【文章內(nèi)容簡介】 16 是典型的靈敏度特性，全部是在標準試驗條件下得出的結(jié)果 如下圖 217。 縱坐標以傳感器電阻比（ Rs/Ro）表示， Rs、 Ro 的定義如下： Rs ＝不同濃度氣體中的電阻值 Ro ＝ 1000ppm 甲烷中的電阻值 基本測試回路與上面的氫氣傳感器類似。 圖 215 圖 216 西南科 技大學(xué) 畢 業(yè) 設(shè)計（論文） 19 圖 217 、 儀表放大器的選擇 AD623 是一個集成單電源儀表放大器， 如下圖 218， 它能在單電源（ +3V 到 +12V）下提供滿電源幅度的輸出。 AD623 允許使用單個增益設(shè)置電阻進行增益編程，以得到更好的用戶靈活性，且符合 8引腳的工業(yè)標準引腳配置 [13]。 在無外接電阻條件下， AD623 被設(shè)置為單位增益（ G=1），在接入外接電阻后， AD623可編程設(shè)置增益，其增益最高可達 1000 倍。 AD623 通過提供極好的隨增益增大而增大的交流共模抑制比（ AC CMRR）而保持最小的誤差。線路噪聲及諧波將由于共模抑制比（ CMRR）在高達 200Hz 時仍保持恒定而受到抑制。 AD623 具有較寬的共模輸入范圍，它可以放大具有低于地電平 150mV 共模電壓的信號，雖然 AD623 是按照工作于單電源方式進行 的優(yōu)化設(shè)計，但當它工作于雙電源（177。 至177。 ）時，仍然能提供優(yōu)良的性能。低功耗（ 3V 時 ）、寬電源電壓范圍、滿電源幅度輸出，使 AD623 成為電池供電應(yīng)用的理想選擇。在低電源電壓下工作時，滿電源幅度輸出級使動態(tài)范圍達到最大。AD623 可取代分立的儀表放大器設(shè)計，且在最小的空間內(nèi)提供很好的線性度、溫度穩(wěn)定性和可靠性。 AD623 出現(xiàn)以前，儀表放大器的性能都達不到如此水平 [14]。 西南科 技大學(xué) 畢 業(yè) 設(shè)計（論文） 20 主要特點： 便于使用，性能優(yōu)于分立設(shè)計，單電源 或雙電源工作，滿電源幅度輸出輸入電壓范圍擴展至低于地 150mV（單電源），低功耗，最大 575μ A電源電流。 單個外接電阻增益設(shè)置：增益范圍 1（無外接電阻）到 1000。 高精度 DC 性能： %增益誤差（ G=1） %增益誤差（ G1） 25ppm 增益漂移（ G=1） 200μ V 最大輸入失調(diào)電壓（ AD623A） 2μ V /℃最大輸入失調(diào)漂移（ AD623A） 100μ V 最大輸入失調(diào)電壓（ AD623B） 1μ V /℃最大輸入失調(diào)漂移（ AD623B） 25nA 最大輸入偏置電流 噪聲： 35nV/ Hz 針對 輸入端（ RTI）噪聲 @1kHz（ G=1） 良好的 AC 特性： 最小 90dB 共模抑制比（ CMRR）（ G=10） 最小 84dB 共模抑制比（ CMRR）（ G=5） （ @60Hz， 1k 非平衡信號源） 800kHz 帶寬（ G=1） 到終值 %的建立時間 20μ s（ G=10） 引腳排列 極限參數(shù)如下： 電源電壓 177。 6V 內(nèi)部功率耗散 650mW 差分輸入電壓 177。 6V 輸出短路持續(xù)時間 不確定 儲存溫度 范圍（ N， R， RM） 65℃至 +125℃ 工作溫度范圍： AD623A – 40℃至 +85℃ 引腳溫度范圍（焊接， 10秒） +300℃ 圖 218 西南科 技大學(xué) 畢 業(yè) 設(shè)計（論文） 21 、 A/D 轉(zhuǎn)換器選擇 本文 A/D 轉(zhuǎn)換器選擇了 TLC2543，該芯片是 7LC2543 是德州儀器公司 (TI)新型模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，具有 l2 位的分辨率，使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成 AD 轉(zhuǎn)換過程，提供的最大采樣率為 66KSPS，供電電流僅需 1mA(典型值 )。它除具有高速的轉(zhuǎn)換器和通用的控制能力外，還具有通用靈活的串行接口 (SPI)。它被廣泛運用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 中 [2]。 TLC2543 是 l2 位開關(guān)電容逐次逼近型 ADC 每個器件有三個控制輸入端：片選(CS)、輸入 /輸出時鐘 (I/O CLK)及地址數(shù)據(jù)輸入端 (DATA INPUT)。