0╲u00100╲u00100╲u00100一氧化碳?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警儀的設(shè)計(jì)

1、SHANDONG畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一氧化碳?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警儀的設(shè)計(jì)學(xué) 院：電氣與電子工程學(xué)院專(zhuān) 業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)生姓名： 孫雯 學(xué) 號(hào)： 0812207005 指導(dǎo)教師： 劉連鑫 2012年6月40中文摘要摘要本設(shè)計(jì)主要用于檢測(cè)煤礦井下作業(yè)場(chǎng)所一氧化碳?xì)怏w的含量。本系統(tǒng)采用單片機(jī)對(duì)傳感器檢測(cè)的一氧化碳?xì)怏w濃度進(jìn)行處理，實(shí)時(shí)顯示氣體的濃度值，產(chǎn)生相應(yīng)的聲光報(bào)警信號(hào)提醒工作人員注意。同時(shí)，為提高檢測(cè)精度，系統(tǒng)采用溫度補(bǔ)償措施以補(bǔ)償傳感器溫度特性。由上可知，本系統(tǒng)由以下幾部分組成：以具有高集成度的AT89C52單片機(jī)為核心；采用全球工程巨頭英維思公司生產(chǎn)的monox compact-s型一氧化碳傳感

2、器，具有高靈敏度和高穩(wěn)定性，使數(shù)據(jù)采集更加可靠準(zhǔn)確,與運(yùn)算放大器OP07構(gòu)成了信號(hào)調(diào)理電路；采用ADS1110數(shù)模轉(zhuǎn)換器構(gòu)成數(shù)模轉(zhuǎn)換電路；利用單總線溫度傳感器DS18B20構(gòu)成溫度補(bǔ)償電路，并附加相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)，來(lái)補(bǔ)償傳感器的溫度漂移特性；為了便于觀察，采用LED數(shù)碼管利用驅(qū)動(dòng)電路和顯示電路實(shí)時(shí)顯示一氧化碳的濃度，并設(shè)置了聲光報(bào)警電路；此外，還采用了紅外遠(yuǎn)程遙控完成參數(shù)配置，利用RS-485通信接口，進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，并設(shè)計(jì)了電流輸出電路和頻率輸出電路。關(guān)鍵詞：CO氣體檢測(cè)，AT89C52，電化學(xué)傳感器，DS18B20溫度補(bǔ)償、遠(yuǎn)程傳輸英文摘要ABSTRACTThis design is ma

3、inly used to the detect the content of carbon monoxide gas of Coal mine working underground place. The system uses SCM to deal with the concentration of carbon monoxide gas detect by sensor, display concentration of gas in every moment，to produce audible and visual alarm signal to remind staff. Mean

4、while ,to improve the degree of precision of detection，the system adopts the measure of temperature compensation to makeup for the character of temperature sensor.Thus it can be seen that the system comprises of the following parts：using the AT89C52-monolithicmachine with large scale intergration as

5、 the core；putting the side of monox compact-s carbon sensor into use which is produced by the global engineering giant Invensys corporation and has high sensitivity and steadiness to make the collection of data more accurate，which makes up signal opsonization circuit with operation amplifier.employi

6、ng ADS1110 digifax change circuit ；making use of unibus temperature sensor DS18B20 to make up temperature compensation circuit，and addition to appropriate soft design to compensate the character of temperature sensors.To observe easyly，adopting LED digital tube with driving circuit and manifestation

7、 circuit to shoy the concentration of carbon，at the same time setting up sound-optical alarm circuit；besides，putting infrared remote control to complete parametrical disposing；using RS-485 communication interface to transmit long-distance data accompaning with electric current output circuit and fre

8、quency output circuit.Keyword：CO gas detection, AT89C52, electrochemical sensor, DS18B20temperature compensation, remote transmission目錄目錄摘要IABSTRACTII第一章 引 言11.1 研究課題的背景與設(shè)計(jì)要求11.2氣體傳感器的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及差距11.3 未來(lái)傳感器的發(fā)展方向3第二章 課題的總體設(shè)計(jì)方案選擇42.1 兩種方案的設(shè)計(jì)42.1.1 方案一的論證42.1.2 方案二的論證42.2 系統(tǒng)方案的確定與組成5第三章 一氧化碳報(bào)警器的硬件芯片介紹63.1單

9、片機(jī)的簡(jiǎn)述63.2傳感器芯片結(jié)構(gòu)與參數(shù)83.2.1電化學(xué)傳感器簡(jiǎn)單介紹83.2.2傳統(tǒng)兩電極一氧化碳傳感器83.2.3新型三電極一氧化碳傳感器103.2.4 一氧化碳傳感器的主要參數(shù)123.3 運(yùn)算放大器OP07芯片173.4 A/D轉(zhuǎn)換器ADS1110173.4.1 ADS1110的結(jié)構(gòu)和參數(shù)173.4.2 ADS1110的使用183.5 傳感器溫度補(bǔ)償器芯片DS18B20193.5.1 DS18B20的特征：193.5.2 DS18B20的工作原理203.6 驅(qū)動(dòng)器MAX7219資料簡(jiǎn)介213.7 RS-485收發(fā)器MAX487223.8 8050的芯片介紹22第四章 一氧化碳報(bào)警器電路原

10、理模塊的介紹244.1 一氧化碳傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換與放大電路244.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊254.3 DS18B20的外部接口電路264.4 LED的串行顯示驅(qū)動(dòng)電路264.4.1 MAX7219與AT89C52的硬件連接264.4.1 MAX7219驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管顯示電路274.4 RS-485串行通信協(xié)議274.5.1 RS-485通信特點(diǎn)274.5.2 MAX487 與 AT89C52的接口電路284.6 紅外信號(hào)接收電路284.7 頻率和電流輸出電路設(shè)計(jì)294.7.1 頻率輸出電路294.7.2 電流輸出電路294.8 聲光報(bào)警功能電路設(shè)計(jì)314.9 5伏電源模塊設(shè)計(jì)32第五章 氣體檢測(cè)報(bào)警儀

11、的軟件設(shè)計(jì)335.1 主程序流程圖335.2 ADS1110的轉(zhuǎn)換流程圖335.3 采樣數(shù)據(jù)處理軟件濾波算法335.4 MAX7219驅(qū)動(dòng)LED顯示345.5 串行通信程序設(shè)計(jì)355.6 聲光報(bào)警流程圖35結(jié)論36參考文獻(xiàn)37致 謝38附錄39第一章 引言第一章 引 言1.1 研究課題的背景與設(shè)計(jì)要求一氧化碳是一種無(wú)色，無(wú)臭，無(wú)味的劇毒氣體。標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣體密度為l.25g/L，和空氣密度（標(biāo)準(zhǔn)狀況下1.293g/L）相差很小,這也是容易發(fā)生煤氣中毒的因素之一。如果人體短時(shí)間內(nèi)吸收較高濃度的CO，或濃度雖低，但吸時(shí)間較長(zhǎng)，均可造成急性中毒。CO與血紅蛋白結(jié)合能力超過(guò)氧和血紅蛋白的結(jié)合能力的200

