【文章內容簡介】 MQ8：氫氣、煤制氣；50 to 10000ppm本課題主要檢測煙霧、可燃氣體、有毒氣體，所以選用MQ2檢測煙霧，MQ5檢測可燃氣體和有毒氣體。AD轉換器的選用實驗和工程實際中我們要進行大量的數(shù)據(jù)處理。運用單片機采集系統(tǒng)能很好的解決這些問題?；镜牟杉到y(tǒng)一般由MCU,A/D,PC構成, MCU 是整個系統(tǒng)的核心,A/D是數(shù)據(jù)的源頭,PC是數(shù)據(jù)的歸宿地。A/D轉換器的選擇直接關系到采集精度是否理想?，F(xiàn)在TLC2543這款A/D轉換器運用很廣泛。TLC2543是TI公司的12位串行模數(shù)轉換器,使用開關電容逐次 逼近技術完成A/D轉換過程。由于是串行輸入結構,能夠節(jié)省51系列單片機I/O資源。且價格適中,分辨率較高。因此選用TLC2543.顯示模塊的選用顯示有串行和并行兩種方式。并行顯示方式占用硬件資源多，八個筆劃段和幾個顯示驅動控制端都要接到單片機的I/O引腳，但顯示刷新速度快；串行顯示方式占用硬件資源少，僅數(shù)據(jù)鎖存控制端、時鐘端、數(shù)據(jù)端三個端口要接到單片機的I/O引腳上，顯示刷新速度較并行顯示方式慢。顯示單元是人機交互的窗口，是傳遞儀表工作狀態(tài)和檢測數(shù)據(jù)的關鍵性設備，通常的顯示器件有液晶顯示器（LCD）和數(shù)碼管顯示器（LED）。液晶顯示器在使用中有許多注意事項：不能對它長期施加直流電，否則易造成顯示器的老化；必須注意防潮；防止施加過大的壓力；對于使用的環(huán)境溫度要特別注意，溫度不能太高也不能太低；防止紫外線的直接照射；要特別注意防靜電，焊接顯示器時烙鐵要接地?？梢娨壕э@示器在使用中有眾多的限制條件，但它同時也有一定的優(yōu)勢，其中最明顯的就是低功耗，消耗電流一般是PA級的。數(shù)碼管顯示器不同與液晶顯示器，它對電源沒有特殊要求，受環(huán)境溫度的影響不大，不怕陽光的照射，也沒有嚴格的防靜電要求，而且它的顯示亮度要比液晶顯示器亮許多，適于安裝在室內、室外、黑暗和光線強的各種環(huán)境中，但它的耗電量明顯高于液晶顯示器。本設計選用液晶顯示器。 系統(tǒng)組成框圖以單片機為控制核心，采用溫度、濕度、煙霧、可燃氣體和有毒氣體測量，通信技術，誤差修正等關鍵技術，以溫濕度傳感器和氣體傳感器作為測量元件，構成智能環(huán)境安全檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)，可分為溫度測量電路，濕度測量電路，煙霧測量電路，可燃氣體和有毒氣體測量電路，數(shù)據(jù)存儲及顯示電路，聲光報警電路，見圖21。選用的主要器件有：溫度傳感器DS18B20，濕度傳感器HS1101，氣體傳感器MQ2和MQ5，NE555，AD轉換器TLC2543，單片機AT89S52等。單片機89S52AD轉換器TLC2543MQ2氣體傳感器MQ5氣體傳感器液晶顯示報警電路DS18B20溫度傳感器HS1101濕度傳感器NE555圖21 系統(tǒng)框圖3 系統(tǒng)的工作原理 傳感器的基本特性在監(jiān)控系統(tǒng)中有各種不同的物理量需要監(jiān)測和控制，這就要求傳感器能感受被測非電量并將其轉換成與被測量有一定函數(shù)關系的電量。傳感器所測量的非電量是處在不斷的變化之中，傳感器能否將這些非電量的變化不失真地轉換成相應的電量，取決于傳感器的輸入——輸出特性。傳感器這一基本特性可用靜態(tài)特性和動態(tài)特性來描述。 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性是指當被測量處于穩(wěn)定狀態(tài)下，傳感器的輸入與輸出值之間的關系。