【正文】 有體積小、壽命長、選擇性和穩(wěn)定性好等特點(diǎn)外，同時還具有耐高濕低溫的特性，可廣泛用于自動通風(fēng)換氣系統(tǒng)或是 CO2 氣體的長期監(jiān)測等應(yīng)用場合。但是，由于 TGS4160 的預(yù)熱時間較長 (一般為 2 小時 )，所以，該器件比較適合于在室溫下長時間通電連續(xù)工作。此外，為了方便客戶使用，外 FIGARO 公司還專門設(shè)計(jì)了帶溫度補(bǔ) 償?shù)膫鞲衅魈幚砟K AM－ 4。該模塊采用微處理器進(jìn)行控制， CO2 氣體濃度的輸出信號電平為 － ，相當(dāng)于 03000ppm 的濃度，并有中繼轉(zhuǎn)接控制口，可輸出高、低兩種門限信號以供外接控制使用。 TGS4160 傳感器的主要技術(shù)參數(shù)如下： 測量范圍： 0～ 5000ppm； 使用壽命： 2022 天； 加熱器電壓： 177。 VDC； 加熱器電流： 250mA； 加熱器功耗： ； 內(nèi)部熱敏電阻（補(bǔ)償用）： 100KΩ177。5％； 使用溫度：－ 10～＋ 50℃ ； 使用濕度 5～ 95％ RH； 產(chǎn)品 尺寸：最大外徑 Φ24mm，高 24mm，引腳長 。 TGS4160 二氧化碳傳感器是一種內(nèi)含熱敏電阻的混合式 CO2 敏感元件。該元件在兩個電極之間充有陽離子固體電解質(zhì)。它的陰極由鋰碳酸鹽和鍍金材料制成，而陽極只是鍍金材料。該敏感元件的基襯是用對苯二酯聚乙烯和玻璃纖維加固，然后采用不銹鋼網(wǎng)做圓柱型封裝。元件的內(nèi)層采用 100 目雙層不銹鋼網(wǎng)套在鍍鎳銅環(huán)上，并用高強(qiáng)度樹脂粘合劑與基襯固定在一起。其外層頂蓋上又罩上了一層 60 目的不銹鋼網(wǎng)。為了達(dá)到降低干擾氣體影響的目的， TGS4160 在內(nèi)外兩層不銹鋼網(wǎng)之間還填充有吸 附材料（沸石）。傳感器的 6 個引腳通過 的箔導(dǎo)線與內(nèi)部相連。其等效的內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖 所示。圖中，陽極與傳感器的第 3腳 S（＋）相連，陰極與傳感器的第 4 腳 S（－）相連，Ｐｔ加熱器與傳感器的第 1， 6 腳相連，內(nèi)部熱敏電阻與傳感器的第 2， 5 腳相連。內(nèi)部熱敏電阻的作用是通過該電阻探測環(huán)境溫度，以便對該傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，從而使校正后的測量值更加準(zhǔn)確。 煙臺大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 21 圖 TGS4160 等效內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 TGS4160 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 傳感器 TGS4160 的電路連接 圖 TGS4160 電路圖 二氧化碳濃度信號采集 TGS4160 采集到信號后先經(jīng)運(yùn)算放大器，再接到 ADC0809 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換 TGS4160 型 CO2 傳感器是一種電化學(xué)型氣體的敏感元件，當(dāng)該元件暴露在CO2 氣體環(huán)境中時，就會產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)。其反應(yīng)式如下： 陽極反應(yīng)： 3222 COLi2e1 / 2 OCO2 L i ????? (34) 陰極反應(yīng)： ONa2e1 /2 O2 N a 22 ???? (35) 總體反應(yīng)： 2232 CO2 L iONa2 N aCOLi ???? ?? (36) 煙臺大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 22 作為電化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果，根據(jù)耐斯特方程，該過程將產(chǎn)生如下電勢（ MFE ）： ))l n ( p ( C OT ) / ( 2 F )(REE 2CMF ??? (37) 式中： 2coP 為 CO2 的分壓； CE 為常數(shù)； R 是氣體常數(shù)； T 為溫度值（ K）； F是法拉第常數(shù)。 從上式看出，通過監(jiān)測 S（＋）、 S（－）兩個電極之間所產(chǎn)生的電勢值 EMF，就可以測量 CO2 的濃度值。為了使該傳感器保持在最敏感的溫度上，一般需要給加熱器提供加熱電壓進(jìn)行加熱，但加熱電壓的變化將直接影響傳感器的穩(wěn)定性，因此加熱電壓必須穩(wěn)定，其范圍應(yīng)在 177。 之內(nèi)。為了保證 CO2 的準(zhǔn)確測量，除了保證加熱電壓穩(wěn)定及對環(huán)境溫度的變化進(jìn)行溫度補(bǔ)償外，更主要的是要測量兩電極之間變化的電勢值 ΔEMF，而不是絕對電勢值 EMF，因?yàn)?