12、-300倍，當(dāng)CO與血紅蛋白結(jié)合形成的碳氧血紅蛋白含量達(dá)到5%時(shí)，就會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生慢性損害，是人體感覺(jué)到疲勞，導(dǎo)致出現(xiàn)類(lèi)似流感的癥狀，如頭痛，頭暈，虛弱等，達(dá)到一定程度就會(huì)使人死亡。在煤礦井下，CO超過(guò)24ppm的濃度后，就會(huì)對(duì)人類(lèi)的生命構(gòu)成威脅。因此，迫切需要一種能夠很好的監(jiān)控室內(nèi)一氧化碳濃度的儀器，并且在一氧化碳濃度過(guò)高時(shí)能夠報(bào)警提高人們注意力，保護(hù)人們生命財(cái)產(chǎn)安全。當(dāng)今，單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展，由單片機(jī)技術(shù)開(kāi)發(fā)的智能化測(cè)控設(shè)備和產(chǎn)品廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，單片機(jī)技術(shù)產(chǎn)品和設(shè)備促進(jìn)了生產(chǎn)技術(shù)水平的提高。而此次的一氧化碳報(bào)警器檢測(cè)系統(tǒng)正是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的一種。單片機(jī)系統(tǒng)由軟件和硬件構(gòu)成。程

13、序的集合構(gòu)成了單片機(jī)的軟件系統(tǒng)；在CPU的基礎(chǔ)上，將輸入和輸出接口電路，存儲(chǔ)器和時(shí)鐘電路等集成在一個(gè)芯片上，還可以再接一些振蕩器等電路，構(gòu)成了單片機(jī)的硬件系統(tǒng)。單片機(jī)系統(tǒng)軟件和硬件是郵寄的整體，既相互獨(dú)立又密不可分，后者是前者的基礎(chǔ)，前者是后者的靈魂。本文的一氧化碳報(bào)警器就是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的一種典型應(yīng)用，要求能夠檢測(cè)一氧化碳?xì)怏w濃度，并且在氣體濃度超過(guò)給定值時(shí)候報(bào)警，以保障人們的生命安全。1.2氣體傳感器的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及差距國(guó)外從20世紀(jì)30年代開(kāi)始研究及開(kāi)發(fā)氣體傳感器，且發(fā)展迅速，一方面是因?yàn)槿藗儼踩庾R(shí)增強(qiáng)，對(duì)環(huán)境安全性和生活舒適性要求提高; 另一方面是因?yàn)閭鞲衅魇袌?chǎng)增長(zhǎng)受到政府安

14、全法規(guī)的推動(dòng)。隨著傳感器生產(chǎn)工藝水平逐步提高，傳感器口益小型化、集成度不斷增大，使得氣體檢測(cè)儀器的體積也逐漸變小，提高了氣體檢測(cè)儀器的便攜性，更加利十生產(chǎn)、運(yùn)輸及市場(chǎng)推廣。1963年5月，日本開(kāi)發(fā)完成第一臺(tái)接觸燃燒式家用燃?xì)庑孤﹫?bào)警器，次年12月其改良產(chǎn)品問(wèn)世，改良的報(bào)警器可以檢測(cè)燃?xì)?、一氧化碳等氣體，可以安裝在浴室或者采用集中監(jiān)視。美國(guó)也通過(guò)立法要求在家里或是商店工廠等公共場(chǎng)所安裝一氧化碳報(bào)警器。我國(guó)在研究的初期，主要是利用國(guó)外的一些核心技術(shù)和先進(jìn)的生產(chǎn)工藝。后來(lái)逐步完善生產(chǎn)系統(tǒng)，研究自己的傳感器技術(shù)，是氣體傳感器更進(jìn)一步的輕巧便攜，測(cè)量準(zhǔn)確。目前國(guó)家科學(xué)院對(duì)新型的氣體傳感器進(jìn)行大力支持，所

15、以氣體傳感器有著良好的發(fā)展前景。目前的情況是：（1）以Sn02、Zno和Y一F為主要材料的燒結(jié)型氣敏元件仍然占生產(chǎn)的絕大部分；經(jīng)過(guò)科研人員的努力，我國(guó)在接觸燃繞式氣敏元件的生產(chǎn)上研發(fā)了新的設(shè)備，并創(chuàng)新了生產(chǎn)方法；另外，電化學(xué)氣體傳感器還處于初步研制和應(yīng)用階段;（2）在結(jié)構(gòu)上，工藝上，以及材料方面均有所改善。其中，有代表性的是，研制了復(fù)合的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，具有更好的催化性能的表面膜和隔離層，也嘗試將一些制作收音機(jī)的半導(dǎo)體材料，二氧化硅，石英晶體等與制作氣敏傳感器相結(jié)合。（3）像CO，CH4等一些氣體傳感器也嘗試從降低功耗方面進(jìn)行研究，并產(chǎn)生初步成效，已投入市場(chǎng)。（4） 我國(guó)的氣敏元件傳感器的產(chǎn)量也是日

16、益劇增，從九十年代初期的四百萬(wàn)支，到一九九八年產(chǎn)量超過(guò)六百萬(wàn)支，到二零零零年已達(dá)到上千萬(wàn)支。應(yīng)用范圍也日益廣泛，從最初的軍事，煤礦，到現(xiàn)在的家庭，圖書(shū)館等公共場(chǎng)所，都安裝著氣體報(bào)警裝置，維護(hù)著社會(huì)的安全。總的來(lái)說(shuō)，我國(guó)的一氧化碳報(bào)警器技術(shù)有了一定的基礎(chǔ)和發(fā)展，但與日本、美國(guó)等國(guó)外先進(jìn)技術(shù)水平仍要落后幾年，主要在芯片生產(chǎn)集成技術(shù)以及系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用上有一定的差距。 1.3 未來(lái)傳感器的發(fā)展方向隨著微電腦和微電子技術(shù)的日益普及和應(yīng)用,對(duì)傳感器的各種性能有了更高的要求。傳感器的發(fā)展,主要有以下幾個(gè)方面:(1)新特性由于生產(chǎn)技術(shù)的不斷提高，對(duì)傳感器的特性的多樣化有了更高的要求，要求精度更高，檢測(cè)范圍更

17、廣，響應(yīng)速度更快，氣體的抗干擾能力更強(qiáng)。(2)壽命長(zhǎng)現(xiàn)有的傳感器使用壽命大多在一到兩年，而且需要定期的檢修。長(zhǎng)壽命的傳感器不僅可以節(jié)約資金，還節(jié)省了更換檢測(cè)的人力物力。(3)小型化傳感器太大不易與其他元件和芯片集成一體化。(4) 新材料氣體傳感器的發(fā)展與新材料的研究密不可分。每一次新材料的產(chǎn)生都使氣體傳感器有了更進(jìn)一步的發(fā)展。像半導(dǎo)體材料，高壓分子膜，集成技術(shù)等都在傳感器的設(shè)計(jì)中得到了充分的應(yīng)用。第二章 總體設(shè)計(jì)方案第二章 課題的總體設(shè)計(jì)方案選擇2.1 兩種方案的設(shè)計(jì)2.1.1 方案一的論證圖2-1 方案一的設(shè)計(jì)框圖方案一：本設(shè)計(jì)方案采用了AT89C52單片機(jī)控制系統(tǒng)，由運(yùn)算控制放大器構(gòu)成信號(hào)

