幅度輸出,使AD623成為電池供電應用的理想選擇。在低電源電壓下工作時,滿電源幅度輸出級使動態(tài)范圍達到最大。AD623可取代分立的儀表放大器設計,且在最小的空間內(nèi)提供很好的線性度、溫度穩(wěn)定性和可靠性。AD623出現(xiàn)以前,儀表放大器的性能都達不到如此水平13。主要特點:便于使用,性能優(yōu)于分

36、立設計,單電源或雙電源工作,滿電源幅度輸出輸入電壓范圍擴展至低于地150mV(單電源),低功耗,最大575A電源電流。單個外接電阻增益設置:增益范圍1(無外接電阻)到1000。高精度DC性能:0.1%增益誤差(G1)0.35%增益誤差(G1)25ppm增益漂移(G1)200V最大輸入失調(diào)電壓(AD623A)2V /最大輸入失調(diào)漂移(AD623A)100V最大輸入失調(diào)電壓(AD623B)1V /最大輸入失調(diào)漂移(AD623B)25nA最大輸入偏置電流噪聲:35nV/ Hz 針對輸入端(RTI)噪聲1kHz(G1)良好的AC特性:最小90dB共模抑制比(CMRR)(G10)最小84dB共模抑制比(

37、CMRR)(G5)(60Hz,1k非平衡信號源)800kHz帶寬(G1)到終值0.01%的建立時間20s(G10)引腳排列極限參數(shù)如下:電源電壓 ±6V 內(nèi)部功率耗散 650mW 差分輸入電壓 ±6V 輸出短路持續(xù)時間不確定 儲存溫度范圍(N,R,RM) -65至+125 工作溫度范圍: AD623A ?40至+85 引腳溫度范圍(焊接,10秒) +300 2.5、A/D轉(zhuǎn)換器選擇本文A/D轉(zhuǎn)換器選擇了TLC2543,該芯片是7LC2543是德州儀器公司TI新型模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC,具有l(wèi)2位的分辨率,使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成AD轉(zhuǎn)換過程,提供的最大采樣率為66KSPS,供

38、電電流僅需1mA典型值。它除具有高速的轉(zhuǎn)換器和通用的控制能力外,還具有通用靈活的串行接口SPI。它被廣泛運用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中2。TLC2543是l2位開關(guān)電容逐次逼近型ADC 每個器件有三個控制輸入端:片選CS、輸入/輸出時鐘I/O CLK及地址數(shù)據(jù)輸入端DATA INPUT。它還可以通過一個串行的3態(tài)輸出端DATA OUT與主處理器或其它外圍的串行口通訊,輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。通過編程器件的DATA INPUT管腳串行輸入的8位通道/方式控制字節(jié)的高4位MSBs,可選擇11個模擬輸入通道中的任一個?？捎猛瑯拥姆椒ㄟx用另外三個測試電壓,用于轉(zhuǎn)換器的枝正或其它用途。通道/方式控制字節(jié)的低四位LSBs用于

39、選擇輸出數(shù)據(jù)的長度8、12或16位、輸出數(shù)據(jù)的順序以MSB開始或LSB開始和是否需要單極性二進制或雙極性二進制補碼格式。其特點有:1 12 bit分辨率A/D轉(zhuǎn)換器;2 在工作溫度范圍內(nèi)10s轉(zhuǎn)換時間;3 11個模擬輸入通道;4 3路內(nèi)置自測試方式;5 采樣率為66 kb/s;6 線性誤差+1LSB;7 有轉(zhuǎn)換結(jié)束EOC輸出;8 具有單、雙極性輸出;9 可編程的MSB或LSB前導;10 可編程的輸出數(shù)據(jù)長度。 3、基于RCM5700的系統(tǒng)電路設計 3.1、系統(tǒng)硬件電路總體設計系統(tǒng)的工作原理是利用煤氣傳感器將煤氣濃度變換為mV級模擬電流信號,放大器把信號放大后,經(jīng)低通濾波濾掉干擾信號送到A/D轉(zhuǎn)

