0╲u00100╲u00100╲u00100一氧化碳氣體檢測報警儀的設計

1、SHANDONG畢業(yè)設計說明書一氧化碳氣體檢測報警儀的設計學 院：電氣與電子工程學院專 業(yè)：電氣工程及其自動化學生姓名： 孫雯 學 號： 0812207005 指導教師： 劉連鑫 2012年6月40中文摘要摘要本設計主要用于檢測煤礦井下作業(yè)場所一氧化碳氣體的含量。本系統(tǒng)采用單片機對傳感器檢測的一氧化碳氣體濃度進行處理，實時顯示氣體的濃度值，產(chǎn)生相應的聲光報警信號提醒工作人員注意。同時，為提高檢測精度，系統(tǒng)采用溫度補償措施以補償傳感器溫度特性。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)采集更加可靠準確,與運算放大器OP07構(gòu)成了信號調(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)成溫度補償電路，并附加相應的軟件設計，來補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)動電路和顯示電路實時顯示一氧化碳的濃度，并設置了聲光報警電路；此外，還采用了紅外遠程遙控完成參數(shù)配置，利用RS-485通信接口，進行遠程數(shù)據(jù)傳輸，并設計了電流輸出電路和頻率輸出電路。關鍵詞：CO氣體檢測，AT89C52，電化學傳感器，DS18B20溫度補償、遠程傳輸英文摘要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計要求11.2氣體傳感器的國內(nèi)外現(xiàn)狀及差距11.3 未來傳感器的發(fā)展方向3第二章 課題的總體設計方案選擇42.1 兩種方案的設計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 一氧化碳報警器的硬件芯片介紹63.1單

9、片機的簡述63.2傳感器芯片結(jié)構(gòu)與參數(shù)83.2.1電化學傳感器簡單介紹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)動器MAX7219資料簡介213.7 RS-485收發(fā)器MAX487223.8 8050的芯片介紹22第四章 一氧化碳報警器電路原

10、理模塊的介紹244.1 一氧化碳傳感器信號轉(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)動電路264.4.1 MAX7219與AT89C52的硬件連接264.4.1 MAX7219驅(qū)動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274.5.2 MAX487 與 AT89C52的接口電路284.6 紅外信號接收電路284.7 頻率和電流輸出電路設計294.7.1 頻率輸出電路294.7.2 電流輸出電路294.8 聲光報警功能電路設計314.9 5伏電源模塊設計32第五章 氣體檢測報警儀

11、的軟件設計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LED顯示345.5 串行通信程序設計355.6 聲光報警流程圖35結(jié)論36參考文獻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計要求一氧化碳是一種無色，無臭，無味的劇毒氣體。標準狀況下氣體密度為l.25g/L，和空氣密度（標準狀況下1.293g/L）相差很小,這也是容易發(fā)生煤氣中毒的因素之一。如果人體短時間內(nèi)吸收較高濃度的CO，或濃度雖低，但吸時間較長，均可造成急性中毒。CO與血紅蛋白結(jié)合能力超過氧和血紅蛋白的結(jié)合能力的200

12、-300倍，當CO與血紅蛋白結(jié)合形成的碳氧血紅蛋白含量達到5%時，就會對人體產(chǎn)生慢性損害，是人體感覺到疲勞，導致出現(xiàn)類似流感的癥狀，如頭痛，頭暈，虛弱等，達到一定程度就會使人死亡。在煤礦井下，CO超過24ppm的濃度后，就會對人類的生命構(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高時能夠報警提高人們注意力，保護人們生命財產(chǎn)安全。當今，單片機微型計算機技術迅猛發(fā)展，由單片機技術開發(fā)的智能化測控設備和產(chǎn)品廣泛應用到各個領域，單片機技術產(chǎn)品和設備促進了生產(chǎn)技術水平的提高。而此次的一氧化碳報警器檢測系統(tǒng)正是單片機應用系統(tǒng)中的一種。單片機系統(tǒng)由軟件和硬件構(gòu)成。程