18、放大電路和電流電壓的轉(zhuǎn)換電路，再經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，向單片機(jī)控制系統(tǒng)輸入信號(hào)。其中，由于電化學(xué)傳感器易受周?chē)鷾囟鹊挠绊?，故在本設(shè)計(jì)中采取了由熱敏電阻構(gòu)成的溫度補(bǔ)償電路。此外，還添加了紅外遙控電路和聲光報(bào)警電路。在遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)中使用了RS232串行通信，并由此傳送給上位機(jī)。在輸出方面設(shè)置了LCD液晶顯示，還設(shè)計(jì)了頻率輸出和電流輸出電路。2.1.2 方案二的論證方案二：本設(shè)計(jì)方案中，在溫度補(bǔ)償方面選用了溫度補(bǔ)償芯片DS18B20，并運(yùn)用一定的運(yùn)算原理，進(jìn)行相應(yīng)的溫度補(bǔ)償。在顯示上，使用了max7219芯片驅(qū)動(dòng)顯示電路，它與單片機(jī)用三根導(dǎo)線就能連接，運(yùn)用硬件和軟件程序的相結(jié)合可以使LED顯示。在遠(yuǎn)程傳

19、輸方面，使用了RS485串行通信，與上位機(jī)相互傳輸數(shù)據(jù)。圖2-2 方案二的設(shè)計(jì)框圖2.2 系統(tǒng)方案的確定與組成方案選擇：在溫度補(bǔ)償方面，二者的選擇不同，方案一運(yùn)用了溫度補(bǔ)償電路，方案二運(yùn)用了溫度補(bǔ)償芯片，后者更穩(wěn)定，且它有獨(dú)特單的總線接口，只需要一個(gè)端口引腳線即可與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)通信，性能比較穩(wěn)定。在顯示上，雖然LCD液晶顯示器具有重量輕、體積小、功耗極低、顯示內(nèi)容豐富的特點(diǎn)，但是礦下的粉塵較多，肯能會(huì)造成LCD屏面模糊，不方便觀察。而使用max芯片驅(qū)動(dòng)的LED燈使觀察更明顯。在遠(yuǎn)程傳輸過(guò)程中，RS-485比RS232具有更遠(yuǎn)的傳輸距離，更高的穩(wěn)定性。它的最遠(yuǎn)傳輸距離可達(dá)1200m，此時(shí)的數(shù)據(jù)傳送

20、速率是100Kbps。所以我們選擇RS485進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的傳輸。綜上所述，我們采用方案二。第三章 硬件芯片介紹第三章 一氧化碳報(bào)警器的硬件芯片介紹 一個(gè)課題的設(shè)計(jì)都需要一些基本知識(shí)作為基礎(chǔ)。本課題屬于單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需要硬件知識(shí)和軟件知識(shí)相結(jié)合。其中軟件設(shè)計(jì)主要是編寫(xiě)一些程序，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的獲得和處理。硬件方面主要為硬件電路的設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)電路的信號(hào)采集，轉(zhuǎn)換，放大，驅(qū)動(dòng)，存儲(chǔ)，隔離等功能。實(shí)現(xiàn)這些功能則需要一些芯片作為基礎(chǔ)，本章主要對(duì)課題設(shè)計(jì)所需的相關(guān)芯片進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。軟件設(shè)計(jì)部分在第五章介紹。3.1單片機(jī)的簡(jiǎn)述單片機(jī)又稱(chēng)微型控制器，是一種電路集成芯片。采用超大規(guī)模集成電路將主處理器CPU，

21、存儲(chǔ)器ROM/RAM，I/0接口電路，時(shí)鐘電路，中斷系統(tǒng)等集成在同一芯片上，再加上一些外圍電路和器件等，就構(gòu)成了一個(gè)簡(jiǎn)單的單片機(jī)系統(tǒng)。本文使用的是美國(guó)美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C52型單片機(jī)。它采用ATMEL公司的非易失性存儲(chǔ)技術(shù)和高密度復(fù)合材料生產(chǎn)，可以兼容MCS-51與8052系列產(chǎn)品。它片內(nèi)內(nèi)置8位的中央處理器，含8KB的只讀存儲(chǔ)器可用于反復(fù)擦寫(xiě)，含256KB的隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，還有Flash閃存，此外，內(nèi)含2個(gè)外中斷口，3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2個(gè)全雙工串行通信口，2個(gè)讀寫(xiě)口線，功能齊全。 圖3-1 AT89C52的管腳圖AT89C52的管腳圖如圖3-1所示。（1）電源引腳GN

22、D（20腳）：接地；VCC（40腳）：接+5V工作電源；（2）時(shí)鐘引腳XTAL1(19腳)：此引腳作為外部振蕩器信號(hào)的輸入端，接外部晶體的一個(gè)引腳。XTAL2(18腳)：接外部晶體的另一端。（3）輸出/輸入接口引腳P0口（P0.0P0.7）：8位雙向I/O接口?？沈?qū)動(dòng)8個(gè)TTL負(fù)載，即可作為通用的I/O接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入和輸出，也能作為單片機(jī)系統(tǒng)的地址線/數(shù)據(jù)線使用。P1口（P1.0P1.7）：8位準(zhǔn)雙向I/O口?？沈?qū)動(dòng)4個(gè)TTL負(fù)載，其中P1.1和P1.0具有第二功能。P1.1用作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的外部控制端口，P1.0用于T2的計(jì)數(shù)脈沖輸入端。P2口（P2.0P2.7）：8位準(zhǔn)雙向I/O口

23、。既可以作為通用I/O口使用，也可以作為高8位地址線使用。P3口（P3.0P3.7）：8位準(zhǔn)雙向I/O口。每一位還具有第二功能。P3.0 RXD（串行輸入口）P3.1 TXD（串行輸出口） P3.2 /INT0（外部中斷0） P3.3 /INT1（外部中斷1） P3.4 T0（記時(shí)器0外部輸入） P3.5 T1（記時(shí)器1外部輸入） P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通） P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）（4）控制引腳RST(9腳)：即為RESET,為單片機(jī)的掉電保護(hù)端或上電復(fù)位端。ALE/PROG（30腳）：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。/PSEN