它還可以通過一個串行的 3 態(tài)輸出端 (DATA OUT)與主處理器或其它外圍的串行口通訊，輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。通過編程器件的 DATA INPUT管腳串行輸入的 8位通道 /方式控制字節(jié)的高 4位 (MSBs)，可選擇 11 個模擬輸入通道中的任一個。可用同樣的方法選用另外三個測試電壓[ ?REFV , ?REFV ,? ? 2/?? ? REFREF VV ]用于轉(zhuǎn)換器的枝正或其它用途。通道／方式控制字節(jié)的低四位 (LSBs)用于選擇輸出數(shù)據(jù)的長度 ( 12 或 16 位 )、輸出數(shù)據(jù)的順序 (以 MSB開始或 LSB 開始 )和是否需要單極性 (二進制 )或雙極性 (二進制補碼 )格式。其特點有： 1) 12 bit 分辨率 A／ D 轉(zhuǎn)換器； 2) 在工作溫度范圍內(nèi) 10s轉(zhuǎn)換時間； 3) 11 個模擬輸入通道； 4) 3 路內(nèi)置自測試方式； 5) 采樣率為 66 kb/s； 6) 線性誤差 +1LSB(max)； 7) 有轉(zhuǎn)換結(jié)束 (EOC)輸出； 8) 具有單、雙極性輸出； 9) 可編程的 MSB或 LSB 前導(dǎo)； 10) 可編程的輸出數(shù)據(jù)長度。 西南科 技大學(xué) 畢 業(yè) 設(shè)計（論文） 22 3 基于 RCM5700 的系統(tǒng)電路設(shè)計 、 系統(tǒng)硬件電路總體設(shè)計 系統(tǒng)的工作原理 如下圖 31 是利用煤氣傳感器將煤氣濃度變換為 mV 級模擬電流信號，放大器把信號放大后，經(jīng)低通濾波濾掉干擾信號送到 A/D轉(zhuǎn)換器，變換成數(shù)字量送主控芯片進行數(shù)據(jù)分析。由于煤氣泄漏出來的氣體的主要性質(zhì)可以分為毒性氣體和可燃性氣體 2種，所以本設(shè)計中才用了 3個性質(zhì)不同的傳感器，對其進行分別處理。NGCO001型電 化學(xué)一氧化碳氣體傳感器 主要是對毒性并可燃的一氧化碳氣體進行精密的單項檢測。其他 2 種傳感分別對其中 2類的可燃氣體進行檢測。對 RCM5700 植入軟件程序后，控制整個電路的運行。 空氣中的氣體濃度信號同時進入主芯片，主芯片對其進行分析，并輸出信號到顯示器，控制其提示出“好、優(yōu)、良、中、差”等 5個等級的空氣質(zhì)量提示。當感應(yīng)信號達到設(shè)定的任意一個危險區(qū)域（包括可燃氣體濃度危險區(qū)和毒性氣體濃度危險區(qū)）值時，主控芯片將輸出信號驅(qū)動報警，控制顯示器顯示出相應(yīng)空氣質(zhì)量等級即為“差”，驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出聲響，報警 LED 發(fā)光，同時控 制電磁閥關(guān)閉。以讓監(jiān)控人員進行處理。故障排除后，報警完畢自動回到警戒狀態(tài)，等待下一次報警。 圖 31 系統(tǒng)原理框圖 系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計。 所謂的模塊化設(shè)計，簡單地說就是程序的編寫不是開始就逐條錄入計算機語句和指令，而是首先用主程序、子程序、子過程等框架把軟件的主 要結(jié)構(gòu)和流程描述出來，并定義和調(diào)試好各個框架之間的輸入、輸出鏈接關(guān)系。 氫氣傳感器 烷類傳感器 信號放大器 信號放大器 A/D A/D A/D 晶振 串口 RCM5700 蜂鳴器 顯示器 電磁閥 報警燈 其他擴展 電源 CO 傳感器 西南科 技大學(xué) 畢 業(yè) 設(shè)計（論文） 23 用戶端自動報警器內(nèi)提供備用電源，在沒有市電的情況下，交直流供電自動切換，確保系統(tǒng)在停電 時能繼續(xù)工作。 、 系統(tǒng)硬件電路 系統(tǒng)硬件電路的總體設(shè)計主要包括了 RCM5700 模塊電路設(shè)計、可燃氣體傳感器電路設(shè)計、 A/D 轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計以及通信接口電路設(shè)計 如下圖 32。 圖 32 系統(tǒng)總體硬件原理 圖 使用 Rabbit RCM5700 芯片 PB3接虛擬時鐘線，利用 PB5 口線接虛擬數(shù)據(jù)線 DATA。 