【正文】 優(yōu)于 5%，即準(zhǔn)確顯示的范圍為 5000ppm（ 1? 5%）也就是 4750ppm～ 5250ppm的范圍內(nèi)，若不在該范圍內(nèi)則說明甲烷傳感器的靈敏度不夠高，需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。而靈敏度的調(diào)節(jié)是依靠調(diào)節(jié)負(fù)載電阻 RL來實現(xiàn)的。我們調(diào)節(jié) RL使顯示的瓦斯?jié)舛戎当M可能與實際相符合。這樣確定下來的 RL的阻值，換言之傳感器的靈敏度也就確定下來了，此時我們已經(jīng)完成了甲烷傳感器的校準(zhǔn)。校準(zhǔn)后的傳感器就可以用來監(jiān)測實際中各個不同的瓦斯 濃度了。 圖 MQ4型氣敏元件的靈敏度特性 18 A/D 轉(zhuǎn)換單元 A/D 轉(zhuǎn)換器（ analog digital converter 簡稱 ADC）是將輸入的模擬電壓或電流轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件或設(shè)備，即能把被控對象的各種模擬信息變成計算機可以識別的數(shù)字信息，它是模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)或計算機之間的接口。 下面簡要介紹常用的幾種類型的基本原理及特點：積分型、逐次逼近型、并行比較型 /串并行型、 ΣΔ 調(diào)制型、電容陣列逐次比較型及壓頻變換型。 （ 1）積分型（如 ICL7109） 積分型 A/D 工作原理是將輸入電壓 轉(zhuǎn)換成時間 (脈沖寬度信號 )或頻率 (脈沖頻率 )，然后由定時器 /計數(shù)器獲得數(shù)字值。其優(yōu)點是用簡單電路就能獲得高分辨率， 但缺點是由于轉(zhuǎn)換精度依賴于積分時間，因此轉(zhuǎn)換速率極低。初期的單片 A/D 轉(zhuǎn)換器大多采用積分型，現(xiàn)在逐次比較型已逐步成為主流。 （ 2）逐次比較型（如 TLC0831） 逐次比較型 A/D 由一個比較器和 D/A 轉(zhuǎn)換器通過逐次比較邏輯構(gòu)成，從 MSB 開始，順序地對每一位將輸入電壓與內(nèi)置 D/A 轉(zhuǎn)換器輸出進(jìn)行比較，經(jīng) n 次比較而輸出數(shù)字值。其電路規(guī)模屬于中等。其優(yōu)點是速度較高、功耗低，在低分辯率（ 12 位）時價格便 宜，但高精度（ 12位）時價格很高。 （ 3）并行比較型 /串并行比較型（如 TLC5510） 并行比較型 A/D 采用多個比較器，僅作一次比較而實行轉(zhuǎn)換，又稱 FLash(快速 )型。由于轉(zhuǎn)換速率極高， n 位的轉(zhuǎn)換需要 2n1 個比較器，因此電路規(guī)模也極大，價格也高，只適用于視頻A/D 轉(zhuǎn)換器等速度特別高的領(lǐng)域。 串并行比較型 A/D 結(jié)構(gòu)上介于并行型和逐次比較型之間，最典型的是由 2 個 n/2 位的并行型 A/D 轉(zhuǎn)換器配合 D/A 轉(zhuǎn)換器組成，用兩次比較實行轉(zhuǎn)換，所以稱為 Half flash(半快速 )型。還有分成三步或多步實現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換 的叫做分級（ Multistep/Subrangling）型 A/D，而從轉(zhuǎn)換時序角度 又可稱為流水線（ Pipelined）型 A/D，現(xiàn)代的分級型 A/D 中還加入了對多次轉(zhuǎn)換結(jié)果作數(shù)字運算而修正特性等功能。這類 A/D 速度比逐次比較型高，電路 規(guī)模比并行型小。 （ 4） ΣΔ(Sigma/FONTdelta)調(diào)制型（如 AD7705） ΣΔ 型 A/D 由積分器、比較器、 1 位 D/A 轉(zhuǎn)換器和數(shù)字濾波器等組成。原理上近似于積分型，將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時間 (脈沖寬度 )信號，用數(shù)字濾波器處理后得到數(shù)字值。電路的數(shù)字部分基本上容易單片 化，因此容易做到高分辨率。主要用于音頻和測量。 （ 5）電容陣列逐次比較型 19 電容陣列逐次比較型 A/D 在內(nèi)置 D/A 轉(zhuǎn)換器中采用電容矩陣方式，也可稱為電荷再分配型。一般的電阻陣列 D/A 轉(zhuǎn)換器中多數(shù)電阻的值必須一致，在單芯片上生成高 精度的電阻并不容易。如果用電容陣列取代電阻陣列，可以用低廉成本制成高精度單片 A/D 轉(zhuǎn)換器。最近的逐次比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器大多為電容陣列式的。 （ 6） 壓頻變換型（如 AD650） 壓頻變換型（ VoltageFrequency Converter）是通過間接轉(zhuǎn)換方式實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的。其原理是首先將輸 入的模擬信號轉(zhuǎn)換成頻率，然 后用計數(shù)器將頻率轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。從理論上講這種A/D 的分辨率幾乎可以無限增加，只要采樣的時間能夠滿足輸出頻率分辨率要求的累積脈沖個數(shù)的寬度。其優(yōu)點是 分辯率高、功耗低、價格低，但是需要外部計數(shù)電路共同完成 A/D 轉(zhuǎn)換。 A/D 轉(zhuǎn)換器的選型 A/D 轉(zhuǎn)換器是測試系統(tǒng)的一個非常重要的環(huán)節(jié)，其芯片種類多，性能各異，功能引腳不盡相同，實際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)分辨率和轉(zhuǎn)換時間兩個重要參數(shù)選擇適當(dāng)?shù)男酒?。其中分辨率就是?A/D 轉(zhuǎn)換器可轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)或 BCD 碼的位數(shù)。與一般測量儀表的分辨率 表達(dá)方式不同， A/D 轉(zhuǎn)換器不采用可分辨的輸入模擬電壓相對值表示，例如 A/D 轉(zhuǎn)換器 ADC0809 的分辨率為 8 位，即該轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)據(jù)可以用 82 個二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行量化，其分辨率為 1LSB。如果用百分?jǐn)?shù)表示分辨率，則分辨率為 %%1002561%10021%10021 8 ??????n （ 31） BCD 碼輸出的 A/D 轉(zhuǎn)換器一般用位數(shù)表示分辨率，例如 5G14433 雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換器，分辨率為 213位，滿度字位為 1999；用百 分?jǐn)?shù)表示分辨率時，分辨率為 %%10 019 991 ?? （ 32） 換而言之，分辨率就是 A/D 轉(zhuǎn)換器可以轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的最小電壓。如 8 位 ADC 滿量程為 5V，則它能分辨的最小電壓為 5000mV/256≈20mV， 既模擬電壓小于 20mV， ADC 就不能轉(zhuǎn)換了。同樣的 5V電壓，若采用 12 位 ADC，則它能分辨的最小電壓為 5000Mv/4096≈1mV?？梢?， A/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，其分辨率越高，但轉(zhuǎn)換速度 就越慢。其中 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間是指完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時間，即從輸入啟動轉(zhuǎn)換信號開始到轉(zhuǎn)換結(jié)束所用的時間。轉(zhuǎn)換速度是轉(zhuǎn)換時間的倒數(shù)。通常，轉(zhuǎn)換速度越快越好，特別是對動態(tài)信號采集。 在選用 A/D 轉(zhuǎn)換之前，主要應(yīng)根據(jù)使用的場合的具體要求，按照轉(zhuǎn)換速度，精度，價格，功能以及接口條件來決定選擇何種類型。 根據(jù)其性能指標(biāo)，考慮到系統(tǒng)的精度我們這次選用了 ICL7109 轉(zhuǎn)換器 ， 它是一種高精度、低噪聲、低漂移和低價格的雙積分式 A/D 轉(zhuǎn)換器，其數(shù)據(jù)輸出為 12 位二進(jìn)制數(shù)， 20 配有較強的接口電路，能方便地與各種微處理機連接。其主要 特性為： （ 1） 12 位二進(jìn)制形式輸出，并帶有極性和溢出位； （ 2） 與 TTL 兼容，具有三態(tài)控制輸出； （ 3） 具有通用控制信號端，能用來方便地監(jiān)視和控制轉(zhuǎn)換時間； （ 4） 片內(nèi)有振蕩器，只需外接晶體或 RC 器件； （ 5） 具有通用異步收發(fā)器 (UART)數(shù)據(jù)交換制式，可通過簡單的并行或串行接口與微機相接； （ 6） 真正的差分輸入和差分基準(zhǔn)電壓； （ 7） 最大運行速度為每秒轉(zhuǎn)換 30 次； （ 8） 所有輸入都具有防止靜電的保護(hù)措施； （ 9） 雙電源供電； （ 10）輸入阻抗為 1012Ω； （ 11）功耗為 20mW。 ICL7109 芯片簡介 ICL7109 的管腳圖如圖 所示。 