【文章內(nèi)容簡介】 :式中: :元件的時(shí)間常數(shù)。 E:元件的熱容量。 a:等效熱導(dǎo)系數(shù)。 s:元件的表面積。 :常數(shù)。 T:元件的工作溫度。 I:工作電流。 R:元件電阻。 :鉑絲電阻溫度系數(shù)通過對(duì)上式的分析，可以合理地選擇元件參數(shù)，以提高工作元件的反應(yīng)速度。本設(shè)計(jì)中選擇的敏感元件型號(hào)為:FWC2。參數(shù)為:測量介質(zhì):甲烷工作電流:直流穩(wěn)壓工作點(diǎn):2. 8V/≤175mA測量范圍:04%CH4穩(wěn)定性:靈敏度變化177。%CH4響應(yīng)時(shí)間:≤20S 敏感元件的組成及作用敏感元件是準(zhǔn)確檢測甲烷氣體含量的核心元件之一，它由工作元件和補(bǔ)償元件組成，將這兩個(gè)元件分別接在惠斯登電橋上，在元件的電源端加入高電平時(shí)元件開始工作，當(dāng)環(huán)境中無甲烷氣體時(shí)，調(diào)整電橋使之輸出為零，當(dāng)有甲烷氣體時(shí)，甲烷氣體以擴(kuò)散方式進(jìn)入儀器原測量氣室，內(nèi)部接于橋臂的熱催化元件或熱導(dǎo)元件發(fā)生氧化—還原反應(yīng)，引起元件溫度升高，阻值增大，使原來平衡的電橋失去平衡，輸出與甲烷濃度相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，測量該電壓信號(hào)即可知甲烷濃度它的基本測試電路圖如圖42所示。圖42 敏感元件的基本測試電路 Figure 4 2 the basic testing circuit of sensitive ponents 實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊：本設(shè)計(jì)的儀器具有實(shí)時(shí)時(shí)間顯示功能，通過4位LED顯示當(dāng)前時(shí)間（小時(shí)和分）。我選擇DS1307芯片作為系統(tǒng)的時(shí)鐘。DS1307串行實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，是具有I2C總線接口的外圍器件，該芯片內(nèi)部具有BCD碼時(shí)鐘/日歷和56個(gè)字節(jié)的非易失性SRAM的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，兩線串行接口，自動(dòng)的掉電保護(hù)和開關(guān)循環(huán)等功能，具有可編程、低功耗、體積較小和引腳少的特點(diǎn)。同時(shí)它獨(dú)立于CPU工作，不受CPU主晶振和電容的影響，計(jì)時(shí)準(zhǔn)確。 DS1307時(shí)鐘芯片的引腳功能部分引腳功能如下：Vbat:電池接入端，能使DS1307在沒有電源的情況下工作十年。SCL：時(shí)鐘信號(hào)輸入端，使數(shù)據(jù)在串行接口的傳送同步進(jìn)行SDA：串行數(shù)據(jù)輸入/輸出的引腳，需外接上拉電阻。X1，X2：外接晶振引腳， KHZ晶振相連，可以修正時(shí)鐘的精確度。 DS1307時(shí)鐘格式與地址分配DS1307內(nèi)部由存儲(chǔ)區(qū)RAM和時(shí)間寄存器兩部分組成。時(shí)間寄存器的地址從00H到07H，RAM有56個(gè)字節(jié)，地址從08H到3FH。在多字節(jié)數(shù)據(jù)存取時(shí)，地址指針自動(dòng)加一，當(dāng)?shù)刂分羔樦傅?FH時(shí)，自動(dòng)循環(huán)到00H。使用時(shí)，只要在程序中規(guī)定好第一個(gè)字節(jié)地址及讀寫字節(jié)數(shù)，讀寫N個(gè)字節(jié)與一個(gè)字節(jié)一樣方便。時(shí)間和日期都以BCD碼形式分別存放在7個(gè)時(shí)間寄存器中。通過讀這些相應(yīng)的寄存器字節(jié)可以得到時(shí)鐘的信息。通過寫入相應(yīng)寄存器字節(jié)可以設(shè)置時(shí)間和日期。 DS1307芯片與單片機(jī)的連接 圖43 DS1307與AT89C51的接口電路 Figure 43 The interface circuit of DS1307 and AT89C51DS1307芯片與單片機(jī)AT89C51的接口如圖43所示。說明：Vbat端接備用電池，以便在沒有主電源的情況下能夠保存時(shí)間信息和一些重要的數(shù)據(jù)；X為時(shí)鐘芯片提供計(jì)時(shí)脈沖；SDA與SCL接點(diǎn)構(gòu)成串行數(shù)據(jù)總線；兩個(gè)電阻為上拉電阻。 DS1307的操作時(shí)序DS1307的操作時(shí)序可以概括的歸納為以下幾個(gè)步驟：1) 發(fā)送起始信號(hào)。2) 發(fā)送DS1307的讀/寫命令字。3) 發(fā)送DS1307的讀/寫地址。4) 執(zhí)行讀寫數(shù)據(jù)操作。5) 接收或發(fā)送應(yīng)答信號(hào)。6) 發(fā)送停止信號(hào) 小信號(hào)放大電路目前有許多型號(hào)的單片測量放大器集成芯片可供選擇，因此不再用分立的運(yùn)算放大器來構(gòu)成測量放大器。