可燃氣體傳感器輸出的模擬量經(jīng)過放大電路放大后，再經(jīng)過 AD 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后，數(shù)據(jù)西南科 技大學(xué) 畢 業(yè) 設(shè)計（論文） 24 采用串行方式與 RCM5700 模塊連接，其中 RCM5700 模塊中 PA0、 PA PA PC6 分別與 AD 轉(zhuǎn)換器的 CLK、 DIN、 DOUT、 CS 相連，以此實現(xiàn)可燃氣體傳感器和 RCM5700 模塊的相連，將可燃氣體傳感器輸出送入 RCM5700 模塊中處理。 串口通信主要利用 RCM5700 模塊端口 PB3 和 PB5 作為串口通信端口，分別定義為TXD 和 RXD。 蜂鳴器則有 RCM5700 模塊 PD1 輸出端口實現(xiàn)控制。 使用 RCM5700 模塊 PB2，并電阻連接 LED。 、 信號采集放大電路的設(shè)計 由于氣體傳感器采集的電信號一般很小，而且存在共模成分，需要經(jīng)過放大電路放大，之后方可進行 A/D 轉(zhuǎn)換。氣體傳感器輸出的信號幅度很小，存在著不同程度的電磁干擾，因此在本設(shè)計中，放大電路采用儀表放大器 AD623，對來自傳感器的信號經(jīng)行精密放大，同時抑制共模成分提高信號質(zhì)量 [6]。 AD623 的主要特點是：使用一只外接電阻設(shè)置增益 G，計算公式為 G=1+100k?/Rti，其中 G可達 1000，從而給用戶帶來了極大方便。其輸入共模范圍很寬，允許比地電壓低 150mV 的共模電壓。單電源供電（ +~ +12V）能達到最佳性能。但雙電源供電（177。 ～177。 ）也能夠提供優(yōu)良的性能：低功耗、寬電源范圍和電源限輸出特性非常合適電池供電的應(yīng)用場合；可取代分立器見構(gòu)成的儀表放大 器，具有線性度優(yōu)良、溫度穩(wěn)定性高和體積小、可靠性高等優(yōu)點。在本設(shè)計中，采用恒壓供電方式為氣體傳感器供電，且在正常使用中采樣電路的輸出為單極性輸出，AD623 的 REF 端同 TLC2543 的 AD 參考電壓輸入端在設(shè)計中同時接地即可 由 AD623 構(gòu)成的放大電路如圖 33 所示。在圖中接口 J4 為氣體傳感器的接口，氣體傳感器與電阻 R3 R35 和 R39構(gòu)成電橋采集信號，直流 + 電壓用過 LM324 同相輸入端獲得一個穩(wěn)定的輸出電壓， Q1的通斷由 LM324 輸出決定，由于 Q1 的 B極電源比較穩(wěn)定，而 B 級電流決定三級管導(dǎo)通時的放大 倍數(shù)，因此通過 CE 極的電壓也比較穩(wěn)定。 Q LM324 與 構(gòu)成恒壓電路，為電橋提供恒壓。 AD623 的 REF 接地， OUTPUT 端接入 TLC2543 的 AD 模塊引腳。 西南科 技大學(xué) 畢 業(yè) 設(shè)計（論文） 25 圖 33 信號采集放大電路 西南科 技大學(xué) 畢 業(yè) 設(shè)計（論文） 26 LM324 系列器件為價格便宜的帶有真差動輸入的四運算放大器。與單電源應(yīng)用場合的標準運算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點。該四放大器可以工作在低到 32伏的電源下，靜態(tài)電流為 MC1741 的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負電源，因而消除了在許多應(yīng)用場合中采用外部偏置元件的必要性。它有 5 個引出腳，其中 “+” 、 “ ”為兩個信號輸入端， “V+” 、 “V ” 為正、負電源端， “Vo” 為輸出端。兩個信號輸入端中， Vi（ ）為反相輸入端，表示運放輸 圖 34 LM324 的引腳排列 出端 Vo 的信號與該輸入端的位相反； Vi+（ +）為同相輸入端，表示運放輸出端 Vo 的信號與該輸入端的相位相同。 LM324 的引腳排列見 上 圖 34。 、 運放電路及 A/D轉(zhuǎn)換電路 從一氧化碳傳感器輸出信號為差分信號，該模擬信號需要經(jīng)過運放后送入 A/D轉(zhuǎn)換器。本系統(tǒng)中運放采用了 AD623 儀用放大器實現(xiàn)，運放后信號送入 A/D 轉(zhuǎn)換器。 圖 35中 AIN0— AIN10 為模擬輸入端；／ CS為片選端； DIN 為串行數(shù)據(jù)輸入端； DOUT為 A／ D 轉(zhuǎn)換結(jié)果的三態(tài)串行輸出端；EOC 為轉(zhuǎn)換結(jié)束端； CLK 為 I／ O 時鐘；REF+為正基準電壓端； REF 一為負基準電壓端； VCC 為電源； GND 為地。 VCC：正電源端，一般接 +5V。 GND：正電源地。 VREF+：正基準電壓端，一