13、序的集合構(gòu)成了單片機的軟件系統(tǒng)；在CPU的基礎上，將輸入和輸出接口電路，存儲器和時鐘電路等集成在一個芯片上，還可以再接一些振蕩器等電路，構(gòu)成了單片機的硬件系統(tǒng)。單片機系統(tǒng)軟件和硬件是郵寄的整體，既相互獨立又密不可分，后者是前者的基礎，前者是后者的靈魂。本文的一氧化碳報警器就是單片機應用系統(tǒng)的一種典型應用，要求能夠檢測一氧化碳氣體濃度，并且在氣體濃度超過給定值時候報警，以保障人們的生命安全。1.2氣體傳感器的國內(nèi)外現(xiàn)狀及差距國外從20世紀30年代開始研究及開發(fā)氣體傳感器，且發(fā)展迅速，一方面是因為人們安全意識增強，對環(huán)境安全性和生活舒適性要求提高; 另一方面是因為傳感器市場增長受到政府安

14、全法規(guī)的推動。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，使得氣體檢測儀器的體積也逐漸變小，提高了氣體檢測儀器的便攜性，更加利十生產(chǎn)、運輸及市場推廣。1963年5月，日本開發(fā)完成第一臺接觸燃燒式家用燃氣泄漏報警器，次年12月其改良產(chǎn)品問世，改良的報警器可以檢測燃氣、一氧化碳等氣體，可以安裝在浴室或者采用集中監(jiān)視。美國也通過立法要求在家里或是商店工廠等公共場所安裝一氧化碳報警器。我國在研究的初期，主要是利用國外的一些核心技術和先進的生產(chǎn)工藝。后來逐步完善生產(chǎn)系統(tǒng)，研究自己的傳感器技術，是氣體傳感器更進一步的輕巧便攜，測量準確。目前國家科學院對新型的氣體傳感器進行大力支持，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)過科研人員的努力，我國在接觸燃繞式氣敏元件的生產(chǎn)上研發(fā)了新的設備，并創(chuàng)新了生產(chǎn)方法；另外，電化學氣體傳感器還處于初步研制和應用階段;（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，研制了復合的補償結(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的半導體材料，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行研究，并產(chǎn)生初步成效，已投入市場。（4） 我國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支，到一九九八年產(chǎn)量超過六百萬支，到二零零零年已達到上千萬支。應用范圍也日益廣泛，從最初的軍事，煤礦，到現(xiàn)在的家庭，圖書館等公共場所，都安裝著氣體報警裝置，維護著社會的安全?？偟膩碚f，我國的一氧化碳報警器技術有了一定的基礎和發(fā)展，但與日本、美國等國外先進技術水平仍要落后幾年，主要在芯片生產(chǎn)集成技術以及系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化應用上有一定的差距。 1.3 未來傳感器的發(fā)展方向隨著微電腦和微電子技術的日益普及和應用,對傳感器的各種性能有了更高的要求。傳感器的發(fā)展,主要有以下幾個方面:(1)新特性由于生產(chǎn)技術的不斷提高，對傳感器的特性的多樣化有了更高的要求，要求精度更高，檢測范圍更

17、廣，響應速度更快，氣體的抗干擾能力更強。(2)壽命長現(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。長壽命的傳感器不僅可以節(jié)約資金，還節(jié)省了更換檢測的人力物力。(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一步的發(fā)展。像半導體材料，高壓分子膜，集成技術等都在傳感器的設計中得到了充分的應用。第二章 總體設計方案第二章 課題的總體設計方案選擇2.1 兩種方案的設計2.1.1 方案一的論證圖2-1 方案一的設計框圖方案一：本設計方案采用了AT89C52單片機控制系統(tǒng)，由運算控制放大器構(gòu)成信號