采用單片測量放大器芯片與用分立的運(yùn)算放大器相比具有性能優(yōu)異、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、成本低的優(yōu)點(diǎn)。在本設(shè)計(jì)中選擇集成芯片INA128儀用放大器。其特點(diǎn)如下： 低偏置電壓最大50μV，℃，低輸入偏置電流最大5nA，高共模抵制CMR 最小120DB，輸入保護(hù)至177。40V，寬電源電壓范圍177。 至177。18V，低靜態(tài)電流700μA，8 引腳塑料DIP 和SO8封裝。電路圖如圖44所示： 圖44 INA128應(yīng)用電路 Figure 44 The applied circuit of INA1238 設(shè)置增益：在引腳1和引腳8之間外接一個(gè)電阻RG可對(duì)增益進(jìn)行設(shè)置 等式中的50K是兩個(gè)內(nèi)部反饋電阻A1和A2的和。在信號(hào)的輸入電路設(shè)計(jì)中，INA128的增益設(shè)為固定值，在這里取G=20,則RG＝。在有噪聲或高阻抗供電電源的應(yīng)用中，要在器件的引腳附近接去耦電容器。如上圖中電源與地之間的去耦電容。 A/D轉(zhuǎn)換電路因?yàn)閱纹瑱C(jī)不能直接接收模擬量信號(hào)，所以電壓測量信號(hào)，必須通過A/D轉(zhuǎn)換后方可以輸入單片機(jī)進(jìn)行處理。A/D轉(zhuǎn)換器芯片有很多種,在此選擇比較熟悉的ADC0809。ADC0809是8路8位逐次逼近行A/D轉(zhuǎn)換CMOS器件，能對(duì)多路模擬信號(hào)進(jìn)行分時(shí)采集和A/D轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)字信號(hào)通過三態(tài)緩沖器，可直接與微處理器的數(shù)據(jù)總線相連接。ADC0809的主要特性如下：分辨率為8位最大不可調(diào)誤差小于177。ULSB可鎖存三態(tài)輸出，能與8位微處理器接口輸出與TTL兼容不必進(jìn)行零點(diǎn)和滿度調(diào)整單電源供電，供電電壓為+5V轉(zhuǎn)換速率取決于芯片的時(shí)鐘頻率，時(shí)鐘頻率范圍是：10～1280KHZ，當(dāng)時(shí)鐘頻率為500KHZ時(shí)，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換時(shí)間為125uS ADC0809 芯片的引腳圖及引腳功能引腳圖如圖43所示，部分引腳功能說明如圖45： 圖45 ADC0809引腳圖 Figure 45 The pin chart of ADC0809 IN0～I(xiàn)N7：8路模擬信號(hào)輸入端D0～D7：8位數(shù)字量輸出端START：啟動(dòng)控制輸入端，高電平有效，用于啟動(dòng)ADC0809內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換過程ALE：地址鎖存控制輸入端。ALE端可與START端連接在一起，通過軟件輸入一個(gè)正脈沖，可立即啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出端，開始A/D轉(zhuǎn)換時(shí)為低電平，轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)輸出高電平。OE：輸出允許控制端，用于打開三態(tài)輸出鎖存器。當(dāng)OE為高電平時(shí)，打開三臺(tái)數(shù)據(jù)輸出鎖存器，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)量輸送到數(shù)據(jù)總線上。CLK：時(shí)鐘信號(hào)輸入端。ADDA（ADDB、ADDC）：8路模擬選通開關(guān)的3位地址選通輸入端。VREF+：參考電壓正端。VREF：參考電壓負(fù)端。 ADC0809與AT89C51 單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)ADC0809 與AT89C51的硬件接口方式有：查詢方式、中斷方式和等待延時(shí)方式。采用中斷方式不浪費(fèi)CPU的等待時(shí)間，但如果A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間較短，也可采用程序查詢方式和等待延時(shí)方式。在此采用中斷方式，接口電路如圖46： 圖46 ADC0809與AT89C51的接口電路 Figure 46 The interface circuit of ADC0809 and AT89C51 ，產(chǎn)生啟動(dòng)信號(hào)START和地址鎖存控制信號(hào)ALE；。OE為高電平時(shí)，打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)量輸送到數(shù)據(jù)總線上。 通信電路對(duì)于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳送問題，我們首先考慮到對(duì)傳送信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)。