傳感器靜態(tài)特性的主要技術指標有:線性度、靈敏度、遲滯和重復性等。 傳感器的動態(tài)特性傳感器測量靜態(tài)信號時，由于被測量不隨時間變化，測量和記錄過程不受時間限制。而實際中大量的被測量是隨時間變化的動態(tài)信號，傳感器的輸出不僅需要精確地顯示被測量的大小，還要顯示被測量隨時間變化的規(guī)律，即被測量的波形。傳感器能測量動態(tài)信號的能力用動態(tài)特性表示。動態(tài)特性是指傳感器測量動態(tài)信號時，輸出對輸入的響應特性。傳感器動態(tài)特性的性能指標可以通過時域、頻域以及試驗分析的方法確定，其動態(tài)特性參數(shù)如:最大超調量、上升時間、調整時間、頻率響應范圍、臨界頻率等。 溫度傳感器美國DALLAS公司生產的DS18B20數(shù)字溫度傳感器，可以直接將被測溫度轉化為串行數(shù)字信號供微機處理，通過簡單的編程實現(xiàn)9位的溫度讀數(shù)。并且多個DS18B20可以并接到多個地址線上與單片機實現(xiàn)通信。由于每一個DS18B20出廠時都刻有唯一的一個序列號并存入其ROM中，因此CPU可用簡單的通信協(xié)議就可以識別，從而節(jié)省大量的引線和邏輯電路。與其它溫度傳感器相比，DS18B20具有以下特性:（1）獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。（2）DS18B20支持多點組網功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)多點測溫。（3）DS18B20在使用中不需要任何外圍元件。（4）溫范圍55℃~+125℃，℃。（5）測量結果以9位數(shù)字量方式串行傳送。DS1820采用3腳TO92封裝或8腳50封裝，管腳排列如圖31所示：圖31 DS18B20的引腳對圖31中DS18B20的引腳功能說明如下：NC：空引腳，不連接外部信號。VDD：接電源引腳，~。GND：接地。DQ：數(shù)據(jù)的輸入和輸出引腳。DQ：引腳的I/O為數(shù)據(jù)輸入/輸出端(即單線總線)，該引腳為漏極開路輸出，常態(tài)下呈高電平。，它主要包括寄生電源、溫度傳感器、64位激光ROM單線接口、存放中間數(shù)據(jù)的高速暫存器、用于存儲用戶設定的溫度上下限值、觸發(fā)器存儲與控制邏輯、8位循環(huán)冗余校驗碼發(fā)生器等7部分。圖32 DS18B20的內部框圖測溫原理見圖33。低溫度系數(shù)振蕩器是一個振蕩頻率隨溫度變化很小的振蕩器，為計數(shù)器1提供一頻率穩(wěn)定的計數(shù)脈沖。高溫度系數(shù)振蕩器是一個振蕩頻率對溫度很敏感的振蕩器，為計數(shù)器2提供一個頻率隨溫度變化的計數(shù)脈沖。初始時，溫度寄存器被預置成55℃，每當計數(shù)器1從預置數(shù)開始減計數(shù)到0時，溫度寄存器中寄存的溫度值就增加1℃，這個過重復進行直到計數(shù)器2計數(shù)到0時便停止。初始時，計數(shù)器1預置的是與55℃像對應的一個預置值。以后計數(shù)器l每一個循環(huán)的預置數(shù)都由斜率累加器提供。為了補償振蕩器溫度特性的非線性性，斜率累加器提供的預置數(shù)也隨溫度相應變化。計數(shù)器1的預置數(shù)也就是在給定溫度外使溫度寄存器存值增加1℃計數(shù)器所需的計數(shù)個數(shù)。圖中比較器的作用是以四舍五入的量化方式確定溫度寄存器的最低有效位。在計數(shù)器2停止計數(shù)后，比較器將計數(shù)器1中的計數(shù)剩余值轉換為溫度值后與025℃進行比較，℃，溫度寄存器的最低位就置0，℃，就置1，℃，溫度寄存器的最低位就進位后置0。