18、放大電路和電流電壓的轉(zhuǎn)換電路，再經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，向單片機控制系統(tǒng)輸入信號。其中，由于電化學傳感器易受周圍溫度的影響，故在本設計中采取了由熱敏電阻構(gòu)成的溫度補償電路。此外，還添加了紅外遙控電路和聲光報警電路。在遠程傳輸系統(tǒng)中使用了RS232串行通信，并由此傳送給上位機。在輸出方面設置了LCD液晶顯示，還設計了頻率輸出和電流輸出電路。2.1.2 方案二的論證方案二：本設計方案中，在溫度補償方面選用了溫度補償芯片DS18B20，并運用一定的運算原理，進行相應的溫度補償。在顯示上，使用了max7219芯片驅(qū)動顯示電路，它與單片機用三根導線就能連接，運用硬件和軟件程序的相結(jié)合可以使LED顯示。在遠程傳

19、輸方面，使用了RS485串行通信，與上位機相互傳輸數(shù)據(jù)。圖2-2 方案二的設計框圖2.2 系統(tǒng)方案的確定與組成方案選擇：在溫度補償方面，二者的選擇不同，方案一運用了溫度補償電路，方案二運用了溫度補償芯片，后者更穩(wěn)定，且它有獨特單的總線接口，只需要一個端口引腳線即可與單片機實現(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，但是礦下的粉塵較多，肯能會造成LCD屏面模糊，不方便觀察。而使用max芯片驅(qū)動的LED燈使觀察更明顯。在遠程傳輸過程中，RS-485比RS232具有更遠的傳輸距離，更高的穩(wěn)定性。它的最遠傳輸距離可達1200m，此時的數(shù)據(jù)傳送

20、速率是100Kbps。所以我們選擇RS485進行遠程數(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 一氧化碳報警器的硬件芯片介紹 一個課題的設計都需要一些基本知識作為基礎。本課題屬于單片機系統(tǒng)的設計，需要硬件知識和軟件知識相結(jié)合。其中軟件設計主要是編寫一些程序，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的獲得和處理。硬件方面主要為硬件電路的設計，以實現(xiàn)電路的信號采集，轉(zhuǎn)換，放大，驅(qū)動，存儲，隔離等功能。實現(xiàn)這些功能則需要一些芯片作為基礎，本章主要對課題設計所需的相關芯片進行簡單的介紹。軟件設計部分在第五章介紹。3.1單片機的簡述單片機又稱微型控制器，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、存儲器ROM/RAM，I/0接口電路，時鐘電路，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)成了一個簡單的單片機系統(tǒng)。本文使用的是美國美國ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C52型單片機。它采用ATMEL公司的非易失性存儲技術和高密度復合材料生產(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的只讀存儲器可用于反復擦寫，含256KB的隨機數(shù)據(jù)存儲器，還有Flash閃存，此外，內(nèi)含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數(shù)器，2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線，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）時鐘引腳XTAL1(19腳)：此引腳作為外部振蕩器信號的輸入端，接外部晶體的一個引腳。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8個TTL負載，即可作為通用的I/O接口進行數(shù)據(jù)的輸入和輸出，也能作為單片機系統(tǒng)的地址線/數(shù)據(jù)線使用。P1口（P1.0P1.7）：8位準雙向I/O口。可驅(qū)動4個TTL負載，其中P1.1和P1.0具有第二功能。P1.1用作定時器/計數(shù)器2的外部控制端口，P1.0用于T2的計數(shù)脈沖輸入端。P2口（P2.0P2.7）：8位準雙向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（記時器0外部輸入） P3.5 T1（記時器1外部輸入） P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）（4）控制引腳RST(9腳)：即為RESET,為單片機的掉電保護端或上電復位端。ALE/PROG（30腳）：當訪問外部存儲器時，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、：外部程序存儲器的選通信號。/EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。3.2傳感器芯片結(jié)構(gòu)與參數(shù)3.2.1電化學傳感器簡單介紹一氧化碳是一種由有機物質(zhì)不完全燃燒產(chǎn)生的氣體。 通常產(chǎn)生CO的設備是缺乏通風的鍋爐或加熱電器，或是排出廢氣的車輛等。由于一氧化碳無色，無臭，無味，在它成為有害的，甚至是致命的濃度之前，人體是無法檢測到的。有許多不同的技術可用來檢測大氣中的一氧化碳，但其中很多方法會遇到部分或全部下列問題：非特異性 - 氣體傳感器過于敏感的污染和背景氣體，而導致誤報。高功率的要求 - 傳感器需要一個恒定的電流輸入，保

25、持一個穩(wěn)定的信號，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備一體化。短命 - 傳感器功能使用時間短，需要頻繁重新校準或更換。電化學技術旨在解決所有這些問題，當前一代的傳感器為設備制造商提供了方便并且可靠的檢測氣體的方法。電化學傳感器可以被認為是簡單地將氣體濃度的物理特性轉(zhuǎn)換成可以通過儀器處理的電信號的轉(zhuǎn)換器。其本質(zhì)是，一氧化碳分子被轉(zhuǎn)換成導電性的物質(zhì)，當它通過一個電路時可以產(chǎn)生一個可以使用合適的電路測量的電流。3.2.2傳統(tǒng)兩電極一氧化碳傳感器電化學傳感器的最簡單的形式描述如下。兩個電極都沉浸在一種導電的溶液（電解液）。一氧化碳分子與水發(fā)生反應的電極，稱為工作電極

26、（或感應電極），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，凈反應是CO轉(zhuǎn)化為CO2，條件是存在氧氣。將兩個電極放入一個包含電阻的電路中，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3-2兩電極電化學元件 圖3-3 串聯(lián)電阻的兩電極元件電極電化學傳感器包含一些電極，這些電極通常是PTFE膜表面上的活性過渡金屬混合物，這樣才能有一個非常高的表面積。這些金屬作為一種電化學反應的催化劑，即他們加快了化學反應，卻不改變自己的性質(zhì)。從理論上講，這些電極有無限的使用壽

27、命，因為他們不受他們身邊正在發(fā)生的進程的影響。然而，在實踐中，少量的雜質(zhì)氣體和其他物質(zhì)會隨著時間的推移會逐漸腐蝕電極，減少它們的活性，并導致靈敏度低。 monox電極的設計已經(jīng)克服了這個缺點，并提供了一個很長的工作壽命。電解質(zhì)所有的電化學傳感器在電極之間包含一種反應物質(zhì)是能夠移動的導電介質(zhì)。由于一氧化碳反應涉及質(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)子有一個可用的途徑使他們能達到反電極。硫酸是吸濕的，這意味著，它在不斷平衡傳感器外部的相對濕度。在潮濕的條件下，傳感器將通過電極膜吸收水，反之在干旱條件下，元件就

28、會失去水。正是這些最常見的條件不可逆地損害了上一代的傳感器。然而，Monox一氧化碳傳感器的設計足以應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電極，一個工作電極和一個對電極。這樣的安排是一般適合低濃度的一氧化碳檢測并且響應時間不是關鍵。然而，在更高水平的一氧化碳（>1000 ppm）存在時，兩個電極的設計，有一種產(chǎn)生輸出漂移的傾向。這是因為催化CO氧化反應的工作電極，開始電能分化使其遠離最佳工作電位。一旦電極足夠遠離其最佳電位，其催化反應的能力將大大降低，電池的輸出受到相應影響。為了克服這種局限性，對一個額外的電極，參比電

29、極，進行了介紹。這種電極與工作電極和反電極有相同的制定方式，就是沉浸在導電介質(zhì)中，但不作為催化劑參與任何電化學反應。其目的就是提供一個穩(wěn)定的電位，使電流通過整個工作電極時是可衡量的。這通過使用一個電位電路來實現(xiàn)，并在后面的章節(jié)中描述。毛細孔控制作用所有的傳感器都利用限制可以進入傳感器的某種目標氣體的數(shù)量的一些方法。最常實現(xiàn)的方法是使用被稱為毛細孔的在傳感器頂部的一個小孔。這個毛細孔可以限制到達傳感器的工作電極的速率，并確保傳感器信號的線性度和重復性。進入傳感器的氣體入口率是受到擴散控制的，因此和周圍的氣體濃度成正比。然而，壓力瞬態(tài)（分步進行環(huán)境壓力變化）可以成為強行進入傳感器的氣體，并產(chǎn)生一個

30、信號迅速衰減。為了避免這種情況，儀器制造商應確保該傳感器在可能遭受壓力的微小變化的情況下，使用一個膨脹室。在沒有采樣系統(tǒng)只是用傳感器簡單的測量周圍氣體的情況下，壓力并不是主要問題。過濾工作電極的設計是為了提供一種能夠長時間進行氧化反應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太強烈，以至于他們在催化一氧化碳反應時附加進行其他的電化學反應。這樣的話，導致電極能夠與存在氣體樣品中的其他氣體反應，并產(chǎn)生比高于預期的輸出。氣體傳感器制造商通常會提供一個帶過濾器的傳感器，在這些交叉干擾的氣體到達工作電極之前就消除掉。這些過濾器的特點可以分為兩大類;吸附 - 污染物被吸附到過濾器的表面，當元

31、件接觸到凈化空氣時，則解吸。因此，過濾器的使用壽命是無限的。計量 - 過濾與污染物進行化學反應，將他們變成不能工作電極反應的物質(zhì)。由于是沒有催化反應，過濾器被消耗，它的使用壽命是依賴于它所受到的污染氣體的濃度。在大多數(shù)應用中，monox傳感器中包含一個吸附的過濾器，可以去除大部分的污染氣體。過濾器在傳感器的內(nèi)側(cè)，以優(yōu)化其效率，并用來為整個傳感器的工作時提供元件保護。這種過濾器的設計用以滿足并超越UL2034的要求。傳感器的設計傳統(tǒng)的電化學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管孔控制，使氣體分子到達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，保護元件對抗壓力的波動。圖3-4 三電極電化學元件的傳統(tǒng)設計monox進一步優(yōu)化了這種設計，Monox已經(jīng)開發(fā)出一種置于工作電極，反電極和參考電極上的膜。它作用于一個平面的多功能電極不僅形成一個更簡單的制造過程，還使元件成本降到最低。參考電極從其他電極進行機械篩選活躍，使氣體不能到達它，吸液芯機制簡化。如圖3-5所示Monox設計。單元設計還包含一個非常小的后部通風口，目前有兩個原因：1、為了讓氧氣到達傳感器的背面，由此為反電極反應的發(fā)生提供電力。2、使傳感器緩解對壓力

33、的波動。圖3-5 Monox電化學元件的設計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，跨度，響應時間，線性，重復性，溫度依賴性，分辨率，最大過載，漂移。下面分別對每個特征進行了討論。 基準線這似乎有理由認為，在無一氧化碳的情況下，一個電化學元件會產(chǎn)生零輸出。然而，情況并非如此。在恒電位電路中，電化學元件不斷產(chǎn)生少量的電流，稱為基線。此電流是由于電子噪聲耦合于工作電極的電化學側(cè)面反應而產(chǎn)生的?；鶞孰娏魍ǔＪ欠浅Ｐ〉?，不到幾百nA的，但在傳感器和元器件集成時應考慮。例如，假設在校準時，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，并使用零作為基準數(shù)字，當它在傳感器的靈敏度的基礎上試圖計算出氣體濃度時，它會提供一個略高的不正確的結(jié)果。出于這個原因，我們建議，在校準過程中，儀器儀表設計出來衡量一個零氣體接觸后的元件基線，這個數(shù)字被用來計算產(chǎn)生的一氧化碳氣體解除的電流量。靈敏度/輸出信號所有的電化學傳感器規(guī)定靈敏度或輸出信號。這個數(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是一個定義為80 NA / PPM輸出信號提供。這意味著，傳感器每接觸1 ppm的一氧化碳，它會產(chǎn)生80 nA的電流。因此，如果元件接觸250 ppm的CO，它會產(chǎn)生80×250= 20000 NA（或20 mA）的電流

35、。 這種關系也可以從傳感器產(chǎn)生的電流量來計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@是由于只針對目標氣體傳感器產(chǎn)生的不包括基準電流的電流被定義為跨度。例如，用干凈的空氣歸零，傳感器的基準測量電流是25nA。傳感器目前測得的電流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（請注意，如果跨度計算基準不忽略，儀器測得氣體濃度為2.3 ppm，會產(chǎn)生15%的誤差）。根據(jù)上述三個定義，我們提出以下關系：IB為基準電流(nA)，$為靈

36、敏度(nA/ppm)，I為元件接觸CO所產(chǎn)生的電流(nA)。響應時間當傳感器接觸于目標氣體時，它產(chǎn)生的輸出電流呈反向指數(shù)上升，如圖3-6所示。為了量化傳感器對氣體反應的速度，通常用傳感器的響應時間測量，通常被援引作為T90或T95。這是指傳感器從開始反應到達到整個跨度的百分之90時所用的時間。T90的響應時間的確定方法如圖3-7所示。圖3-6 傳統(tǒng)的CO反應 圖3-7 T90的響應時間計算線性電化學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為線性。 Monox傳感器不同，并不是所有的電化學傳感器能夠產(chǎn)生一個天然氣的逐步改變和從預期的輸出偏差遲滯的線性輸出。一個典型的實驗，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性化學反應發(fā)生的速度涉及到分子動力學。由于分子在較高的溫度運動更迅速，所以在高溫下化學反應發(fā)生更快。相反，如果要反應緩慢需要降低溫度。這意味著，外界環(huán)境溫度的不同，電化學傳感器的響應在小范圍會有所不同。這種變化并不大，可以很容易地使用含有熱敏電阻網(wǎng)絡的儀器或利用嵌入式軟件補償。由于傳感器的基線和輸出信號是由化學反應作用的，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性 圖3-10 傳感器輸出的溫度依賴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，提供1 ppm的分辨率，整個測量范圍為0 - 5000PPM。這使儀器設計者對于他們的儀器能準確地分辨氣體樣品具有高度自信。最大過載所有的電化學傳感器來定義一個測量氣體可操作的范圍。如果超出這個范圍，也就是超過最大負載，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組傳感器不會被曝光過度而損壞。然而，他們可能需要用新鮮空氣進行較長時間的調(diào)節(jié)，以達到一個穩(wěn)定的基準。漂移雖然在電化學傳感器的電極催化

39、不受一氧化碳反應的影響，但他們正在逐漸減少整個生命周期的傳感器效率。這是因為少量的污染物，如有機蒸氣和硫化合物，在腐蝕催化劑的表面。隨著時間的推移，傳感器的輸出信號在逐步向下漂移，這個漂移的結(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漂移從圖中可以看出，Monox傳感器輸出信號的漂移是非常緩慢的，并可以很容易地定期校準與補償。本文中使用的傳感器操作參數(shù)為：響應范圍 ： 0-5000 PPM； 輸出信號： 40±4nA/ppm；響應時間（T90）： <40秒； 溫度范圍： -20至+50ºC；工作壽命：空氣中6年； 偏置電壓 ： 無；方位敏

40、感性： 無； 存儲 ： -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 ；重復性：0-500PPM，空氣<1，500-5000PPM，<2，1000PPM，222；3.3 運算放大器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（對于OP07A最大為25V），所以O

41、P07在很多應用場合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時具有輸入偏置電流低（OP07A為±2nA）和開環(huán)增益高（對于OP07A為300V/mV）的特點，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設備和放大傳感器的微弱信號等方面。特點超低偏移： 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是一個分辨率高達16位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，對微弱的信號以高分辨率進行測量，并且每秒采樣可以高達240次進行轉(zhuǎn)換。片內(nèi)的基準電壓為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-：采樣模擬信號輸入端，其范圍為2.048 V2.048 V；SCL：I2C總線時鐘線；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，ADS1110上電，對信號進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后將結(jié)果置入輸出寄存器中。此時轉(zhuǎn)換寄存器中的ST/ 置為0，失電。在連續(xù)轉(zhuǎn)換方式下，ADS1110不停地進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換寄存器的高低電平對其沒有影響。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，則在完成當前的轉(zhuǎn)換后，對ST/復位，并去電。2、I2C接口 I2C接口是一個兩線的輸出接口，接口的漏極開路。通過I2C接口用一條總線就可以使多個元件與主機連接。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提供時鐘。所有數(shù)據(jù)以8位為一組通過I2C總線傳送。為了在I2C總線上傳送1位數(shù)據(jù)，須在SCL為低電平時驅(qū)動SDA 線至適當?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，SCL線被拉高，然后變低。SCL線上的脈沖以時鐘將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線可用來發(fā)送和接收數(shù)

45、據(jù)。當主機從從機中讀取數(shù)據(jù)時，從機驅(qū)動數(shù)據(jù)線；當主機向從機發(fā)送數(shù)據(jù)時，主機驅(qū)動數(shù)據(jù)線。主機總是驅(qū)動時鐘線。ADS1110絕不會驅(qū)動SCL，因為它不能用作主機。在ADS1110中，SCL只是一個輸入端。3.5 傳感器溫度補償器芯片DS18B20氣體傳感器特性總是會因環(huán)境溫度、濕度的影響而變化，氣體報警器要能夠有效實現(xiàn)對環(huán)境氣氛的監(jiān)控，有效避免誤報、漏報，提高測量的準確性，必須對氣體傳感器進行有效的溫、濕度補償和修正。因此，在溫度測量系統(tǒng)中，采用抗干擾能力強的新型數(shù)字溫度傳感器是解決這些問題的最有效方案，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，在實際應用中取得了良好的測溫效果。3.5.1 DS18B20的特征：獨特單總線接口，只需要一個端口引腳線即可實現(xiàn)通信；每個器件的片上ROM 有一個獨特64 位串行碼存儲；多點能力使分布式溫度檢測應用得到簡化；不需要外圍元件；能用數(shù)據(jù)線供電，供電的范圍3.0V5.5V；測量溫度的范圍：-55+125 （-67+257）；從-10+85的測量的精度是±0.5；溫度傳感器分別率由用戶從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溫度測量原理框圖DS18B20的讀寫時序和測溫原理與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)換時的延時時間由2s 減為750ms。DS18B20測溫原理如圖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送給計數(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)生的信號作為計數(shù)器2 的脈沖輸入。計數(shù)器1和溫度寄存器被預置在55所對應的一個基數(shù)值。計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當計數(shù)器1的預置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，計數(shù)器1的預置將重新被裝入，計數(shù)器1重新開

48、始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。圖3-17中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計數(shù)器1的預置值。3.6 驅(qū)動器MAX7219資料簡介MAX7219是雙列直插式芯片, 如圖3-16所示, 其中SEGASEGF是7段驅(qū)動輸出端, 直接驅(qū)動LED對應的7個段( SEG DP為小數(shù)點驅(qū)動輸出端) 。BIG3BIG0分別接4個共陰顯示器的陰極。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是時鐘脈沖輸入端( 最大頻率10MHz) , 在每個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, 它應保持高電平。當一組數(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CIK為上升沿時，數(shù)據(jù)被載入內(nèi)部移位寄存器。 CLK：串行時鐘輸入端。其最大工作頻率可達10MHz，在CLK的上升沿，數(shù)據(jù)移入內(nèi)部移位寄存器中，在時鐘的下降沿，數(shù)據(jù)從DOUT端輸出。LOAD：片選端，當L OAD為低電平時，芯片接收來自DIN的數(shù)據(jù)