24、：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。3.2傳感器芯片結(jié)構(gòu)與參數(shù)3.2.1電化學(xué)傳感器簡(jiǎn)單介紹一氧化碳是一種由有機(jī)物質(zhì)不完全燃燒產(chǎn)生的氣體。 通常產(chǎn)生CO的設(shè)備是缺乏通風(fēng)的鍋爐或加熱電器，或是排出廢氣的車(chē)輛等。由于一氧化碳無(wú)色，無(wú)臭，無(wú)味，在它成為有害的，甚至是致命的濃度之前，人體是無(wú)法檢測(cè)到的。有許多不同的技術(shù)可用來(lái)檢測(cè)大氣中的一氧化碳，但其中很多方法會(huì)遇到部分或全部下列問(wèn)題：非特異性 - 氣體傳感器過(guò)于敏感的污染和背景氣體，而導(dǎo)致誤報(bào)。高功率的要求 - 傳感器需要一個(gè)恒定的電流輸入，保

25、持一個(gè)穩(wěn)定的信號(hào)，這就排除了使用便攜式電源或電池供電。超大 - 傳感器太大而不能和便攜設(shè)備一體化。短命 - 傳感器功能使用時(shí)間短，需要頻繁重新校準(zhǔn)或更換。電化學(xué)技術(shù)旨在解決所有這些問(wèn)題，當(dāng)前一代的傳感器為設(shè)備制造商提供了方便并且可靠的檢測(cè)氣體的方法。電化學(xué)傳感器可以被認(rèn)為是簡(jiǎn)單地將氣體濃度的物理特性轉(zhuǎn)換成可以通過(guò)儀器處理的電信號(hào)的轉(zhuǎn)換器。其本質(zhì)是，一氧化碳分子被轉(zhuǎn)換成導(dǎo)電性的物質(zhì)，當(dāng)它通過(guò)一個(gè)電路時(shí)可以產(chǎn)生一個(gè)可以使用合適的電路測(cè)量的電流。3.2.2傳統(tǒng)兩電極一氧化碳傳感器電化學(xué)傳感器的最簡(jiǎn)單的形式描述如下。兩個(gè)電極都沉浸在一種導(dǎo)電的溶液（電解液）。一氧化碳分子與水發(fā)生反應(yīng)的電極，稱(chēng)為工作電極

26、（或感應(yīng)電極），并轉(zhuǎn)化為二氧化碳，產(chǎn)生的質(zhì)子（氫離子）和電子（e-）。導(dǎo)電物質(zhì)轉(zhuǎn)移到其他氧氣存在的電極上，再生成水分子。因此，凈反應(yīng)是CO轉(zhuǎn)化為CO2，條件是存在氧氣。將兩個(gè)電極放入一個(gè)包含電阻的電路中，就可以衡量其電位差。使用歐姆定律（V = IR），電阻兩端的電壓降是成正比的電流，因此就是有毒氣體傳感器目前的濃度。圖3-2兩電極電化學(xué)元件 圖3-3 串聯(lián)電阻的兩電極元件電極電化學(xué)傳感器包含一些電極，這些電極通常是PTFE膜表面上的活性過(guò)渡金屬混合物，這樣才能有一個(gè)非常高的表面積。這些金屬作為一種電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，即他們加快了化學(xué)反應(yīng)，卻不改變自己的性質(zhì)。從理論上講，這些電極有無(wú)限的使用壽

27、命，因?yàn)樗麄儾皇芩麄兩磉呎诎l(fā)生的進(jìn)程的影響。然而，在實(shí)踐中，少量的雜質(zhì)氣體和其他物質(zhì)會(huì)隨著時(shí)間的推移會(huì)逐漸腐蝕電極，減少它們的活性，并導(dǎo)致靈敏度低。 monox電極的設(shè)計(jì)已經(jīng)克服了這個(gè)缺點(diǎn)，并提供了一個(gè)很長(zhǎng)的工作壽命。電解質(zhì)所有的電化學(xué)傳感器在電極之間包含一種反應(yīng)物質(zhì)是能夠移動(dòng)的導(dǎo)電介質(zhì)。由于一氧化碳反應(yīng)涉及質(zhì)子酸性溶液中穩(wěn)定，Monox傳感器含有少量的硫酸。傳感器在使用期間電極必須保持在“濕”的狀態(tài)，以確保在一氧化碳氧化所產(chǎn)生的質(zhì)子有一個(gè)可用的途徑使他們能達(dá)到反電極。硫酸是吸濕的，這意味著，它在不斷平衡傳感器外部的相對(duì)濕度。在潮濕的條件下，傳感器將通過(guò)電極膜吸收水，反之在干旱條件下，元件就

28、會(huì)失去水。正是這些最常見(jiàn)的條件不可逆地?fù)p害了上一代的傳感器。然而，Monox一氧化碳傳感器的設(shè)計(jì)足以應(yīng)付極端濕度的情況至少5年。3.2.3新型三電極一氧化碳傳感器參考電極早期一氧化碳傳感器只包含上面提到的兩個(gè)電極，一個(gè)工作電極和一個(gè)對(duì)電極。這樣的安排是一般適合低濃度的一氧化碳檢測(cè)并且響應(yīng)時(shí)間不是關(guān)鍵。然而，在更高水平的一氧化碳（>1000 ppm）存在時(shí)，兩個(gè)電極的設(shè)計(jì)，有一種產(chǎn)生輸出漂移的傾向。這是因?yàn)榇呋疌O氧化反應(yīng)的工作電極，開(kāi)始電能分化使其遠(yuǎn)離最佳工作電位。一旦電極足夠遠(yuǎn)離其最佳電位，其催化反應(yīng)的能力將大大降低，電池的輸出受到相應(yīng)影響。為了克服這種局限性，對(duì)一個(gè)額外的電極，參比電

29、極，進(jìn)行了介紹。這種電極與工作電極和反電極有相同的制定方式，就是沉浸在導(dǎo)電介質(zhì)中，但不作為催化劑參與任何電化學(xué)反應(yīng)。其目的就是提供一個(gè)穩(wěn)定的電位，使電流通過(guò)整個(gè)工作電極時(shí)是可衡量的。這通過(guò)使用一個(gè)電位電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，并在后面的章節(jié)中描述。毛細(xì)孔控制作用所有的傳感器都利用限制可以進(jìn)入傳感器的某種目標(biāo)氣體的數(shù)量的一些方法。最常實(shí)現(xiàn)的方法是使用被稱(chēng)為毛細(xì)孔的在傳感器頂部的一個(gè)小孔。這個(gè)毛細(xì)孔可以限制到達(dá)傳感器的工作電極的速率，并確保傳感器信號(hào)的線性度和重復(fù)性。進(jìn)入傳感器的氣體入口率是受到擴(kuò)散控制的，因此和周?chē)臍怏w濃度成正比。然而，壓力瞬態(tài)（分步進(jìn)行環(huán)境壓力變化）可以成為強(qiáng)行進(jìn)入傳感器的氣體，并產(chǎn)生一個(gè)

30、信號(hào)迅速衰減。為了避免這種情況，儀器制造商應(yīng)確保該傳感器在可能遭受壓力的微小變化的情況下，使用一個(gè)膨脹室。在沒(méi)有采樣系統(tǒng)只是用傳感器簡(jiǎn)單的測(cè)量周?chē)鷼怏w的情況下，壓力并不是主要問(wèn)題。過(guò)濾工作電極的設(shè)計(jì)是為了提供一種能夠長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行氧化反應(yīng)的高活性的催化表面的能力。然而，使用的金屬催化劑往往反應(yīng)太強(qiáng)烈，以至于他們?cè)诖呋谎趸挤磻?yīng)時(shí)附加進(jìn)行其他的電化學(xué)反應(yīng)。這樣的話，導(dǎo)致電極能夠與存在氣體樣品中的其他氣體反應(yīng)，并產(chǎn)生比高于預(yù)期的輸出。氣體傳感器制造商通常會(huì)提供一個(gè)帶過(guò)濾器的傳感器，在這些交叉干擾的氣體到達(dá)工作電極之前就消除掉。這些過(guò)濾器的特點(diǎn)可以分為兩大類(lèi);吸附 - 污染物被吸附到過(guò)濾器的表面，當(dāng)元

31、件接觸到凈化空氣時(shí)，則解吸。因此，過(guò)濾器的使用壽命是無(wú)限的。計(jì)量 - 過(guò)濾與污染物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，將他們變成不能工作電極反應(yīng)的物質(zhì)。由于是沒(méi)有催化反應(yīng)，過(guò)濾器被消耗，它的使用壽命是依賴(lài)于它所受到的污染氣體的濃度。在大多數(shù)應(yīng)用中，monox傳感器中包含一個(gè)吸附的過(guò)濾器，可以去除大部分的污染氣體。過(guò)濾器在傳感器的內(nèi)側(cè)，以?xún)?yōu)化其效率，并用來(lái)為整個(gè)傳感器的工作時(shí)提供元件保護(hù)。這種過(guò)濾器的設(shè)計(jì)用以滿(mǎn)足并超越UL2034的要求。傳感器的設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的電化學(xué)電池元件是基于酸電解質(zhì)中電極的“堆棧”原理，包含在塑料或金屬的外殼中，如下面的圖3.3所示。通過(guò)使用一種被壓縮在電極之間和沉浸在電解槽里的吸水材料，使電解質(zhì)和

32、電極之間保持聯(lián)系。氣體入口受傳感器上的毛細(xì)管孔控制，使氣體分子到達(dá)工作電極下方的蓋子頂面控制。傳感器通常提供額外的PTFE膜，保護(hù)元件對(duì)抗壓力的波動(dòng)。圖3-4 三電極電化學(xué)元件的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)monox進(jìn)一步優(yōu)化了這種設(shè)計(jì)，Monox已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種置于工作電極，反電極和參考電極上的膜。它作用于一個(gè)平面的多功能電極不僅形成一個(gè)更簡(jiǎn)單的制造過(guò)程，還使元件成本降到最低。參考電極從其他電極進(jìn)行機(jī)械篩選活躍，使氣體不能到達(dá)它，吸液芯機(jī)制簡(jiǎn)化。如圖3-5所示Monox設(shè)計(jì)。單元設(shè)計(jì)還包含一個(gè)非常小的后部通風(fēng)口，目前有兩個(gè)原因：1、為了讓氧氣到達(dá)傳感器的背面，由此為反電極反應(yīng)的發(fā)生提供電力。2、使傳感器緩解對(duì)壓力

33、的波動(dòng)。圖3-5 Monox電化學(xué)元件的設(shè)計(jì)3.2.4 一氧化碳傳感器的主要參數(shù)傳感器的主要參數(shù)為：靈敏度/輸出信號(hào)，跨度，響應(yīng)時(shí)間，線性，重復(fù)性，溫度依賴(lài)性，分辨率，最大過(guò)載，漂移。下面分別對(duì)每個(gè)特征進(jìn)行了討論。 基準(zhǔn)線這似乎有理由認(rèn)為，在無(wú)一氧化碳的情況下，一個(gè)電化學(xué)元件會(huì)產(chǎn)生零輸出。然而，情況并非如此。在恒電位電路中，電化學(xué)元件不斷產(chǎn)生少量的電流，稱(chēng)為基線。此電流是由于電子噪聲耦合于工作電極的電化學(xué)側(cè)面反應(yīng)而產(chǎn)生的。基準(zhǔn)電流通常是非常小的，不到幾百nA的，但在傳感器和元器件集成時(shí)應(yīng)考慮。例如，假設(shè)在校準(zhǔn)時(shí)，傳感器用干凈的空氣凈化三分鐘，然后儀器接觸一氧化碳。如果儀器假定元件在空氣中不產(chǎn)生

34、電流，并使用零作為基準(zhǔn)數(shù)字，當(dāng)它在傳感器的靈敏度的基礎(chǔ)上試圖計(jì)算出氣體濃度時(shí)，它會(huì)提供一個(gè)略高的不正確的結(jié)果。出于這個(gè)原因，我們建議，在校準(zhǔn)過(guò)程中，儀器儀表設(shè)計(jì)出來(lái)衡量一個(gè)零氣體接觸后的元件基線，這個(gè)數(shù)字被用來(lái)計(jì)算產(chǎn)生的一氧化碳?xì)怏w解除的電流量。靈敏度/輸出信號(hào)所有的電化學(xué)傳感器規(guī)定靈敏度或輸出信號(hào)。這個(gè)數(shù)字衡量由元件接觸一氧化碳而產(chǎn)生電流的多少。例如，Monox-S是一個(gè)定義為80 NA / PPM輸出信號(hào)提供。這意味著，傳感器每接觸1 ppm的一氧化碳，它會(huì)產(chǎn)生80 nA的電流。因此，如果元件接觸250 ppm的CO，它會(huì)產(chǎn)生80×250= 20000 NA（或20 mA）的電流

35、。 這種關(guān)系也可以從傳感器產(chǎn)生的電流量來(lái)計(jì)算目前氣體濃度是多少。例如，如果儀器內(nèi)的傳感器接觸到氣體樣本后產(chǎn)生5.2 mA的電流，則一氧化碳濃度是（5200/80）= 65 ppm的?？缍冗@是由于只針對(duì)目標(biāo)氣體傳感器產(chǎn)生的不包括基準(zhǔn)電流的電流被定義為跨度。例如，用干凈的空氣歸零，傳感器的基準(zhǔn)測(cè)量電流是25nA。傳感器目前測(cè)得的電流185 nA。因此傳感器的跨度為（185 - 25）= 160nA，等同于2 ppm的Monox-S 的CO傳感器（請(qǐng)注意，如果跨度計(jì)算基準(zhǔn)不忽略，儀器測(cè)得氣體濃度為2.3 ppm，會(huì)產(chǎn)生15%的誤差）。根據(jù)上述三個(gè)定義，我們提出以下關(guān)系：IB為基準(zhǔn)電流(nA)，$為靈

36、敏度(nA/ppm)，I為元件接觸CO所產(chǎn)生的電流(nA)。響應(yīng)時(shí)間當(dāng)傳感器接觸于目標(biāo)氣體時(shí)，它產(chǎn)生的輸出電流呈反向指數(shù)上升，如圖3-6所示。為了量化傳感器對(duì)氣體反應(yīng)的速度，通常用傳感器的響應(yīng)時(shí)間測(cè)量，通常被援引作為T(mén)90或T95。這是指?jìng)鞲衅鲝拈_(kāi)始反應(yīng)到達(dá)到整個(gè)跨度的百分之90時(shí)所用的時(shí)間。T90的響應(yīng)時(shí)間的確定方法如圖3-7所示。圖3-6 傳統(tǒng)的CO反應(yīng) 圖3-7 T90的響應(yīng)時(shí)間計(jì)算線性電化學(xué)元件在不同濃度的氣體之間在零和它的最大量程之間的能力稱(chēng)為線性。 Monox傳感器不同，并不是所有的電化學(xué)傳感器能夠產(chǎn)生一個(gè)天然氣的逐步改變和從預(yù)期的輸出偏差遲滯的線性輸出。一個(gè)典型的實(shí)驗(yàn)，其中Mon

37、ox傳感器受到氣體濃度的增加和記錄其輸出如圖3-8所示。所有Monox傳感器將顯示在他們的整個(gè)工作范圍線性產(chǎn)生小于5的偏差。圖3-8 線性的Monox一氧化碳傳感器溫度依賴(lài)性化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的速度涉及到分子動(dòng)力學(xué)。由于分子在較高的溫度運(yùn)動(dòng)更迅速，所以在高溫下化學(xué)反應(yīng)發(fā)生更快。相反，如果要反應(yīng)緩慢需要降低溫度。這意味著，外界環(huán)境溫度的不同，電化學(xué)傳感器的響應(yīng)在小范圍會(huì)有所不同。這種變化并不大，可以很容易地使用含有熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)的儀器或利用嵌入式軟件補(bǔ)償。由于傳感器的基線和輸出信號(hào)是由化學(xué)反應(yīng)作用的，所以這些參數(shù)都受溫度變化的影響。圖3-9和3-10顯示Monox-S的傳感器（這些圖表顯示了一批8個(gè)傳感

38、器的數(shù)據(jù)）的變化。圖3-9 傳感器基線的溫度依賴(lài)性 圖3-10 傳感器輸出的溫度依賴(lài)性分辨率傳感器的分辨率是元件是能夠區(qū)分最小的氣體的濃度。 Monox傳感器的電流范圍，定期校準(zhǔn)，提供1 ppm的分辨率，整個(gè)測(cè)量范圍為0 - 5000PPM。這使儀器設(shè)計(jì)者對(duì)于他們的儀器能準(zhǔn)確地分辨氣體樣品具有高度自信。最大過(guò)載所有的電化學(xué)傳感器來(lái)定義一個(gè)測(cè)量氣體可操作的范圍。如果超出這個(gè)范圍，也就是超過(guò)最大負(fù)載，傳感器就可能變成非線性。不像許多其他的商業(yè)傳感器，Monox NGT組傳感器不會(huì)被曝光過(guò)度而損壞。然而，他們可能需要用新鮮空氣進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的調(diào)節(jié)，以達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的基準(zhǔn)。漂移雖然在電化學(xué)傳感器的電極催化

39、不受一氧化碳反應(yīng)的影響，但他們正在逐漸減少整個(gè)生命周期的傳感器效率。這是因?yàn)樯倭康奈廴疚?，如有機(jī)蒸氣和硫化合物，在腐蝕催化劑的表面。隨著時(shí)間的推移，傳感器的輸出信號(hào)在逐步向下漂移，這個(gè)漂移的結(jié)果在圖3-11所示。圖3-11 傳統(tǒng)的Monox一氧化碳傳感器的輸出信號(hào)漂移從圖中可以看出，Monox傳感器輸出信號(hào)的漂移是非常緩慢的，并可以很容易地定期校準(zhǔn)與補(bǔ)償。本文中使用的傳感器操作參數(shù)為：響應(yīng)范圍 ： 0-5000 PPM； 輸出信號(hào)： 40±4nA/ppm；響應(yīng)時(shí)間（T90）： <40秒； 溫度范圍： -20至+50ºC；工作壽命：空氣中6年； 偏置電壓 ： 無(wú)；方位敏

40、感性： 無(wú)； 存儲(chǔ) ： -40至70°C ， 10-95RH ；R.H范圍：10-95RH（非冷凝）， 5-98間歇；線性 ：0-1000PPM<5 ，1000-5000 PPM<10；底線 ： 0-40 ±10PPM ， 40 - 50±20PPM；工作壓力：大氣壓±10 ；重復(fù)性：0-500PPM，空氣<1，500-5000PPM，<2，1000PPM，222；3.3 運(yùn)算放大器OP07芯片OP07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對(duì)于OP07A最大為25V），所以O(shè)

41、P07在很多應(yīng)用場(chǎng)合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時(shí)具有輸入偏置電流低（OP07A為±2nA）和開(kāi)環(huán)增益高（對(duì)于OP07A為300V/mV）的特點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開(kāi)環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測(cè)量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號(hào)等方面。特點(diǎn)超低偏移： 150V最大。 低輸入偏置電流： 1.8nA 。低失調(diào)電壓漂移： 0.5V/ 。 超穩(wěn)定，時(shí)間： 2V/month。 圖3-12 OP07管腳圖電壓范圍： ±3V至±22V 。OP07芯片引腳功能說(shuō)明： 1和8為偏置平衡(調(diào)零端)，2為反向輸入端，3為正向輸入端，4接地，5空腳 6為輸出，7接電源+ 3.4

42、 A/D轉(zhuǎn)換器ADS11103.4.1 ADS1110的結(jié)構(gòu)和參數(shù)ADS1110是一個(gè)分辨率高達(dá)16位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，對(duì)微弱的信號(hào)以高分辨率進(jìn)行測(cè)量，并且每秒采樣可以高達(dá)240次進(jìn)行轉(zhuǎn)換。片內(nèi)的基準(zhǔn)電壓為2.048V。提供范圍為±2.048V的輸入差分電壓。ADS1110 使用可兼容的I2C串行接口,在2.7V至5.5V的單電源下工作。下圖是ADS1110的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。圖3-13 ADS1110的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖3-14 ADS1110的引腳排列ADS1110的引腳功能ADS1110串行AD轉(zhuǎn)換器采用6引腳貼片封裝，其引腳排列如圖3-14所示。VDD：電源端，通常接+5V；GND：模擬地

43、和數(shù)字地；VIN+、VIN-：采樣模擬信號(hào)輸入端，其范圍為2.048 V2.048 V；SCL：I2C總線時(shí)鐘線；SDA：I2C總線數(shù)據(jù)線。3.4.2 ADS1110的使用1、工作方式ADS1110的工作方式有兩種:單周期轉(zhuǎn)換和連續(xù)轉(zhuǎn)換。在單周期轉(zhuǎn)換方式下，在轉(zhuǎn)換寄存器中的ST/位被置位為“1”時(shí)，ADS1110上電，對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后將結(jié)果置入輸出寄存器中。此時(shí)轉(zhuǎn)換寄存器中的ST/ 置為0，失電。在連續(xù)轉(zhuǎn)換方式下，ADS1110不停地進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換寄存器的高低電平對(duì)其沒(méi)有影響。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，ADS1110立即將結(jié)果置入輸出寄存器中，然后開(kāi)始下一輪的轉(zhuǎn)換。若將ADS1110從連續(xù)轉(zhuǎn)換方式切換

44、到單周期轉(zhuǎn)換方式，則在完成當(dāng)前的轉(zhuǎn)換后，對(duì)ST/復(fù)位，并去電。2、I2C接口 I2C接口是一個(gè)兩線的輸出接口，接口的漏極開(kāi)路。通過(guò)I2C接口用一條總線就可以使多個(gè)元件與主機(jī)連接。一條I2C總線由兩條線路組成：SDA線和SCL線。SDA傳送數(shù)據(jù)；SCL提供時(shí)鐘。所有數(shù)據(jù)以8位為一組通過(guò)I2C總線傳送。為了在I2C總線上傳送1位數(shù)據(jù)，須在SCL為低電平時(shí)驅(qū)動(dòng)SDA 線至適當(dāng)?shù)碾娖?SDA 為低則表明該位為“0”，為高則表明該位為“1”)。一旦SDA線穩(wěn)定下來(lái)，SCL線被拉高，然后變低。SCL線上的脈沖以時(shí)鐘將SDA位一位一位地移入接收器的移位寄存器中。I2C總線是雙向的；SDA線可用來(lái)發(fā)送和接收數(shù)

45、據(jù)。當(dāng)主機(jī)從從機(jī)中讀取數(shù)據(jù)時(shí)，從機(jī)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)線；當(dāng)主機(jī)向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，主機(jī)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)線。主機(jī)總是驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘線。ADS1110絕不會(huì)驅(qū)動(dòng)SCL，因?yàn)樗荒苡米髦鳈C(jī)。在ADS1110中，SCL只是一個(gè)輸入端。3.5 傳感器溫度補(bǔ)償器芯片DS18B20氣體傳感器特性總是會(huì)因環(huán)境溫度、濕度的影響而變化，氣體報(bào)警器要能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境氣氛的監(jiān)控，有效避免誤報(bào)、漏報(bào)，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性，必須對(duì)氣體傳感器進(jìn)行有效的溫、濕度補(bǔ)償和修正。因此，在溫度測(cè)量系統(tǒng)中，采用抗干擾能力強(qiáng)的新型數(shù)字溫度傳感器是解決這些問(wèn)題的最有效方案，新型數(shù)字溫度傳感器DS18B20 具有體積更小、精度更高、適用電壓更寬、采用一線總線、可組網(wǎng)等

46、優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的測(cè)溫效果。3.5.1 DS18B20的特征：獨(dú)特單總線接口，只需要一個(gè)端口引腳線即可實(shí)現(xiàn)通信；每個(gè)器件的片上ROM 有一個(gè)獨(dú)特64 位串行碼存儲(chǔ)；多點(diǎn)能力使分布式溫度檢測(cè)應(yīng)用得到簡(jiǎn)化；不需要外圍元件；能用數(shù)據(jù)線供電，供電的范圍3.0V5.5V；測(cè)量溫度的范圍：-55+125 （-67+257）；從-10+85的測(cè)量的精度是±0.5；溫度傳感器分別率由用戶(hù)從9-12 位中選擇；在750ms 內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為12 位數(shù)字字（最大值）；可采用8 引腳SO（150mil）、8 引腳SOP 和3 引腳TO-92 封裝；軟件兼容DS1822 器件；3.5.2 DS18

47、B20的工作原理圖3-15 DS18B20溫度測(cè)量原理框圖DS18B20的讀寫(xiě)時(shí)序和測(cè)溫原理與DS1820相同，只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同而不同，且溫度轉(zhuǎn)換時(shí)的延時(shí)時(shí)間由2s 減為750ms。DS18B20測(cè)溫原理如圖3-15所示。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給計(jì)數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為計(jì)數(shù)器2 的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在55所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)，溫度寄存器的值將加1，計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計(jì)數(shù)器1重新開(kāi)

48、始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度。圖3-17中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過(guò)程中的非線性，其輸出用于修正計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值。3.6 驅(qū)動(dòng)器MAX7219資料簡(jiǎn)介MAX7219是雙列直插式芯片, 如圖3-16所示, 其中SEGASEGF是7段驅(qū)動(dòng)輸出端, 直接驅(qū)動(dòng)LED對(duì)應(yīng)的7個(gè)段( SEG DP為小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)輸出端) 。BIG3BIG0分別接4個(gè)共陰顯示器的陰極。DIN是待顯示信息的數(shù)據(jù)輸入端, 以串行方式移入內(nèi)部的16 位寄存器中寄存。CLK是時(shí)鐘脈沖輸入端( 最大頻率10MHz) , 在每個(gè)C

49、LK 脈沖上升沿的作用下, DIN端的1位數(shù)據(jù)被移入內(nèi)部寄存器。 圖3-16 max7219芯片管腳圖LOAD端是裝載數(shù)據(jù)輸入端, 在DIN端輸入數(shù)據(jù)時(shí), 它應(yīng)保持高電平。當(dāng)一組數(shù)據(jù)(16bit) 被移入內(nèi)部寄存器后, 由LOAD脈沖的上升沿鎖定16位數(shù)據(jù), 最高位(B15)位首先被移入, 然后按順序移入, 直至B0位被移入。DIN：行數(shù)據(jù)輸入端。當(dāng)CIK為上升沿時(shí)，數(shù)據(jù)被載入內(nèi)部移位寄存器。 CLK：串行時(shí)鐘輸入端。其最大工作頻率可達(dá)10MHz，在CLK的上升沿，數(shù)據(jù)移入內(nèi)部移位寄存器中，在時(shí)鐘的下降沿，數(shù)據(jù)從DOUT端輸出。LOAD：片選端，當(dāng)L OAD為低電平時(shí)，芯片接收來(lái)自DIN的數(shù)據(jù)

50、，接收完畢，LOAD回到高電平時(shí)，接收的數(shù)據(jù)將被鎖定。 DIGODIG7：吸收顯示器共陰極電流的位驅(qū)動(dòng)線。其最大值可達(dá)500 mA，關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，輸出 + Vcc。SEGASEGDP：為驅(qū)動(dòng)顯示器7段及小數(shù)點(diǎn)的輸出電流，一般為40mA左右，可軟件調(diào)整，關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，接入GND。 DOUT ：串行數(shù)據(jù)輸出端，需經(jīng)過(guò)16.5個(gè)時(shí)鐘周期DOUT端的數(shù)據(jù)才有效，通常直接接入下一個(gè)MAX7219的DIN端。其中,B3B0位為5個(gè)控制寄存器的命令字或4個(gè)LED顯示器待顯示的內(nèi)容。由于控制寄存器與顯示寄存器均獨(dú)立編址,所以可以單獨(dú)對(duì)每個(gè)寄存器編程。一般情況下, 先送控制命令,后向顯示寄存器送數(shù)據(jù), 但必須注意,

