【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 時(shí)間短，長(zhǎng)時(shí)間工作性能好；電路設(shè)計(jì)電壓范圍寬，24V 以下均可；加熱電壓 5177。 MQ2 型傳感器的初期穩(wěn)定特性：半導(dǎo)體煙霧傳感器在不通電狀態(tài)存放一段時(shí)間后，再通電時(shí)，器件并不能立即投入正常工作。這是因?yàn)闊熿F傳感器中的二氧化錫在不通電的狀態(tài)下會(huì)吸附空氣中的水蒸氣，當(dāng)再次通電時(shí)需要預(yù)熱幾分鐘使水蒸氣蒸發(fā)后，氣敏電阻才能正常工作。再通電工作時(shí)氣敏電阻值達(dá)到穩(wěn)定時(shí)所需要的時(shí)間，定義為初期穩(wěn)德州學(xué)院 機(jī)電工程系 2021 屆 自動(dòng)化專業(yè) 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）11定時(shí)間。一般情況下，不通電時(shí)間越長(zhǎng)，初期穩(wěn)定時(shí)間也越長(zhǎng)，當(dāng)不通電存放時(shí)間達(dá)到15 天左右時(shí)，初期穩(wěn)定時(shí)間一般需要五分鐘左右。 MQ2 半導(dǎo)體煙霧傳感器由于傳感器一般工作在易燃易爆環(huán)境下，若加熱絲直接與電源相連，當(dāng)加熱絲局部短路造成器件過(guò)熱或者放電時(shí)，可能引發(fā)事故。所以必須使用傳感器生產(chǎn)廠家推薦的加熱電壓，使其工作在較安全的范圍內(nèi)。（2）工作原理 當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。該傳感器需要施加 2 個(gè)電壓：加熱器電壓（VH）和測(cè)試電壓（ Vc） 。其中 VH 用于為傳感器提供特定的工作溫度。Vc 則是用于測(cè)定與傳感器串聯(lián)的負(fù)載電阻（RL ）上的電壓（VRL） 。這種傳感器具有輕微的極性，Vc 需用直流電源。在滿足傳感器電性能要求的前提下，Vc 和 VH 可以共用同一個(gè)電源電路。為更好利用傳感器的性能，需要選擇恰當(dāng)?shù)腞L 值。圖 13 工作原理圖其標(biāo)準(zhǔn)工作條件如下：表 2 標(biāo)準(zhǔn)工作條件符號(hào) 參數(shù)名稱 技術(shù)條件 備注Vc 回路電壓 ≤15V AC or DCVH 加熱電壓 177。 V AC or DCRL 負(fù)載電阻 可調(diào)RH 加熱電阻 31Ω177。3Ω 室溫PH 加熱功耗 ≤900mW（4）信號(hào)采集及放大電路的設(shè)計(jì) 傳感器輸出信號(hào)一般比較微弱，需要經(jīng)過(guò)前置電路對(duì)其進(jìn)行放大、濾波、電平調(diào)整，滿足單片機(jī)對(duì)輸入信號(hào)的要求。本系統(tǒng)采用的半導(dǎo)體煙霧傳感器屬于電阻型，因此只需串聯(lián)一個(gè)參考電阻，再經(jīng)過(guò)一個(gè)放大電路即可發(fā)送給 ADC 采集。由于系統(tǒng)采用的是單極德州學(xué)院 機(jī)電工程系 2021 屆 自動(dòng)化專業(yè) 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）12性供電，所以采用同相比例放大電路，可以減少硬件開(kāi)銷；如果采用反相放大，則一般需要利用雙極性供電，這就需要系統(tǒng)額外的利用變壓芯片產(chǎn)生一個(gè)負(fù)壓，這顯然會(huì)造成浪費(fèi)。常見(jiàn)的運(yùn)算放大器中，LM324 價(jià)格低廉、使用簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)比較突出，所以本設(shè)計(jì)中的前置放大電路采用 LM324 作為電路的運(yùn)算放大器。 LM324 是單片高增益四運(yùn)算放大器，可在較寬電壓范圍內(nèi)的單電源或雙電源下工作，其電源電流很小且與電源電壓無(wú)關(guān)，四個(gè)運(yùn)放一致性好；其輸入偏流電阻是溫度補(bǔ)償?shù)?，也不需外接頻率補(bǔ)償，可做到輸出電平與數(shù)字電路兼容。 圖 14 前置放大電路圖 如上圖所示，從傳感器的上端出來(lái)的信號(hào) Vi 經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器的同相輸入端，但是為保證引入的是負(fù)反饋，輸出電壓 Vo 通過(guò)電阻 R4 接到反相輸入端，同時(shí)，反相輸入端通過(guò)電阻 R3 接到參考電壓 Vref。同相比例運(yùn)算電路中反饋的組態(tài)為電壓串聯(lián)負(fù)反饋，同樣可以利用理想運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的兩個(gè)特點(diǎn)來(lái)分析其電壓放大倍數(shù)。根據(jù)運(yùn)放的“虛短”和“虛斷”的特點(diǎn)可知，I = I+ = 0，所以 V = Vo*R3/R3 + R4 +Vref*R4/R3 + R4 (31)而且 V = V+ = ViVo = Vi*（R3 + R4）/R3 (32)由以上兩式可求出 Vo=VrefR4/R3 (33)所以本放大電路的放大倍數(shù) A =1+ R4*R3 ，此放大電路為同相比例放大電路，具有以德州學(xué)院 機(jī)電工程系 2021 屆 自動(dòng)化專業(yè) 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）13下特點(diǎn)： 。因?yàn)椴淮嬖凇疤摰亍爆F(xiàn)象，所以其輸入端有較高的共模輸入電壓。 A =1+R4*R3，即輸出電壓與輸入電壓的幅值成正比，且相位相同，所以此電路實(shí)現(xiàn)了同相比例放大。如果不接 R3 和 R4，則此電路就成了“電壓跟隨器”，它可以減少電路模塊間由于阻抗引起的干擾。 ，因此電路的輸入阻抗很高，輸出阻抗很低。高輸入阻抗就可以減少放大電路對(duì)前端電路的影響，同時(shí)低輸出阻抗也可以提高自身的抗干擾性，這顯然有利于電路中其他模塊的設(shè)計(jì)。此放大電路還加了參考電壓，引入了零點(diǎn)調(diào)節(jié)功能，這樣可以更方便的調(diào)整由于不同傳感器導(dǎo)致的零點(diǎn)變化問(wèn)題。它利用滑動(dòng)變阻器產(chǎn)生一個(gè)參考電壓 Vref，再利用電壓跟隨器把電壓輸入到運(yùn)算放大電路的電壓參考端。所以調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，就可以直接改變放大電路的參考電壓。而電壓跟隨器的作用就如上面介紹的，它只是用來(lái)匹配阻抗用的，防止 R3 和 R4 對(duì)滑動(dòng)變阻器輸出電壓的影響。 A/D 轉(zhuǎn)換單元的設(shè)計(jì) 數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片 ADC0809ADC0809 是帶有 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器、8 路多路開(kāi)關(guān)以及微處理機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS 組件。它是逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器，可以和單片機(jī)直接接口。（1）ADC0809 的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)8路模擬量開(kāi)關(guān)8路A/D轉(zhuǎn)換器三態(tài)輸出鎖存器地址鎖存與譯碼器IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7ABCALEVREF(+) VREF()OEEOCD0D1D2D3D4D5D6D7CLKST德州學(xué)院 機(jī)電工程系 2021 屆 自動(dòng)化專業(yè) 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）14圖 15 ADC0809 的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)由上圖可知，ADC0809 由一個(gè) 8 路模擬開(kāi)關(guān)、一個(gè)地址鎖存與譯碼器、一個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開(kāi)關(guān)可選通 8 個(gè)模擬通道，允許 8 路模擬量分時(shí)輸入，共用 A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存 A/D 轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng) OE端為高電平時(shí)，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。（2）元件引腳結(jié)構(gòu)圖 16 ADC0809 引腳圖IN0－IN7：模擬量輸入通道。ADC0809 對(duì)輸入模擬量要求：信號(hào)單極性，電壓范圍是0－5V，若信號(hào)太小，必須進(jìn)行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過(guò)程中應(yīng)該保持不變?nèi)缛裟M量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。D0－D7: 數(shù)字量輸出線。ALE：地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當(dāng) ALE 線為高電平時(shí)，地址鎖存與譯碼器將A，B，C 三條地址線的地址信號(hào)進(jìn)行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進(jìn)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。A，B，C ：地址輸入線。用于選通 IN0－IN7 上的一路模擬量輸入，通道選擇如下表所示。表 3 CBA 的地址選通 IN0－IN7C B A 選擇的通道0 0 0 IN00 0 1 IN10 1 0 IN20 1 1 IN3德州學(xué)院 機(jī)電工程系 2021 屆 自動(dòng)化專業(yè) 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）151 0 0 IN41 0 1 IN51 1 0 IN61 1 1 IN7ST: 轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)。當(dāng) ST 上跳沿時(shí)，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，ST 應(yīng)保持低電平。 EOC: 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。當(dāng) EOC 為高電平時(shí)，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。OE：輸出允許信號(hào)，用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE＝1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；OE＝0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。 CLK: 時(shí)鐘輸入信號(hào)線。ADC0809 的內(nèi)部沒(méi)有時(shí)鐘電路，時(shí)鐘信號(hào)須由外界提供，通常使用頻率為 500KHZ。VREF(+)，VREF(): 參考電壓輸入。（3）ADC0809 應(yīng)用說(shuō)明a. 初始化時(shí)，使 ST 和 OE 信號(hào)全為低電平。b. 在 ST 端給出一個(gè)至少有 100ns 寬的正脈沖信號(hào)。c. 當(dāng) VREF 接＋5V 電壓時(shí)，轉(zhuǎn) 換 后 的 數(shù) 字 量 與輸入的電壓 存在如下關(guān)系：2V1V。21*5/6V? 分頻器 74LS74因 ADC0809 的內(nèi)部沒(méi)有時(shí)鐘電路，時(shí)鐘信號(hào)須由外界提供，通常使用頻率為500KHZ。而單片機(jī)晶振選用為 12MHZ，ALE 以時(shí)鐘振蕩頻率的 1/6 輸出固定的正脈沖信號(hào)，因此選用兩片 74LS74 進(jìn)行 4 分頻后即可提供 ADC0809 所需的時(shí)鐘信號(hào)。分頻電路設(shè)計(jì)如下：德州學(xué)院 機(jī)電工程系 2021 屆 自動(dòng)化專業(yè) 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）16圖 17 4 分頻電路 A/ D 轉(zhuǎn)換單元硬件連接本設(shè)計(jì)選用了兩片 ADC0809 分別對(duì)測(cè)得的溫度模擬量和煙霧模擬量進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，由兩片 74LS74 分頻器 4 分頻后提供所需的時(shí)鐘信號(hào)，連接電路如下圖所示。 ALE P /P02AT89C51 P D QCLK QA CLK B C D 0~ IND ~7STAT IN7ALEOEEOC溫度/煙霧模擬信號(hào)1/2 74LS74ADC0809(2 片)圖 18 A/D 轉(zhuǎn)換電路連接示意圖 聲光報(bào)警單元的設(shè)計(jì) LM386 運(yùn)放 LM386 是由美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種音頻集成功放，具有自身功耗低、電壓增益可調(diào)整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于錄音機(jī)和收音機(jī)等低電壓消費(fèi)類產(chǎn)品中。（1）特性a. 靜態(tài)功耗低， 6V 電源電壓下，表靜態(tài)僅為 24mW，可用電池供電；b. 工作電壓范圍寬，4V—12V 或 5V—18V；德州學(xué)院 機(jī)電工程系 2021 屆 自動(dòng)化專業(yè) 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）17c. 外圍元件少；d. 低失真度；e. 電壓增益可調(diào)，電壓增益內(nèi)置為 20，但在 1 腳和 8 腳之間增加一只外接電阻和電容，便可將電壓增益調(diào)為任意值，直至 200。（2） 引腳結(jié)構(gòu)圖 19 LM386 引腳結(jié)構(gòu)圖GAIN（1/8 引腳）：增益；INPUT：反相輸入；+INPUT：同相輸入；GND ：地；Vout：輸出；Vs：電源；BYPASS：旁路。 高亮紅色光 LED光報(bào)警模塊，采用 2 個(gè)高亮度紅色光 LED 閃爍報(bào)警實(shí)現(xiàn)。電路連接如下：圖 20 光報(bào)警電路圖德州學(xué)院 機(jī)電工程系 2021 屆 自動(dòng)化專業(yè) 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）18 聲光報(bào)警硬件連接報(bào)警電路的作用就是當(dāng)控制中心發(fā)出報(bào)警控制信號(hào)為高電平時(shí)，電路開(kāi)始報(bào)警。根據(jù)國(guó)際上常用的報(bào)警音調(diào)波形圖及頻率范圍、變化模式、持續(xù)時(shí)間等參數(shù)，見(jiàn)表 4：德州學(xué)院 機(jī)電工程系 2021 屆 自動(dòng)化專業(yè) 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）19表 4 國(guó)際上常用報(bào)警音的參數(shù)音調(diào)名稱 音調(diào)頻率 重復(fù)周期 主要用途A 調(diào) 雙音轉(zhuǎn)換掉 F1：800 50 Hz?F2：1000 50 Hz(10 1) T/5 s?交通警車B 調(diào) 緊急調(diào)頻調(diào) F： 600 —1500 Hz (14 1) T/5 s 工程車C 調(diào) 慢速調(diào)頻調(diào) F： 200 —600 Hz 1T/(7 1) s 治安警車D 調(diào) 單音斷鳴調(diào) F： 800 50 Hz?(10 1) T/5 s?船舶E 調(diào) 連續(xù)調(diào)頻調(diào) F： 600 —1500 Hz 1T/(7 1) s 工程搶險(xiǎn)車F 調(diào) 單音斷鳴長(zhǎng)短調(diào) F： 200 20 Hz (5 1) T/10 s 消防車本設(shè)計(jì)采用發(fā)生 E 調(diào)連續(xù)調(diào)頻調(diào)報(bào)警。設(shè)計(jì)方法如下：報(bào)警電路由聲報(bào)警電路，光報(bào)警電路兩部分組成。當(dāng)煙霧或溫度實(shí)測(cè)值超過(guò)設(shè)定值時(shí)，控制中心發(fā)出報(bào)警控制信號(hào)，經(jīng) LM386 放大后驅(qū)動(dòng)音響設(shè)備發(fā)出所需頻率的聲音報(bào)警，報(bào)警控制信號(hào)同時(shí)控制高亮紅光 LED 閃爍報(bào)警。從而發(fā)生所需頻率為 1000Hz（頻率由軟件控制實(shí)現(xiàn)）的聲音報(bào)警和閃爍燈光報(bào)警。當(dāng)火災(zāi)被消除或手動(dòng)關(guān)閉時(shí)，報(bào)警控制信號(hào)為低電平，報(bào)警停止。圖 21 聲光報(bào)警單元原理圖德州學(xué)院 機(jī)電工程系 2021 屆 自動(dòng)化專業(yè) 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）