40、換器,變換成數(shù)字量送主控芯片進行數(shù)據(jù)分析。由于煤氣泄漏出來的氣體的主要性質(zhì)可以分為毒性氣體和可燃性氣體2種,所以本設計中才用了3個性質(zhì)不同的傳感器,對其進行分別處理。NG-CO-001型電化學一氧化碳氣體傳感器主要是對毒性并可燃的一氧化碳氣體進行精密的單項檢測。其他2種傳感分別對其中2類的可燃氣體進行檢測。對RCM5700植入軟件程序后,控制整個電路的運行。空氣中的氣體濃度信號同時進入主芯片,主芯片對其進行分析,并輸出信號到顯示器,控制其提示出“好、優(yōu)、良、中、差”等5個等級的空氣質(zhì)量提示。當感應信號達到設定的任意一個危險區(qū)域(包括可燃氣體濃度危險區(qū)和毒性氣體濃度危險區(qū))值時,主控芯片將輸出信

41、號驅(qū)動報警,控制顯示器顯示出相應空氣質(zhì)量等級即為“差”,驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出聲響,報警LED發(fā)光,同時控制電磁閥關(guān)閉。以讓監(jiān)控人員進行處理。故障排除后,報警完畢自動回到警戒狀態(tài),等待下一次報警。系統(tǒng)采用模塊化設計。所謂的模塊化設計,簡單地說就是程序的編寫不是開始就逐條錄入計算機語句和指令,而是首先用主程序、子程序、子過程等框架把軟件的主要結(jié)構(gòu)和流程描述出來,并定義和調(diào)試好各個框架之間的輸入、輸出鏈接關(guān)系。用戶端自動報警器內(nèi)提供備用電源,在沒有市電的情況下,交直流供電自動切換,確保系統(tǒng)在停電時能繼續(xù)工作。 3.2、系統(tǒng)硬件電路系統(tǒng)硬件電路的總體設計主要包括了RCM5700模塊電路設計、可燃氣體傳感器電

42、路設計、A/D轉(zhuǎn)換器電路設計以及通信接口電路設計。圖25.1 系統(tǒng)總體硬件原理圖使用Rabbit RCM5700芯片PB3接虛擬時鐘線,利用PB5口線接虛擬數(shù)據(jù)線DATA?？扇細怏w傳感器輸出的模擬量經(jīng)過放大電路放大后,再經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后,數(shù)據(jù)采用串行方式與RCM5700模塊連接,其中RCM5700模塊中PA0、PA2、PA4、PC6分別與AD轉(zhuǎn)換器的CLK、DIN、DOUT、CS相連,以此實現(xiàn)可燃氣體傳感器和RCM5700模塊的相連,將可燃氣體傳感器輸出送入RCM5700模塊中處理。串口通信主要利用RCM5700模塊端口PB3和PB5作為串口通信端口,分別定義為TXD和RXD。蜂鳴器則有R

43、CM5700模塊PD1輸出端口實現(xiàn)控制。使用 RCM5700模塊PB2,并電阻連接 LED。 3.3、信號采集放大電路的設計由于氣體傳感器采集的電信號一般很小,而且存在共模成分,需要經(jīng)過放大電路放大,之后方可進行A/D轉(zhuǎn)換。氣體傳感器輸出的信號幅度很小,存在著不同程度的電磁干擾,因此在本設計中,放大電路采用儀表放大器AD623,對來自傳感器的信號經(jīng)行精密放大,同時抑制共模成分提高信號質(zhì)量6。AD623的主要特點是:使用一只外接電阻設置增益G,計算公式為G1+100k?/Rti,其中G可達1000,從而給用戶帶來了極大方便。其輸入共模范圍很寬,允許比地電壓低150mV的共模電壓。單電源供電(+3

