【文章內容簡介】 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 畢 業(yè) 設計（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 被設置為單位增益（ G=1），在接入外接電阻后， AD623可編程設置增益，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計，且在最小的空間內提供很好的線性度、溫度穩(wěn)定性和可靠性。 AD623 出現以前，儀表放大器的性能都達不到如此水平 [14]。 西南科 技大學 畢 業(yè) 設計（論文） 20 主要特點： 便于使用，性能優(yōu)于分立設計，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 最大輸入失調電壓（ AD623A） 2μ V /℃最大輸入失調漂移（ AD623A） 100μ V 最大輸入失調電壓（ AD623B） 1μ V /℃最大輸入失調漂移（ 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 極限參數如下： 電源電壓 177。 6V 內部功率耗散 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 畢 業(yè) 設計（論文） 21 、 A/D 轉換器選擇 本文 A/D 轉換器選擇了 TLC2543，該芯片是 7LC2543 是德州儀器公司 (TI)新型模數轉換器 (ADC)，具有 l2 位的分辨率，使用開關電容逐次逼近技術完成 AD 轉換過程，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)。它被廣泛運用于數據采集系統 中 [2]。 TLC2543 是 l2 位開關電容逐次逼近型 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)及地址數據輸入端 (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，輸出轉換結果。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)用于選擇輸出數據的長度 ( 12 或 16 位 )、輸出數據的順序 (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 轉換器； 2) 在工作溫度范圍內 10s轉換時間； 3) 11 個模擬輸入通道； 4) 3 路內置自測試方式； 5) 采樣率為 66 kb/s； 6) 線性誤差 +1LSB(max)； 7) 有轉換結束 (EOC)輸出； 8) 具有單、雙極性輸出； 9) 可編程的 MSB或 LSB 前導； 10) 可編程的輸出數據長度。 西南科 技大學 畢 業(yè) 設計（論文） 22 3 基于 RCM5700 的系統電路設計 、 系統硬件電路總體設計 系統的工作原理 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，經低通濾波濾掉干擾信號送到 A/D轉換器，變換成數字量送主控芯片進行數據分析。由于煤氣泄漏出來的氣體的主要性質可以分為毒性氣體和可燃性氣體 2種，所以本設計中才用了 3個性質不同的傳感器，對其進行分別處理。NGCO001型電 化學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個等級的空氣質量提示。當感應信號達到設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動報警，控制顯示器顯示出相應空氣質量等級即為“差”，驅動蜂鳴器發(fā)出聲響，報警 LED 發(fā)光，同時控 制電磁閥關閉。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 系統原理框圖 系統采用模塊化設計。 所謂的模塊化設計，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 要結構和流程描述出來，并定義和調試好各個框架之間的輸入、輸出鏈接關系。 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 畢 業(yè) 設計（論文） 23 用戶端自動報警器內提供備用電源，在沒有市電的情況下，交直流供電自動切換，確保系統在停電 時能繼續(xù)工作。 、 系統硬件電路 系統硬件電路的總體設計主要包括了 RCM5700 模塊電路設計、可燃氣體傳感器電路設計、 A/D 轉換器電路設計以及通信接口電路設計 如下圖 32。 圖 32 系統總體硬件原理 圖 使用 Rabbit RCM5700 芯片 PB3接虛擬時鐘線，利用 PB5 口線接虛擬數據線 DATA。 可燃氣體傳感器輸出的模擬量經過放大電路放大后，再經過 AD 轉換器轉換后，數據西南科 技大學 畢 業(yè) 設計（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 轉換器的 CLK、 DIN、 DOUT、 CS 相連，以此實現可燃氣體傳感器和 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 輸出端口實現控制。 使用 RCM5700 模塊 PB2，并電阻連接 LED。 、 信號采集放大電路的設計 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，需要經過放大電路放大，之后方可進行 A/D 轉換。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，因此在本設計中，放大電路采用儀表放大器 AD623，對來自傳感器的信號經行精密放大，同時抑制共模成分提高信號質量 [6]。 AD623 的主要特點是：使用一只外接電阻設置增益 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用場合；可取代分立器見構成的儀表放大 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計中同時接地即可 由 AD623 構成的放大電路如圖 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通時的放大 倍數，因此通過 CE 極的電壓也比較穩(wěn)定。 Q LM324 與 構成恒壓電路，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 畢 業(yè) 設計（論文） 25 圖 33 信號采集放大電路 西南科 技大學 畢 業(yè) 設計（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，該模擬信號需要經過運放后送入 A/D轉換器。本系統中運放采用了 AD623 儀用放大器實現，運放后信號送入 A/D 轉換器。 圖 35中 AIN0— AIN10 為模擬輸入端；／ CS為片選端； DIN 為串行數據輸入端； DOUT為 A／ D 轉換結果的三態(tài)串行輸出端；EOC 為轉換結束端； 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