我們知道，對(duì)于長距離的均勻傳輸線只能傳送連續(xù)的模擬信號(hào)，而且傳送頻帶往往存在一定的限制，一般的傳輸線有效傳輸頻帶在3400HZ以下，而發(fā)送設(shè)備發(fā)送的原始數(shù)據(jù)又都是離散的二進(jìn)制數(shù)據(jù)信號(hào)序列。若使用模擬線路來傳送數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)，必須在發(fā)送前先將原始信號(hào)經(jīng)過數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換，這就是調(diào)制過程。在數(shù)據(jù)終端接受前，則需進(jìn)行相反的轉(zhuǎn)換，稱解調(diào)。調(diào)制解調(diào)器就是實(shí)現(xiàn)這一功能的裝置，它是為解決模擬線路上傳輸數(shù)字信號(hào)而設(shè)計(jì)的一種信號(hào)變換裝置，由此，調(diào)制解調(diào)器的基本作用把數(shù)字信號(hào)變換成模擬信號(hào)，在模擬線路上傳輸，并把經(jīng)過傳輸?shù)哪M信號(hào)反變成原始發(fā)送的數(shù)字信號(hào)。其過程如圖47所示:調(diào)制解調(diào)現(xiàn)場儀表調(diào)制解調(diào)監(jiān)控中心 圖47 數(shù)字信號(hào)傳輸過程 Figure 47 Digital signal transmission 串行通訊隨著微機(jī)特別是單片機(jī)的發(fā)展，其應(yīng)用已從單機(jī)逐漸向多機(jī)或聯(lián)網(wǎng)，而多機(jī)應(yīng)用的關(guān)鍵又在于微機(jī)之間的相互通訊，互傳數(shù)據(jù)信息。在微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，CPU與外部的基本通訊方式有兩種:并行通訊——數(shù)據(jù)的各位同時(shí)傳送。串行通訊——數(shù)據(jù)一位一位順序傳送。在并行通訊中，數(shù)據(jù)有多少位就需要多少條傳送線，而串行通訊只需要一對(duì)傳送線，故串行通訊能節(jié)省傳送線，特別是當(dāng)數(shù)據(jù)位數(shù)很多和遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳送時(shí)，這一優(yōu)點(diǎn)更加突出。但串行數(shù)據(jù)也有缺點(diǎn)，那就是速度比并行通訊要慢。，依據(jù)一定的順序逐位進(jìn)行傳送的通訊方法。在串行通訊中，有二種基本的通訊方式:異步通訊和同步通訊。，要把數(shù)據(jù)從一個(gè)地方傳送到另一個(gè)地方，必須使用通訊線路。數(shù)據(jù)在通訊線路兩端的工作(通訊線路或計(jì)算機(jī))之間傳送。按通訊方式，可將數(shù)據(jù)傳輸線路分成三種: 有一點(diǎn)需要注意，盡管許多串行通訊接口電路具有全雙工通訊能力，但在實(shí)際使用中，大多數(shù)情況只工作于半雙工方式，即兩個(gè)工作站通常并不同時(shí)收發(fā)。這種用法并無害處，雖然沒有充分發(fā)揮效率，但簡單，實(shí)用。 信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)串行通訊中傳輸?shù)男盘?hào)是數(shù)字信號(hào)(方波脈沖序列)，它要求通訊媒介必須有比方波本身頻率更寬頻帶，否則高頻分量將被濾掉，使方波出現(xiàn)毛刺而變形。解決這一問題的辦法是:利用調(diào)制手段，將數(shù)字方波信號(hào)變換成某種能在通訊線上傳輸而不受影響的波形信號(hào)，正弦波正是最理想的選擇。這不僅因?yàn)楫a(chǎn)生正弦波很方便，更重要的正弦波不易受通訊線固有頻率的影響。所謂調(diào)制，就是將載波信號(hào)(待傳送的數(shù)字信號(hào))通過一種信號(hào)進(jìn)行編碼，而將信號(hào)的恢復(fù)稱為解調(diào)，相應(yīng)的設(shè)備稱為調(diào)制器和解調(diào)器。信號(hào)發(fā)送端的調(diào)制器將待傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，接收方用解調(diào)器檢測此模擬信號(hào)，再把它轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。由于串行通訊大都是雙向進(jìn)行的，通訊線路的任一端既需要調(diào)制器也需要解調(diào)器，將調(diào)制器和解調(diào)器合二為一的裝置稱為調(diào)制解調(diào)器。 芯片的選擇通信電路采用日本OKI公司的MSM7512B遠(yuǎn)距離、低功耗、高可靠性的調(diào)制解調(diào)器芯片。該芯片編程容易，外圍接口電路簡單，通信距離遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)傳輸可靠，傳輸率設(shè)置為120