ΔEMF與 CO2 濃度變化之間有一個較好的線性關(guān)系。雖然 EMF 絕對值隨環(huán)境溫度的上升而上升， ΔEMF 卻保持常量，而且它在－ 10℃ ～＋ 50℃ 溫度范圍內(nèi)，基本不受溫度的影響。 ΔEMF 值可由下式求得： ΔEMF＝ EMF1－ EMF2 （ 38） 其中， EMF1 為 350ppm 的 CO2 中的 EMF 值； EMF2 為所測量的 CO2 的 EMF值。 在溫度為 20℃ 177。2℃ 、濕度為 65177。5％ RH、加熱電壓為 177。、預(yù)熱時間為 7天或大于 7天的條件下，測得傳感器在濃度為 350ppm中的 EMF值是 220～490mV，而 ΔEMF 在 350～ 3500ppm 的 CO2 濃度中的值是 44～ 72mV，因此 在實(shí)際測量應(yīng)用電路中，要根據(jù)傳感器的特點(diǎn)要求，除使用高輸入阻抗（ ≥100GΩ）、低偏置電流（ ≤1pA）的運(yùn)算放大器外，還要對測得的信號進(jìn)行處理。處理該信號通常有兩種方案可供選擇：一是使用費(fèi)加羅公司的 FIC98646 專用處理器模塊，二是選用其它型號的單片機(jī)并通過自己編程進(jìn)行信號處理。利用 TGS4160 傳感器并通過高輸入阻抗、低偏置電流的 運(yùn)放進(jìn)行放大，再作一些簡單的運(yùn)算處理，就可以在 CO2 濃度為 300～ 5000ppm 的范圍內(nèi)測得信號，該信號為 0～幾百毫伏的電壓信號，可以供高精度 A／ D 采樣使用。 單片機(jī)外圍控制電路設(shè)計(jì) 在本系統(tǒng)中單片機(jī)的外圍電路較多，可分為以下幾部分：看門狗電路、系統(tǒng)電源、溫濕度及 CO2 濃度信號采集電路、執(zhí)行機(jī)構(gòu)電路、 LCD 顯示電路、鍵盤輸入及報警電路和單片機(jī) I/O 的擴(kuò)展電路等。 “看門狗”電路 工控系統(tǒng)在運(yùn)行時，通常都會遇到各種各樣的現(xiàn)場干擾，抗干擾能力是衡量工控系統(tǒng)性能的一個重要指標(biāo)?？撮T狗 (Watchdog)電路是自行監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行的重要保證，幾乎所有的工控系統(tǒng)都包含看門狗電路。在 8096 系列單片機(jī)和增強(qiáng)型煙臺大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 23 8051 系列單片機(jī)中，該系統(tǒng)已經(jīng)做在芯片內(nèi)部，用戶只要用軟件開放它就可以，使用很方便。但目前工控系統(tǒng)仍在使用廉價的普通型 8051 系列單片機(jī)，則看門狗電路必須由用戶自己建立。 看門狗電路一般有軟件看門狗和硬件看門狗兩種。軟件看門狗不需外接硬件電路，但系統(tǒng)需要出讓一個定時器資源，這在許多系統(tǒng)中很難辦到，而且若系統(tǒng)軟件運(yùn)行不正常，可能導(dǎo)致看門狗系統(tǒng)也癱瘓。硬件看門狗是真正意義上的 “程序運(yùn)行監(jiān)視器 ”，如計(jì) 數(shù)型的看門狗電路通常由 555 多諧振蕩器、計(jì)數(shù)器以及一些電阻、電容等組成，分立元件組成的系統(tǒng)電路較為復(fù)雜，運(yùn)行不夠可靠。 X25045 是美國 Xicor 公司的生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化 8 腳集成電路，它將 EEPROM、看門狗定時器、電壓監(jiān)控三種功能組合在單個芯片之內(nèi)，大大簡化了硬件設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性，減少了對印制電路板的空間要求，降低了成本和系統(tǒng)功耗，是一種理想的單片機(jī)外圍芯片。 其引腳功能如下 ： CS：片選擇輸入； SO：串行輸出，數(shù)據(jù)由此引腳逐位輸出； SI：串行輸入，數(shù)據(jù) 或命令由此引腳逐位寫入 X25045； SCK：串行時鐘輸入，其上升沿將數(shù)據(jù)或命令寫入，下降沿將數(shù)據(jù)輸出； WP：寫保護(hù)輸入。當(dāng)它低電平時，寫操作被禁止； Vss：地； RESET：復(fù)位輸出。 X25045 引腳如圖 所示 圖 X25045 引腳圖 X25045 硬件連接圖如圖 所示。 X25045 芯片內(nèi)包含有一個看門狗定時器，可通過軟件預(yù)置系統(tǒng)的監(jiān)控時間。在看門狗定時器預(yù)置的時間內(nèi)若沒有總線活動，則 X25045 將從 RESET 輸出一個高電 平信號，經(jīng)過微分電路 C R3 輸出一個正脈沖，使 CPU 復(fù)位。圖 電路中， CPU 的復(fù)位信號共有 3 個：上電復(fù)位 (C R2)，人工復(fù)位 (S、 R R2)和 Watchdog 復(fù)位 (C R3)，通過或門綜合后加到 RESET 端。 