44、.0 +12V)能達到最佳性能。但雙電源供電(±2.5±6.0)也能夠提供優(yōu)良的性能:低功耗、寬電源范圍和電源限輸出特性非常合適電池供電的應用場合;可取代分立器見構(gòu)成的儀表放大器,具有線性度優(yōu)良、溫度穩(wěn)定性高和體積小、可靠性高等優(yōu)點。在本設計中,采用恒壓供電方式為氣體傳感器供電,且在正常使用中采樣電路的輸出為單極性輸出,AD623的REF端同TLC2543的AD參考電壓輸入端在設計中同時接地即可。由AD623構(gòu)成的放大電路如圖27.1所示。在圖中接口J4為氣體傳感器的接口,氣體傳感器與電阻R34、R35和R39構(gòu)成電橋采集信號,直流+2.5電壓用過LM324同相輸入端獲得一

45、個穩(wěn)定的輸出電壓,Q1的通斷由LM324輸出決定,由于Q1的B極電源比較穩(wěn)定,而B級電流決定三級管導通時的放大倍數(shù),因此通過CE極的電壓也比較穩(wěn)定。Q1、LM324與LT1764-3.3構(gòu)成恒壓電路,為電橋提供恒壓。AD623的REF接地,OUTPUT端接入TLC2543的AD模塊引腳。LM324系列器件為價格便宜的帶有真差動輸入的四運算放大器。與單電源應用場合的標準運算放大器相比,它們有一些顯著優(yōu)點。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下,靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負電源,因而消除了在許多應用場合中采用外部偏置元件的必要性。它有5個引出腳,其

46、中“+”、“-”為兩個信號輸入端,“V+”、“V-”為正、負電源端,“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中,Vi-(-)為反相輸入端,表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的位相反;Vi+(+)為同相輸入端,表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。LM324的引腳排列見右圖。 3.4、運放電路及A/D轉(zhuǎn)換電路從一氧化碳傳感器輸出信號為差分信號,該模擬信號需要經(jīng)過運放后送入A/D轉(zhuǎn)換器。本系統(tǒng)中運放采用了AD623儀用放大器實現(xiàn),運放后信號送入A/D轉(zhuǎn)換器。圖28.2中AIN0?AIN10為模擬輸入端;/CS為片選端;DIN為串行數(shù)據(jù)輸入端;DOUT為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的三態(tài)串行輸出端;EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)

47、束端;CLK為I/O時鐘;REF+為正基準電壓端;REF一為負基準電壓端;VCC為電源;GND為地。VCC:正電源端,一般接+5V。GND:正電源地。VREF+:正基準電壓端,一般接+5V。V -:負基準電壓端,一般接地。AIN0AIN10:11路模擬量輸入引腳。CS:片選端,由高到低有效,由外部輸入。EOC:轉(zhuǎn)換結(jié)束端,向外部輸出。I/O CLOCK:控制輸入輸出的時鐘,由外部輸入。DATA INPUT:控制字輸入端,用于選擇轉(zhuǎn)換及輸出數(shù)據(jù)格式。DATA OUT:A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸出端。TLC2543的工作過程分為兩個周期:I/O周期和轉(zhuǎn)換周期。a I/O周期I/O周期由外部提供的I/O C

48、LOCK定義,延續(xù)8、12或16個時鐘周期,決定于選定的輸出數(shù)據(jù)長度。器件進入I/O周期后同時進行兩種操作。在I/O CLOCK的前8個脈沖的上升沿,以MSB前導方式從DATA INPUT端輸入8位數(shù)據(jù)流到輸入寄存器。其中前4位為模擬通道地址,控制14通道模擬多路器從11個模擬輸入和三個內(nèi)部測電壓中選通一路送到采樣保持電路,該電路從第4個I/O CLOCK脈沖的下降沿開始對所選信號進行采樣,直到最后一個I/O CLOCK脈沖的下降沿。I/O周期的時鐘脈沖個數(shù)與輸出數(shù)據(jù)長度位數(shù)同時由輸入數(shù)據(jù)的D3、D2位選擇為8、12或16。當工作于12或16位時,在前8個時鐘脈沖之后,DATA INPUT無效

