【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 不是一個(gè)常數(shù)，而是時(shí)間的函數(shù)，隨時(shí)間的變化而變化，因此常用 傳遞函數(shù) 表征。 （ 22） 由此可見，氣體傳感器的輸入和輸出關(guān)系并非簡(jiǎn)單的線性或曲線關(guān)系，要對(duì)氣體傳感器建立一個(gè)準(zhǔn)確的溫度修正數(shù)學(xué)模型是很困難的。通常應(yīng)用時(shí)，都忽略氣體傳感器的動(dòng)態(tài)特性，根據(jù)其靜態(tài)溫度響應(yīng)靈敏度，采取一定的措施對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。如通過溫度傳感器測(cè)出環(huán)境的溫度，對(duì)氣體傳感器的輸出特性曲線進(jìn)行修正；或者直接對(duì)傳感器進(jìn)行硬件補(bǔ)償 。 氣體傳感器特性總是會(huì)受到環(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。 由于本次課題要求檢 測(cè)一氧化碳濃度超 過100ppm 時(shí)報(bào)警提示，而氣體傳感器在測(cè)量氣體濃度大于 60ppm 時(shí)，環(huán)境濕度的變化對(duì)一氧化碳傳感器特性的影響較小，故忽略對(duì)傳感器濕度修正。那么 主要考慮如何有效實(shí)現(xiàn)傳感器的溫度補(bǔ)償。傳統(tǒng)補(bǔ)償方式一般有硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償兩種。所謂硬件補(bǔ)償是指直接使用溫度傳感器在電路中對(duì)氣體傳感器進(jìn)行補(bǔ)償，這種方式雖然簡(jiǎn)單，但只有在溫0limx y dyS x dx?? ???? 度傳感器和氣體傳感器的溫度特性一致時(shí)，才能很好地補(bǔ)償；很難實(shí)現(xiàn)寬范圍的氣體傳感器和溫度傳感器的特性匹配。軟件補(bǔ)償方式通過傳感器的溫度特性曲線擬合進(jìn)行算法補(bǔ)償，這種方式是以一定的特性 曲線作為基礎(chǔ)，對(duì)不同的工作環(huán)境和不同傳感器的溫度特性，用算法處理和查表修正以得到不同的補(bǔ)償效果。該方式較為復(fù)雜，對(duì)特性離散的傳感器，擬合效果差。為了解決這個(gè)問題，提出采用雙傳感器補(bǔ)償方式，具體來說就是選用兩個(gè)特性一致（實(shí)際上只能做到非常接近）的氣體傳感器來實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，把其中一個(gè)氣體傳感器 A密封代替溫度傳感器，對(duì)另一氣體傳感器 B進(jìn)行補(bǔ)償。這樣的補(bǔ)償方式，不僅能較好地?cái)M合氣體傳感器的靜態(tài)溫度特性，而且對(duì)傳感器的動(dòng)態(tài)溫度響應(yīng)也能同步實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償 [12]。 由于本設(shè)計(jì)方案?jìng)鞲衅鳒y(cè)量精度不高，所以不予采納。 方案二： 采用雙 傳感器，采用相互補(bǔ)償?shù)姆椒z測(cè)房間氣體濃度，將檢測(cè)的到濃度結(jié)果通過運(yùn)算放大器放大后送入模 /數(shù)芯片中進(jìn)行模 — 數(shù)轉(zhuǎn)換，利用 MCS－ 51 單片機(jī)控制聲音報(bào)警以及控制電磁閥和排風(fēng)扇，并且將氣體傳感器檢測(cè)到的濃度值在 LED 數(shù)碼顯示管上顯示出來。 分析：此設(shè)計(jì)方法雖然解決了傳感器檢測(cè)氣體濃度時(shí)溫度和濕度對(duì)測(cè)量值的影響，但是，在實(shí)際制作的過程中，需要利用 的 核心控制芯片 必須最少具有 4路 8位 A/D 口，氣體和溫度敏感信號(hào)直接由 A/D 口采集后，進(jìn)行一定的算法修正和軟件補(bǔ)償。 由于此次課題要求采用三路巡回檢測(cè)，如果采用本方案那么就需要 6 個(gè)特性相同的一氧化碳?xì)怏w傳感器（ 3個(gè)密封檢測(cè)氣體濃度，另外 3 個(gè)做補(bǔ)償）， 為了達(dá)到更好的溫度修正效果，往往需要傳感器廠家的配合，在生產(chǎn)時(shí)對(duì)傳感器進(jìn)行成對(duì)生產(chǎn)，以保證傳感器特性的一致性。 并且主控制芯片采用常規(guī)的 ADC0809 和單片機(jī)并不支持，且制作硬件極其復(fù)雜，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)體積 過大 、功耗 高、成本太高。單單采用此種方法并不能更好的提高測(cè)量性能，還需要加以軟件補(bǔ)償。所以不采用方案二。現(xiàn)今傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，設(shè)計(jì)出了性能更佳，使用范圍更廣的氣體傳感器。通過搜集信息，提出本次設(shè)計(jì)采用 TP2 型高溫一氧化碳傳感器。特 將此傳感器介紹如下： (1) 特點(diǎn)： TP2高溫型一氧化碳傳感器由 SnO2多晶體及適當(dāng)添加混合劑燒結(jié)而成。具有微珠式結(jié)構(gòu)，電導(dǎo)振蕩響應(yīng)，極好的選擇性和良好的環(huán)境適應(yīng)能力，應(yīng)用電路簡(jiǎn)單，本質(zhì)安全等特點(diǎn)。用它做成的報(bào)警器完全可以達(dá)到UL2034 標(biāo)準(zhǔn)，不需溫、濕度補(bǔ)償。 (2) 工作條件：工作電壓： ～ 靜態(tài)功耗：≤ 15mW 環(huán)境條件：溫度 10℃ ～ +50℃ ,相對(duì)濕度≤ 95% 初期穩(wěn)定時(shí)間：≤ 15 分鐘 檢測(cè)一氧化碳濃度范圍： 0～ 2021ppm (3) 對(duì)一氧化碳反應(yīng)的敏感度： 圖 系列一氧化碳濃度的條件下 RL電壓的振蕩曲線。 (4) 高濕高溫對(duì)傳感器的影響：根據(jù)測(cè)試結(jié)果表明，此傳感器可承受 96%RH 相對(duì)濕度、 70℃的環(huán)境條件，但基電平升高。 由于采用此方案制作硬件極其復(fù)雜， 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)體積 過大 、功耗 高、成本太高，所以不予采納。 方案三： 采用 TP2 型傳感器，采用三路巡回檢測(cè)的方法檢測(cè)房間氣體濃度，將檢測(cè)的到濃度結(jié)果通過運(yùn)算放大器放大后送入 模 /數(shù)芯片中進(jìn)行模 — 數(shù)轉(zhuǎn)換，利用 MCS－ 51單片機(jī)控制聲音報(bào)警以及控制 電磁閥和排風(fēng)扇，并且將氣體傳感器檢測(cè)到的濃度值在LED 數(shù)碼顯示管上 顯示出來。 分析：選用此方法設(shè)計(jì)電路不僅解決了溫度、濕度的影響，并且簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)電路，降低了成本，采用此種方法設(shè)計(jì)主體電路。具體電路設(shè)計(jì)將在下文中給出。 系統(tǒng)方案的確定 現(xiàn)今一氧化碳傳感器技術(shù)的不斷提高，使得在應(yīng)用此類傳感器時(shí)不必采用溫度、濕度補(bǔ)償，極大的簡(jiǎn)化了電路和降低了成本。鑒于對(duì)以上三個(gè)方案的對(duì)比分析，方案三最符合設(shè)計(jì)要求，所以我選擇使用方案三來設(shè)計(jì)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主體電路。 系統(tǒng)組成 本設(shè)計(jì)屬于單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。它是單片機(jī)在系統(tǒng)檢測(cè)以及工程控制方面的應(yīng)用，是典型的 嵌入式系統(tǒng)。通常將滿足 海量高速數(shù)值計(jì)算的計(jì)算機(jī)稱為通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；而把面向工控領(lǐng)域?qū)ο?，嵌入到工控?yīng)用系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的計(jì)算機(jī)稱之為嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)一般分為四種 :工控機(jī)，通用 CPU 模塊，嵌入式微機(jī)處理，單片機(jī)。嵌入式系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)： (1)面對(duì)控制對(duì)象。如傳感信號(hào)輸入、人機(jī)交互操作 ,伺服驅(qū)動(dòng)等。 (2)嵌入到工控應(yīng)用系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)形態(tài)。 (3)能在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中可靠運(yùn)行的品質(zhì)。 (4)突出控制功能。如對(duì)外部信息的捕捉、對(duì)控制對(duì)象實(shí)時(shí)控制和有突出控制功能的指令系統(tǒng) (I/O 控制、位操作和轉(zhuǎn)移指 令等 )。 單片機(jī)有惟一的專門為嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)與指令系統(tǒng)，最能滿足嵌入式應(yīng)用要求。單片機(jī)是完全按嵌入式系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)的單芯片形態(tài)應(yīng)用系統(tǒng)，能滿足面對(duì)控制對(duì)象、應(yīng)用系統(tǒng)的嵌入、現(xiàn)場(chǎng)的可靠運(yùn)行及非凡的控制品質(zhì)等要求，是發(fā)展最快、品種最多、數(shù)量最大的嵌入式系統(tǒng)。 一氧化碳報(bào)警器系統(tǒng)的三大部分 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分三個(gè)層次。 (1)單片機(jī)：通常指應(yīng)用系統(tǒng)主處理機(jī)，即所選擇的單片機(jī)器件。 (2)單片機(jī)系統(tǒng)：指按照單片機(jī)的技術(shù)要求和嵌入對(duì)象的資源要求而構(gòu)成的基本系統(tǒng) ,如時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和擴(kuò)展存 儲(chǔ)器等與單片機(jī)構(gòu)成了單片機(jī)系統(tǒng)。 (3)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)：指能滿足嵌入對(duì)象要求的全部電路系統(tǒng)。在單片機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加上面向?qū)ο蟮慕涌陔娐?，如前向通道、后向通道、人機(jī)交互通道 (鍵盤、顯小器、打印機(jī)等 )和串行通信口 (RS232)以及應(yīng)用程序等。 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)三個(gè)層次的關(guān)系如 圖 : 圖 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)三個(gè)層次的關(guān)系 （注：該圖應(yīng)自己繪制，不要現(xiàn)成圖片！） 以此理解，程控一氧化碳報(bào)警器同樣具有單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的三個(gè)層次。其中以MCS8051 單片機(jī)為核心構(gòu)成單片機(jī)系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，檢測(cè)信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行運(yùn) 算處理，控制外圍電路。為了更好的理清設(shè)計(jì)思路，將整個(gè)系統(tǒng)細(xì)分為三部分加以設(shè)計(jì)說明。整個(gè)報(bào)警器由三個(gè)部分組成，分為三大模塊：濃度檢測(cè)及顯示模塊、主控模塊和報(bào)警及事故處理模塊。在本次設(shè)計(jì)中，使用的核心器件是單片機(jī)和一氧化碳傳感器。為了保證整個(gè)系統(tǒng)可靠的運(yùn)行，設(shè)計(jì)中必須明確三大部分的實(shí)際聯(lián)系：以單片機(jī)為中心，其他各大模塊一一展開。其中，濃度檢測(cè)及顯示模塊所實(shí)現(xiàn)的功能是將房間中的一氧化碳濃度 值轉(zhuǎn)換成為單片機(jī)能夠處理的數(shù)字信號(hào)，并且將濃度值顯示出來；主控模塊以單片機(jī)為主，對(duì)其他模塊的運(yùn)行進(jìn)行控制；報(bào)警及事故處理模塊是 此系統(tǒng)的外圍電路，它的功能實(shí)現(xiàn)形式最人性化，體現(xiàn)了智能控制，在檢測(cè)到一氧化碳濃度超過指定值時(shí)會(huì)啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，報(bào)警無效后即會(huì)進(jìn)行處理，啟動(dòng)排氣扇和關(guān)閉電磁閥來防止事故的發(fā)生。系統(tǒng)框圖如圖 所示。 圖 一氧化碳報(bào)警器系統(tǒng)組成框圖 下面就對(duì)各個(gè)模塊的功能和實(shí)現(xiàn)形式作簡(jiǎn)單介紹。 系統(tǒng)各個(gè)模塊功能說明 （ 1） 氣體濃度檢測(cè)模塊 程控一氧化碳報(bào)警器采用三路巡回檢測(cè)的方法，可以檢測(cè)三個(gè)不同的房間也可以用來檢測(cè)同一個(gè)房間三個(gè)不同的方位。檢測(cè)器件采用高溫一氧化碳?xì)怏w傳感器 TP2 檢測(cè)房間氣體濃度，檢測(cè)結(jié)果將經(jīng)過高精度運(yùn)放器放大后送入模 /數(shù)芯片 ADC0809 中進(jìn)行模— 數(shù)轉(zhuǎn)換，單個(gè)傳感器的檢測(cè)電路如圖 所示。 圖 單個(gè)傳感器電路圖 （ 2）主控模塊 系統(tǒng)選用單片機(jī)控制，采用 MCS－ 51單片機(jī)。 MCS－ 51系列單片機(jī)是美國(guó) Intel公司1980年推出的一種高性能 8位單片微型計(jì)算機(jī)。 內(nèi)帶 4K字節(jié)的內(nèi)存和程序保護(hù)系統(tǒng) ， 便 于程序的調(diào)試修改和保密 ， 各管腳的功能將在隨后的知識(shí)中加以介紹。它的主要功能既是和 ADC0809芯片一起共同接收檢測(cè)信號(hào)，又可以通過對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理 來控制外圍電路以及顯示電路。 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用 ADC0809，接收經(jīng)過運(yùn)算放大器處理后的一氧化碳傳感器的檢測(cè)值，三路檢測(cè)結(jié)果經(jīng)過 ADC0809處理后送單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。處理后的信息將通過單片機(jī)控制，在 LED顯示管上顯示出來，并且控制事故處理模塊。 （ 3）報(bào)警及事故處理模塊 此模塊主要由蜂鳴器、電磁閥和排氣扇組成。在氣體濃度過大，超過安全值時(shí)蜂鳴器工作，提供報(bào)警服務(wù)。這個(gè)時(shí)候，用戶可以自行關(guān)閉煤氣，并通過對(duì)房間通風(fēng)來解決。如若 5分鐘內(nèi)氣體濃度依然超過安全值，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)排氣扇來降低房間一氧化碳濃度，并且關(guān)閉電 磁閥來防止煤氣泄漏造成事故。 至此，本系統(tǒng)三大模塊功能和設(shè)計(jì)思路已經(jīng)確立，下文將介紹整個(gè)系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)過程，并且給出設(shè)計(jì)電路。 系統(tǒng)功能擴(kuò)展 由于設(shè)計(jì)的一氧化碳報(bào)警器為單機(jī)產(chǎn)品，而現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用多為小區(qū)型應(yīng)用。所以，在設(shè)計(jì)中，我考慮到將此一氧化碳報(bào)警器添加網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使其能夠和主機(jī)相連，從主機(jī)中能夠獲得分機(jī)所檢測(cè)的信息。單片機(jī)在網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用主要是應(yīng)用了串口通信技術(shù)，這種技術(shù)是在智能型領(lǐng)域的綜合應(yīng)用，是值得發(fā)展的新技術(shù)。在下文中將詳細(xì)介紹串口通信技術(shù)。 3 硬件電路設(shè)計(jì) 每一個(gè)設(shè)計(jì)都要以一定的知識(shí) 為基礎(chǔ)，知識(shí)的多少在一定程度上決定了設(shè)計(jì)出來的東西的好壞程度，這些知識(shí)包括硬件知識(shí)和軟件知識(shí)。硬件知識(shí)用來設(shè)計(jì)硬件電路，以實(shí)現(xiàn)電路的放大、驅(qū)動(dòng)、采集、隔離、匹配等功能。軟件知識(shí)用來設(shè)計(jì)芯片處理數(shù)據(jù)的先后順序，數(shù)據(jù)的獲得途徑以及對(duì)數(shù)據(jù)做怎樣的處理，還有其他的一些驅(qū)動(dòng)和顯示功能等等。當(dāng)然，在硬件電路里一些芯片是必不可少的，軟件設(shè)計(jì)也需要對(duì)芯片進(jìn)行編程序。本章將介紹本次設(shè)計(jì)用到的一些基本知識(shí)和主要芯片。 設(shè)計(jì)使用的基本知識(shí)介紹 我們?cè)趯W(xué)校里學(xué)到的幾乎都屬于基本知識(shí)，它是指最最基礎(chǔ)的東西，我們只有掌握了它才 能作更深一步的學(xué)習(xí)。在實(shí)際的應(yīng)用中，基本知識(shí)的掌握程度至關(guān)重要，它影響到應(yīng)用的好壞。本設(shè)計(jì)應(yīng)用到的基本的硬件和軟件知識(shí)將在本節(jié)里作簡(jiǎn)單的介紹。 本設(shè)計(jì)用到的硬件知識(shí)主要有：模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、電子線路的設(shè)計(jì)與調(diào)試、單片機(jī)的輸入輸出、串口通信技術(shù)、 ADC0809 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的使用方法。 在模擬電子技術(shù)方面，主要用來放大傳感器檢測(cè)信號(hào)和驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管以顯示傳感器檢測(cè)到氣體濃度。數(shù)字電子技術(shù)用來把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，把從傳感器檢測(cè)到的模 擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字值。利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)綜合控制。 芯片 介紹 [4]及相關(guān)電路模塊設(shè)計(jì) 集成塊出現(xiàn)使硬件電路設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單易懂，從而得到