51、 每16bit為一組, 必須先送地址字節(jié), 后送數(shù)據(jù)字節(jié)。3.7 RS-485收發(fā)器MAX487在遠(yuǎn)程控制芯片中選擇了MAX487。它是由接收器和驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成。用于半雙工通信。雖然傳輸速度不高只有0.25Mbps，但具有強(qiáng)烈的抗干擾能力，所以傳輸距離比較遠(yuǎn)，可達(dá)到上千米。適用于本設(shè)計(jì)系統(tǒng)在煤礦與控制室之間的傳輸。最低能檢測(cè)到200mv的信號(hào)， 圖3-17 MAX487管腳圖使傳輸數(shù)據(jù)即使距離很遠(yuǎn)也可以得到精確的恢復(fù)。MAX487共有8個(gè)管腳，其管腳分布和管腳功能分別如圖3-17和表3-1所示。表3-1 管腳功能圖3.8 8050的芯片介紹表3-2 8050芯片參數(shù)介紹第四章 電路原理模塊的介紹第

52、四章 一氧化碳報(bào)警器電路原理模塊的介紹4.1 一氧化碳傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換與放大電路精確的電路結(jié)構(gòu)將依賴(lài)于電源和輸出的要求。電路試圖使工作電極和參考電極保持在相同的電位。要達(dá)到這一點(diǎn)，對(duì)電極中有電流通過(guò)。所需電流的大小與元件觀測(cè)到的一氧化碳的濃度成正比。這種控制電路被稱(chēng)為恒電路。圖4-1 信號(hào)放大電路電路圖如4-1所示。這種電路工作于±5V。選擇運(yùn)算放大器OP07是因?yàn)樗母唛_(kāi)環(huán)增益，相對(duì)低噪聲和低輸入電壓。其中最后一條很重要，否則，在輸出端將會(huì)產(chǎn)生偏移。兩個(gè)運(yùn)算放大器都有輸入失調(diào)電阻。如圖3-13顯示，OP-AMP1選擇一個(gè)反饋電容作為一個(gè)濾波器。OP-AMP2必須選擇阻值很小的電阻，否

53、則它將會(huì)通過(guò)一個(gè)很大的電勢(shì)，在參考電極和工作電極產(chǎn)生一個(gè)顯著的電勢(shì)差。在實(shí)踐中，以為OP07的輸入失調(diào)電壓很小，所以在0V到正向輸入端的電阻可以省略。參考電極和工作電極就像兩個(gè)同相輸入端一樣維持在0V。CO的介入導(dǎo)致OPAMP1的輸出相對(duì)于參考電極產(chǎn)生負(fù)的擺動(dòng)。電流從OPAMP2流入OPAMP1。OPAMP2作為一個(gè)電流電壓的轉(zhuǎn)換器，每80nA的輸入電流產(chǎn)生0.8mV的輸出電壓。相當(dāng)于2ppm的一氧化碳。由于OPAMP2是容性負(fù)載，所以應(yīng)當(dāng)插入一個(gè)10K的電阻（R7）保持穩(wěn)定，并用來(lái)防止高容性負(fù)載的電路振蕩。兩個(gè)運(yùn)算放大器的同相輸入端經(jīng)過(guò)微功率的穩(wěn)壓二極管接地，其接入保證兩個(gè)放大器的同相輸入端

54、的電壓穩(wěn)定在1.235V，第一個(gè)放大器在輸出點(diǎn)處加了一個(gè)反饋電容，起過(guò)濾作用。第二個(gè)放大器主要是對(duì)信號(hào)起放大作用，其偏置電阻必須很小，否則會(huì)在其上面產(chǎn)生電壓降落，參考電極和工作電極會(huì)有電壓差。實(shí)際上，因?yàn)镺P07有一個(gè)很小的輸入偏置電壓，所以其輸入偏置電阻上的電壓降落可以被忽略。4.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊本模塊是ADS1110在AT89C51系統(tǒng)應(yīng)用。通過(guò)ADSl110對(duì)所獲得的電壓信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，所獲得的數(shù)據(jù)由I2C總線進(jìn)行傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)內(nèi)。ADSl110數(shù)據(jù)線SDA至單片機(jī)的P1.0，時(shí)鐘線SCL連接單片機(jī)的P1.1，上拉電阻阻值選10 k。圖4-2 ADS1110的接線圖4.3 DS18B20

55、的外部接口電路在外部電源供電方式下，DS18B20工作電源由VDD引腳接入，此時(shí)I/O線不需要強(qiáng)上拉，不存在電源電流不足的問(wèn)題，可以保證轉(zhuǎn)換精度，同時(shí)在總線上理論可以掛接任意多個(gè)DS18B20 傳感器，組成多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)。注意：在外部供電的方式下，DS18B20的GND引腳不能懸空，否則不能轉(zhuǎn)換溫度，讀取的溫度總是85。圖4-3 DS18B20與單片機(jī)的連接4.4 LED的串行顯示驅(qū)動(dòng)電路4.4.1 MAX7219與AT89C52的硬件連接圖4-4 MAX7219與單片機(jī)的接口電路如圖4-4是MAX7219與89C52的硬件連接圖。AT89C52工作在內(nèi)部ROM 狀態(tài)下, 即EA接高電平。用單片

56、機(jī)的P0.0作串行數(shù)據(jù)輸出, P0.1模擬MAX7219 時(shí)鐘脈沖CLK , 而P0.2則模擬其LOAD信號(hào)。另外, 18和19腳連接1個(gè)電阻是必要的。電阻R29為亮度控制電阻，其最小值為9.53K，對(duì)應(yīng)的段電流為37mA，當(dāng)用于礦下顯示時(shí)，可以接可調(diào)電阻，便于調(diào)節(jié)LED顯示的亮度。4.4.1 MAX7219驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管顯示電路 圖4-5 MAX7219驅(qū)動(dòng)LED顯示電路MAX7219 的SEG ASEG F、SEG DP分別直接并接至7 段LED 顯示器對(duì)應(yīng)的a f 以及dp端, BIG0BIG3分別接4個(gè)共陰極7段LED顯示器的陰極。軟件設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)為每位LED的位地址送入不同的值顯示。4.4 RS-485串行通信協(xié)議4.5.1 RS-485通信特點(diǎn)RS-485總線,在要求通信距離為幾十米到上千米時(shí)，廣泛采用RS-485 串行總線標(biāo)準(zhǔn)。RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測(cè)低至200mV的電壓，故傳輸信號(hào)能在千米以外得到恢復(fù)。根據(jù)RS485工業(yè)總線標(biāo)準(zhǔn)，RS485工業(yè)總線為特性阻抗120的半雙工通訊總線，任何時(shí)候只能有一點(diǎn)