50、，接收完畢，LOAD回到高電平時，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)動線。其最大值可達500 mA，關閉狀態(tài)時，輸出 + Vcc。SEGASEGDP：為驅(qū)動顯示器7段及小數(shù)點的輸出電流，一般為40mA左右，可軟件調(diào)整，關閉狀態(tài)時，接入GND。 DOUT ：串行數(shù)據(jù)輸出端，需經(jīng)過16.5個時鐘周期DOUT端的數(shù)據(jù)才有效，通常直接接入下一個MAX7219的DIN端。其中,B3B0位為5個控制寄存器的命令字或4個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立編址,所以可以單獨對每個寄存器編程。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在遠程控制芯片中選擇了MAX487。它是由接收器和驅(qū)動器構(gòu)成。用于半雙工通信。雖然傳輸速度不高只有0.25Mbps，但具有強烈的抗干擾能力，所以傳輸距離比較遠，可達到上千米。適用于本設計系統(tǒng)在煤礦與控制室之間的傳輸。最低能檢測到200mv的信號， 圖3-17 MAX487管腳圖使傳輸數(shù)據(jù)即使距離很遠也可以得到精確的恢復。MAX487共有8個管腳，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 一氧化碳報警器電路原理模塊的介紹4.1 一氧化碳傳感器信號轉(zhuǎn)換與放大電路精確的電路結(jié)構(gòu)將依賴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。要達到這一點，對電極中有電流通過。所需電流的大小與元件觀測到的一氧化碳的濃度成正比。這種控制電路被稱為恒電路。圖4-1 信號放大電路電路圖如4-1所示。這種電路工作于±5V。選擇運算放大器OP07是因為它的高開環(huán)增益，相對低噪聲和低輸入電壓。其中最后一條很重要，否則，在輸出端將會產(chǎn)生偏移。兩個運算放大器都有輸入失調(diào)電阻。如圖3-13顯示，OP-AMP1選擇一個反饋電容作為一個濾波器。OP-AMP2必須選擇阻值很小的電阻，否

53、則它將會通過一個很大的電勢，在參考電極和工作電極產(chǎn)生一個顯著的電勢差。在實踐中，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同相輸入端一樣維持在0V。CO的介入導致OPAMP1的輸出相對于參考電極產(chǎn)生負的擺動。電流從OPAMP2流入OPAMP1。OPAMP2作為一個電流電壓的轉(zhuǎn)換器，每80nA的輸入電流產(chǎn)生0.8mV的輸出電壓。相當于2ppm的一氧化碳。由于OPAMP2是容性負載，所以應當插入一個10K的電阻（R7）保持穩(wěn)定，并用來防止高容性負載的電路振蕩。兩個運算放大器的同相輸入端經(jīng)過微功率的穩(wěn)壓二極管接地，其接入保證兩個放大器的同相輸入端

54、的電壓穩(wěn)定在1.235V，第一個放大器在輸出點處加了一個反饋電容，起過濾作用。第二個放大器主要是對信號起放大作用，其偏置電阻必須很小，否則會在其上面產(chǎn)生電壓降落，參考電極和工作電極會有電壓差。實際上，因為OP07有一個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)應用。通過ADSl110對所獲得的電壓信號進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，所獲得的數(shù)據(jù)由I2C總線進行傳輸?shù)絾纹瑱C內(nèi)。ADSl110數(shù)據(jù)線SDA至單片機的P1.0，時鐘線SCL連接單片機的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I/O線不需要強上拉，不存在電源電流不足的問題，可以保證轉(zhuǎn)換精度，同時在總線上理論可以掛接任意多個DS18B20 傳感器，組成多點測溫系統(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與單片機的連接4.4 LED的串行顯示驅(qū)動電路4.4.1 MAX7219與AT89C52的硬件連接圖4-4 MAX7219與單片機的接口電路如圖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、機的P0.0作串行數(shù)據(jù)輸出, P0.1模擬MAX7219 時鐘脈沖CLK , 而P0.2則模擬其LOAD信號。另外, 18和19腳連接1個電阻是必要的。電阻R29為亮度控制電阻，其最小值為9.53K，對應的段電流為37mA，當用于礦下顯示時，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LED數(shù)碼管顯示電路 圖4-5 MAX7219驅(qū)動LED顯示電路MAX7219 的SEG ASEG F、SEG DP分別直接并接至7 段LED 顯示器對應的a f 以及dp端, BIG0BIG3分別接4個共陰極7段LED顯示器的陰極。軟件設計可以實現(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RS-485總線,在要求通信距離為幾十米到上千米時，廣泛采用RS-485 串行總線標準。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，能檢測低至200mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復。根據(jù)RS485工業(yè)總線標準，RS485工業(yè)總線為特性阻抗120的半雙工通訊總線，任何時候只能有一點