49、。在DATA OUT端串行輸出8、12或16位數(shù)據(jù)。當CS保持為低時,第一個數(shù)據(jù)出現(xiàn)在EOC的上升沿。若轉(zhuǎn)換由CS控制,則第一個輸出數(shù)據(jù)發(fā)生在CS的下降沿。這個數(shù)據(jù)串是前一次轉(zhuǎn)換的結(jié)果,在第一個輸出數(shù)據(jù)位之后的每個后續(xù)位均由后續(xù)的I/O時鐘下降沿輸出。b 轉(zhuǎn)換周期在I/O周期的最后一個I/O CLOCK下降沿之后,EOC變低,采樣值保持不變,轉(zhuǎn)換周期開始,片內(nèi)轉(zhuǎn)換器對采樣值進行逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換,其工作由與I/O CLOCK同步的內(nèi)部時鐘控制。轉(zhuǎn)換完成后EOC變高,轉(zhuǎn)換結(jié)果鎖存在輸出數(shù)據(jù)寄存器中,待下一個I/O周期輸出。I/O周期和轉(zhuǎn)換周期交替進行,從而可減小外部的數(shù)字噪聲對轉(zhuǎn)換精度的影響。

50、 c接口時序可以用四種傳輸方法使TLC2543得到全12位分辯率,每次轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳遞可以使用12或16個時鐘周期。一個片選脈沖要插到每次轉(zhuǎn)換的開始處,或是在轉(zhuǎn)換時序的開始處變化一次后保持為低,直到時序結(jié)束。在設計制作時要注意如下3個問題:(1)電源去耦F的陶瓷電容連接到地,用作去耦電容。在噪聲影響較大的環(huán)境中,建議每個電源和陶瓷電容端并一個10F的鉭電容,這樣能夠減小噪聲的影響。(2)接地對模擬器件和數(shù)字器件,電源的地線回路必須分開,以防止數(shù)字部分的噪聲電流通過模擬地回路引入,產(chǎn)生噪聲電壓,從而對模擬信號產(chǎn)生干擾。所有的地線回路都有一定的阻抗,因此地線要盡可能寬或用地線平面,以減小阻抗,連線應

51、當盡可能短,如果使用開關(guān)電源,則開關(guān)電源要遠離模擬器件。(3)電路板布線使用TLC2543時一定要注意電路板的布線,電路板的布線要確保數(shù)字信號和模擬信號隔開,模擬線和數(shù)字線特別是時鐘信號線不能互相平行,也不能在TLC2543芯片下面布數(shù)字信號線。TLC2543對時序要求特別嚴格,數(shù)每隔一小段時間就會有變化。解決的辦法:采集關(guān)中斷。 3.5、RCM5700內(nèi)置看門狗的利用由于需要通過A/D轉(zhuǎn)換器對來自于氣敏傳感器的各種模擬量進行多次采樣,外部干擾有可能會影響CPU的正常運行,從而引起混亂。但RCM5700自帶有看門狗,看門狗電路作為程序運行監(jiān)控器,每隔一定時間,由控制器向看門狗發(fā)出一個復位信號,使其復位端保持無效。程序一旦跑飛或進入死循環(huán)造成系統(tǒng)失效,由看門狗發(fā)出一個復位信號,使系統(tǒng)能盡快復位并恢復正常工作。 3.6、主控制器與顯示屏的接口設計液晶屏采用1602液晶屏(單+5V電源供電)1602采用標準的16腳接口,其中: 第1腳:VSS為地電源第2腳:VDD接5V正電源第3腳:V0為液晶顯示器對比度調(diào)整端,接正電源時對比度最弱,接地電源時對比度最高,對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”,使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度第4腳: