【文章內容簡介】 時間短，長時間工作性能好；電路設計電壓范圍寬，24V 以下均可；加熱電壓 5177。 MQ2 型傳感器的初期穩(wěn)定特性：半導體煙霧傳感器在不通電狀態(tài)存放一段時間后，再通電時，器件并不能立即投入正常工作。這是因為煙霧傳感器中的二氧化錫在不通電的狀態(tài)下會吸附空氣中的水蒸氣，當再次通電時需要預熱幾分鐘使水蒸氣蒸發(fā)后，氣敏電阻才能正常工作。再通電工作時氣敏電阻值達到穩(wěn)定時所需要的時間，定義為初期穩(wěn)德州學院 機電工程系 2021 屆 自動化專業(yè) 畢業(yè)論文（設計）11定時間。一般情況下，不通電時間越長，初期穩(wěn)定時間也越長，當不通電存放時間達到15 天左右時，初期穩(wěn)定時間一般需要五分鐘左右。 MQ2 半導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，當加熱絲局部短路造成器件過熱或者放電時，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。（2）工作原理 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。該傳感器需要施加 2 個電壓：加熱器電壓（VH）和測試電壓（ Vc） 。其中 VH 用于為傳感器提供特定的工作溫度。Vc 則是用于測定與傳感器串聯(lián)的負載電阻（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 可以共用同一個電源電路。為更好利用傳感器的性能，需要選擇恰當?shù)腞L 值。圖 13 工作原理圖其標準工作條件如下：表 2 標準工作條件符號 參數(shù)名稱 技術條件 備注Vc 回路電壓 ≤15V AC or DCVH 加熱電壓 177。 V AC or DCRL 負載電阻 可調RH 加熱電阻 31Ω177。3Ω 室溫PH 加熱功耗 ≤900mW（4）信號采集及放大電路的設計 傳感器輸出信號一般比較微弱，需要經(jīng)過前置電路對其進行放大、濾波、電平調整，滿足單片機對輸入信號的要求。本系統(tǒng)采用的半導體煙霧傳感器屬于電阻型，因此只需串聯(lián)一個參考電阻，再經(jīng)過一個放大電路即可發(fā)送給 ADC 采集。由于系統(tǒng)采用的是單極德州學院 機電工程系 2021 屆 自動化專業(yè) 畢業(yè)論文（設計）12性供電，所以采用同相比例放大電路，可以減少硬件開銷；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)生一個負壓，這顯然會造成浪費。常見的運算放大器中，LM324 價格低廉、使用簡單等優(yōu)點比較突出，所以本設計中的前置放大電路采用 LM324 作為電路的運算放大器。 LM324 是單片高增益四運算放大器，可在較寬電壓范圍內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關，四個運放一致性好；其輸入偏流電阻是溫度補償?shù)?，也不需外接頻率補償，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的信號 Vi 經(jīng)過運算放大器的同相輸入端，但是為保證引入的是負反饋，輸出電壓 Vo 通過電阻 R4 接到反相輸入端，同時，反相輸入端通過電阻 R3 接到參考電壓 Vref。同相比例運算電路中反饋的組態(tài)為電壓串聯(lián)負反饋，同樣可以利用理想運放工作在線性區(qū)時的兩個特點來分析其電壓放大倍數(shù)。根據(jù)運放的“虛短”和“虛斷”的特點可知，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，具有以德州學院 機電工程系 2021 屆 自動化專業(yè) 畢業(yè)論文（設計）13下特點： 。因為不存在“虛地”現(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前端電路的影響，同時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計。此放大電路還加了參考電壓，引入了零點調節(jié)功能，這樣可以更方便的調整由于不同傳感器導致的零點變化問題。它利用滑動變阻器產(chǎn)生一個參考電壓 Vref，再利用電壓跟隨器把電壓輸入到運算放大電路的電壓參考端。所以調節(jié)滑動變阻器，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，它只是用來匹配阻抗用的，防止 R3 和 R4 對滑動變阻器輸出電壓的影響。 A/D 轉換單元的設計 數(shù)模轉換芯片 ADC0809ADC0809 是帶有 8 位 A/D 轉換器、8 路多路開關以及微處理機兼容的控制邏輯的CMOS 組件。它是逐次逼近式 A/D 轉換器，可以和單片機直接接口。（1）ADC0809 的內部邏輯結構8路模擬量開關8路A/D轉換器三態(tài)輸出鎖存器地址鎖存與譯碼器IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7ABCALEVREF(+) VREF()OEEOCD0D1D2D3D4D5D6D7CLKST德州學院 機電工程系 2021 屆 自動化專業(yè) 畢業(yè)論文（設計）14圖 15 ADC0809 的內部邏輯結構由上圖可知，ADC0809 由一個 8 路模擬開關、一個地址鎖存與譯碼器、一個 A/D 轉換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關可選通 8 個模擬通道，允許 8 路模擬量分時輸入，共用 A/D 轉換器進行轉換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存 A/D 轉換完的數(shù)字量，當 OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉換完的數(shù)據(jù)。