C R3 的時間常數(shù)不必太大，有數(shù)百微秒即可，因?yàn)檫@時CPU 的振蕩器已經(jīng)在工作。 煙臺大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 24 圖 X25045 看門狗電路硬件連接圖 電源電路 在本設(shè)計(jì)中主要用到 +5V， +12V， 15V。為得到所需電壓，系統(tǒng)采用了電壓轉(zhuǎn)換 芯片 LM781 LM7805 和 LM7812，三個芯片的輸入分別取 +19V、 +23V 和+12V，經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸出端輸出分別為系統(tǒng)所需的 +15V、 +5V 和 +12V 電壓。 1234B R I D G E 11234B R I D G E 110 0u F / 25 V 10 0u F / 25 V 10 0u F / 25 V10 0u F / 50 V10 0u F / 50 V220VGND GNDGNDL M 78 05L M 78 12L M 78 15+ 15 V+ 15 V+12V+5V供電系統(tǒng)電壓轉(zhuǎn)換芯片C3C4C5C6C7C8C9C 10C 11D 10D 11 圖 系統(tǒng)電源圖 鍵盤電路與顯示單路設(shè)計(jì) 鍵盤電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)的按鍵輸入一般可分為簡單的獨(dú)立式按鍵輸入及行列式鍵盤輸入兩種。獨(dú)立式鍵盤輸入適合于按鍵輸入不多的情況，具有占用口線較少、軟件編寫簡單容易等特點(diǎn)。 通常所用的按鍵為輕觸機(jī)械開關(guān)，正常情況下按鍵的接點(diǎn)是 斷開的，當(dāng)我們按壓按鈕時，由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用，一個按鍵開關(guān)在閉合時不會馬上穩(wěn)定地?zé)熍_大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 25 接通，在斷開時也不會一下子斷開。因而機(jī)械觸點(diǎn)在閉合及斷開的瞬間均伴隨有一連串的抖動，抖動時間的長短由按鍵的機(jī)械特性及操作人員按鍵動作決定，一般為 5ms～ 20ms；按鍵穩(wěn)定閉合時間的長短是由操作人員的按鍵按壓時間長短決定的，一般為零點(diǎn)幾秒至數(shù)秒不等。 本設(shè)計(jì)中輸入按鍵只有 4 個，一個為“輸入使能鍵”，一個為“模式設(shè)定鍵”，一個為“左移鍵”，另兩個為“加法鍵”、“減法鍵”。欲輸入設(shè)定值時，按一下“輸入使能鍵”， 程序進(jìn)入設(shè)定狀態(tài)， 再按“模式設(shè)定鍵”，可選擇不同的參數(shù)，即可以選擇輸入溫度值、濕度值、 CO2 濃度值；按下“左移鍵”可以選擇各值的各個位數(shù)進(jìn)行輸入；再按下“加法鍵”或“減法鍵”，即可輸入對應(yīng)位的值；點(diǎn)按一下“左移鍵”，輸入輸入另一位??這樣可完成各個環(huán)境參數(shù)的設(shè)定。完成輸入后，再按一下“輸入使能鍵”，程序即退出設(shè)定狀態(tài)，進(jìn)入工作運(yùn)行。 圖 按鍵電路圖 顯示電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)并行 I\O 口數(shù)量是有限的，有時并行口需做其他更重要的用途，一般不會用數(shù)量較多的 I\O 口專門來驅(qū)動顯示電路。本設(shè)計(jì)選用了單片機(jī)兩個接 口，通過并行移位寄存器 74LS164 擴(kuò)展的 4 個 8 位并行輸出接口來驅(qū)動 LED。74LS164 為 8 位傳入并出移位寄存器，可以聯(lián)機(jī)使用。 A,B 為串行數(shù)據(jù)輸入端，CLK 位同步時鐘輸入端。 煙臺大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 26 abfcgdeDPY1 2 3 4 5 6 7a b c d e f g8dpdpD S 3D P Y _7 S E G _D PabfcgdeDPY1 2 3 4 5 6 7a b c d e f g8dpdpD S 2D P Y _7 S E G _D PabfcgdeDPY1 2 3 4 5 6 7a b c d e f g8dpdpD S 1D P Y _7 S E G _D PA1B2Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713CLK8MR9U?74L S 164A1B2Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713CLK8MR9U?74L S 164A1B2Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713CLK8MR9U?74L S 1641 2 3 4 5 6 7 816 15 14 13 12 11 10 9R P 1R E S P A C K 41