這樣，經過比較后所得的溫度寄存器的值就是最終讀取的溫度值了，℃，四舍五入最大量化誤差為士l/ZLSB，℃。 圖33 DS18B20測溫原理圖溫度寄存器中的溫度值以9位數(shù)據(jù)格式表示，最高位為符號位其余8位以二進制補碼形式表示溫度值。測溫結束時，這9位數(shù)據(jù)轉存到暫存寄存器的前兩個字節(jié)中，符號位占用第1字節(jié)，8位溫度數(shù)據(jù)占用第2字節(jié)。DS18B20測量溫度時使用特有的溫度測量技術。DS18B20內部的低溫度系數(shù)振蕩器能產生穩(wěn)定的頻率信號:同樣的，高溫度系數(shù)振蕩器則將被測溫度轉換成頻率信號。當計數(shù)門打開時，DS18B20進行計數(shù)，計數(shù)門開通時間由高溫度系數(shù)振蕩器決定。芯片內部還有斜率累加器，可對頻率的非線性度加以補償。測量結果存入溫度寄存器中。一般情況下的溫度值應為9位(包含一位符號)，但因符號位擴展成高8位，故以16位補碼形式讀出，溫度和數(shù)字量的關系如表31所示。表 31 溫度和數(shù)字量的關系變量輸出的二進制碼對應的十六進制碼+12500000001111101000FAH+250000000001100100032H+1/20000000000000010001H00000000000000000000H1/2111111111111111FFFFH25111111111001110FFCEH55111111110010010FF92H單線總線，即1wire技術是DS18B20的一個特點。該技術采用單根信號線，既可傳輸時鐘，又能傳輸數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)傳輸是雙向的，因而這種單總線技術具有線路簡單，硬件開銷少，成本低廉，便于總線擴展和維護等優(yōu)點。單總線適用于單主機系統(tǒng)，能夠控制一個或多個從機設備。主機可以是微控制器，從機可以是單總線器件，它們之間的數(shù)據(jù)交換只通過一條信號線。當只有一個從機設備時，系統(tǒng)可按單節(jié)點系統(tǒng)操作。當有多個從設備時，系統(tǒng)則按多節(jié)點系統(tǒng)操作。DS18B20 有兩種供電方式：一種為數(shù)據(jù)線供電方式，此時VDD接地，它是通過內部電容在空閑時從數(shù)據(jù)線獲取能量，來完成溫度轉換，完成溫度轉換的時間較長。為了保證在有效的時鐘周期內，提供足夠的電流，這種情況下，用一個MOSFET管和單片機的一個I/O口來完成對DS18B20總線的上拉。另一種是外部供電方式(VDD接+5V)，完成溫度測量的時間較短。當使用數(shù)據(jù)總線寄生供電時，供電端必須接地，同時總線口在空閑的時候必須保持高電平，以便對傳感器充電。但當所測溫度超過100℃時，DS18B20的漏電流增大，傳感器從I/O線上獲取的電流不足以維持DS18B20通訊所需的電流，此時只能選用外部供電方式。比較而言，寄生電源方式少用一根導線，但它完成溫度測量所需的時間較長，而外部電源方式測量速度則要快些。 濕度傳感器測量空氣濕度的方式很多，其原理是根據(jù)某種物質從其周圍的空氣吸收水分后引起的物理或化學性質的變化，間接地獲得該物質的吸水量及周圍空氣的濕度。電容式、電阻式和濕漲式濕敏原件分別是根據(jù)其高分子材料吸濕后的介電常數(shù)、電阻率和體積隨之發(fā)生變化而進行濕度測量的。下面 介紹HS1101濕度傳感器及其應用。 特點不需校準的完全互換性，高可靠性和長期穩(wěn)定性，快速響應時間，專利設計的固態(tài)聚合物結構，適用于線性電壓輸出和頻率輸出兩種電路，適宜于制造流水線上的自動插件和自動裝配過程等。 