（2）元件引腳結構圖 16 ADC0809 引腳圖IN0－IN7：模擬量輸入通道。ADC0809 對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是0－5V，若信號太小，必須進行放大；輸入的模擬量在轉換過程中應該保持不變如若模擬量變化太快，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 ALE 線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將A，B，C 三條地址線的地址信號進行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進轉換器進行轉換。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德州學院 機電工程系 2021 屆 自動化專業(yè) 畢業(yè)論文（設計）151 0 0 IN41 0 1 IN51 1 0 IN61 1 1 IN7ST: 轉換啟動信號。當 ST 上跳沿時，所有內部寄存器清零；下跳沿時，開始進行 A/D 轉換；在轉換期間，ST 應保持低電平。 EOC: 轉換結束信號。當 EOC 為高電平時，表明轉換結束；否則，表明正在進行 A/D 轉換。OE：輸出允許信號，用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機輸出轉換得到的數(shù)據(jù)。OE＝1，輸出轉換得到的數(shù)據(jù)；OE＝0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。 CLK: 時鐘輸入信號線。ADC0809 的內部沒有時鐘電路，時鐘信號須由外界提供，通常使用頻率為 500KHZ。VREF(+)，VREF(): 參考電壓輸入。（3）ADC0809 應用說明a. 初始化時，使 ST 和 OE 信號全為低電平。b. 在 ST 端給出一個至少有 100ns 寬的正脈沖信號。c. 當 VREF 接＋5V 電壓時，轉 換 后 的 數(shù) 字 量 與輸入的電壓 存在如下關系：2V1V。21*5/6V? 分頻器 74LS74因 ADC0809 的內部沒有時鐘電路，時鐘信號須由外界提供，通常使用頻率為500KHZ。而單片機晶振選用為 12MHZ，ALE 以時鐘振蕩頻率的 1/6 輸出固定的正脈沖信號，因此選用兩片 74LS74 進行 4 分頻后即可提供 ADC0809 所需的時鐘信號。分頻電路設計如下：德州學院 機電工程系 2021 屆 自動化專業(yè) 畢業(yè)論文（設計）16圖 17 4 分頻電路 A/ D 轉換單元硬件連接本設計選用了兩片 ADC0809 分別對測得的溫度模擬量和煙霧模擬量進行 A/D 轉換，由兩片 74LS74 分頻器 4 分頻后提供所需的時鐘信號，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1/2 74LS74ADC0809(2 片)圖 18 A/D 轉換電路連接示意圖 聲光報警單元的設計 LM386 運放 LM386 是由美國國家半導體公司生產(chǎn)的一種音頻集成功放，具有自身功耗低、電壓增益可調整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點，廣泛應用于錄音機和收音機等低電壓消費類產(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；德州學院 機電工程系 2021 屆 自動化專業(yè) 畢業(yè)論文（設計）17c. 外圍元件少；d. 低失真度；e. 電壓增益可調，電壓增益內置為 20，但在 1 腳和 8 腳之間增加一只外接電阻和電容，便可將電壓增益調為任意值，直至 200。（2） 引腳結構圖 19 LM386 引腳結構圖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光報警模塊，采用 2 個高亮度紅色光 LED 閃爍報警實現(xiàn)。電路連接如下：圖 20 光報警電路圖德州學院 機電工程系 2021 屆 自動化專業(yè) 畢業(yè)論文（設計）18 聲光報警硬件連接報警電路的作用就是當控制中心發(fā)出報警控制信號為高電平時，電路開始報警。根據(jù)國際上常用的報警音調波形圖及頻率范圍、變化模式、持續(xù)時間等參數(shù)，見表 4：德州學院 機電工程系 2021 屆 自動化專業(yè) 畢業(yè)論文（設計）19表 4 國際上常用報警音的參數(shù)音調名稱 音調頻率 重復周期 主要用途A 調 雙音轉換掉 F1：800 50 Hz?F2：1000 50 Hz(10 1) T/5 s?交通警車B 調 緊急調頻調 F： 600 —1500 Hz (14 1) T/5 s 工程車C 調 慢速調頻調 F： 200 —600 Hz 1T/(7 1) s 治安警車D 調 單音斷鳴調 F： 800 50 Hz?(10 1) T/5 s?船舶E 調 連續(xù)調頻調 F： 600 —1500 Hz 1T/(7 1) s 工程搶險車F 調 單音斷鳴長短調 F： 200 20 Hz (5 1) T/10 s 消防車本設計采用發(fā)生 E 調連續(xù)調頻調報警。設計方法如下：報警電路由聲報警電路，光報警電路兩部分組成。當煙霧或溫度實測值超過設定值時，控制中心發(fā)出報警控制信號，經(jīng) LM386 放大后驅動音響設備發(fā)出所需頻率的聲音報警，報警控制信號同時控制高亮紅光 LED 閃爍報警。從而發(fā)生所需頻率為 1000Hz（頻率由軟件控制實現(xiàn)）的聲音報警和閃爍燈光報警。當火災被消除或手動關閉時，報警控制信號為低電平，報警停止。圖 21 聲光報警單元原理圖德州學院 機電工程系 2021 屆 自動化專業(yè) 畢業(yè)論文（設計）