圖34a、濕敏電容工作的溫、濕度范圍 圖34b、濕度電容響應曲線。相對濕度在1%100%RH范圍內；電容量由160pF變到200pF，其誤差不大于177。2%RH；響應時間小于5S； pF/℃。可見精度是較高的。 濕度的計算方法本設計將HS1101置于555振蕩電路中，將電容值的變化轉為與之成反比的電壓頻率信號，從而得出濕度。頻率輸出的555測量振蕩電路如圖35所示。集成定時器555芯片外接電阻RR6與濕敏電容C，構成了對C的充電回路。7端通過芯片內部的晶體管對地短路又構成了對C的放電回路，并將引腳6端相連引入到片內比較器，便成為一個典型的多諧振蕩器，即方波發(fā)生器。電源電壓工作范圍是++12V，本監(jiān)測系統(tǒng)采用+5V。R4是作為內部溫度補償，引入溫度效應，使它與HS1101的溫度效應相匹配。R4必須是1%精度,最大溫度效應小于100ppm的電阻。由于不同型號的555的溫度效應不同，所以R4必須與相應型號的555芯片相匹配。為了保證在55%RH的典型濕度值為6660Hz(25℃)，R6也必須做修正。對于NE555，R4取909k,R6取576k。為了使輸出方波占空比接近50%，應使R6R5。圖35 頻率輸出的555振蕩電路該振蕩電路兩個暫穩(wěn)態(tài)的交替過程如下：首先電源Vs通過RR6 向C充電，經t充電時間后，Uc達到芯片內比較器的高觸發(fā)電平，此時輸出引腳3端由高電平突降為低電平，然后通過R6放電，經t放電時間后，Uc下降到比較器的低觸發(fā)電平，此時輸出，此時輸出引腳3端又由低電平突降為高電平，如此翻來覆去，形成方波輸出。其中，充放電時間為 t充電=C（R4+R6）Ln2 t放電=CR6 Ln2因而，輸出的方波頻率為f=1/(t放電+t充電)=1/[ C（R4+R6）Ln2]可見，空氣濕度通過555測量電路就轉變?yōu)榕c之呈反比的頻率信號，表32給出了其中的一組典型測試值。表32 空氣濕度與電壓頻率的典型值%RH0102030405060708090100Hz73517224710069766853672866006468633061866033該振蕩電路輸出的方波的頻率fout：fout=1/[ C（R4+R6）Ln2] 根據(jù)HS1101使用手冊，該振蕩電路輸出的方波頻率范圍是6033～7351Hz,所對應的相對濕度為100～0%R。表32給出了一組相對濕度與電壓頻率的對應值。輸出電壓頻率與濕度關系為： 其中，fout(55)是指在55%RH的典型濕度值時的電壓輸出頻率值，在25℃下,該值為6660Hz。本系統(tǒng)要求濕度精度為3%RH，可以用下式計算fout與RH的關系： 輸出方波的占空比D為： 由上式可計算出振蕩電路輸出的方波的占空比為52%。 氣體傳感器MQ2 特點 可用于家庭和工廠的氣體泄漏監(jiān)測裝置，適宜于液化氣丙烷、丁烷、甲烷、酒精、氫氣、煙霧等的探測，長壽命、低成本，簡單的驅動電路即可。MQ2氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫(SnO2)。當傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。MQ2氣體傳感器對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣和其它可燃蒸汽的檢測也很理想。這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，是一款適合多種應用的低成本傳感器。圖38是傳感器的基本測試電路。該傳感器需要施加2 個電壓：加熱器電壓（VH）和測試電壓（VC