G N D1S T A T U S2P O L3OR4B 1 25B 1 16B 1 07B98B89B710B611B512B413B314B215B116T E S T17L B E N18H B E N19C E / L O A D20M O D E21O S C I N22O S C O U T23O S C S E T24B U F O U T25R U N / H O L D26S E N D27V28R E F O U T29B U F30AZ31I N T32C O M33I N L O34I N L I35R E F I N +36R E F C A P +37R E F C A P 38R E F I N 39V C C40I C L 7 1 0 9 圖 ICL7109的管腳圖 由 ICL7109 的引腳圖可見其采用 40 腳封裝，其中各個引腳的功能意義如下： 1 腳： GND，邏輯地。 21 2 腳： STATUS，工作狀態(tài)輸出端。該信號為 “1”時表示正在轉(zhuǎn)換，為 “0”時表示轉(zhuǎn)換完畢。 3 腳： POL，極性輸出端。為 “1”時表示正信號輸入，為 “0”時表示負(fù)信號輸入。 4 腳： OR，超量程輸出端。為 “1”時表示溢出，為 “0”時表示正常。 5～ 16 腳： 12 位二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸出端。 17 腳： TEST，自身功能檢測端。 18 腳： LBEN ，低 8 位數(shù)據(jù)輸出選通端，低電平有效。 19 腳： HBEN （為低），高 4 位及極性位、溢出位選通端，低電平有效。 20 腳： CE /LOAD ，片選端，低電平有效，并同時配合 21 腳 MODE 信號工作。 2l 腳： MODE，工作方式選擇端。低電平時轉(zhuǎn)換器為直接輸出方式，此時可在片選和字節(jié)使能的控制下直接讀取數(shù)據(jù)；高電平脈沖時轉(zhuǎn)換器處于 UART 方式，并在輸出兩個字節(jié)的數(shù) 據(jù)后返回到直接輸出方式。當(dāng)輸入高電平時，轉(zhuǎn)換器將在信號交換方式的每一轉(zhuǎn)換周期的結(jié)尾輸出數(shù)據(jù)。 2 23 腳： OSCIN、 OSCOUT，時鐘輸入、輸出端。 24 腳： OSCSET，時鐘振蕩器方式選擇端，高電平時采用 RC 振蕩器工作方式，低電平時采用品體振蕩器工作方式。 25 腳： BUFOUT，時鐘緩沖器輸出端。 26 腳： HOLDRUN / ，轉(zhuǎn)換控制端。高電平時，每經(jīng) 8192 個時鐘完成一次轉(zhuǎn)換；低電平時，轉(zhuǎn)換器將立即結(jié)束消除積分階段并跳至自動調(diào)零階段，從而縮短了消除積分階段，提高了轉(zhuǎn)換速度。 27 腳： SEND，與外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換控制端。 2 40 腳： V、 V+，電源負(fù)與電源正端。 29 腳： REFOUT，基準(zhǔn)電壓輸出端，一般為 +，經(jīng)電阻分壓輸出。 30 腳： BUF，緩沖放大器輸出端，接積分電阻 INTR 。 31 腳： AZ，自零電容端，接自零電容 AZC 。 32 腳： INT，積分器輸出端，接積分電容 INTC 。 33 腳： COM，模擬公共端。 3 35 腳： INLO、 INHI，差分輸入低端與高 端。 3 39 腳： REF IN+、 REF IN，基準(zhǔn)電壓輸入正端與負(fù)端 3 38 腳： REFCAP+、 REFCAP，基準(zhǔn)電容輸入端。 22 A/D 轉(zhuǎn)換部分電路 A/D 轉(zhuǎn)換部分電路是由 A/D 轉(zhuǎn)換器 ICL7109 構(gòu)成的，其主要作用是將氣體傳感器 MQ4 所得到的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量（該模擬電壓信號與瓦斯氣體的體積分?jǐn)?shù)相對應(yīng)），便于輸入到單片機中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。 前面我們已經(jīng)分析過氣體傳感器 MQ4 完全符合此次設(shè)計的要求，所以在這里 MQ4 的作用就是將氣體瓦斯的濃度轉(zhuǎn)換成與之相對應(yīng)的模擬電壓信號。我們 需要將該模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，只有這樣才能經(jīng)過單片機進(jìn)行處理。在這里我們經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換器 ICL7109 將其進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 ICL7109 為 12 位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)可分為低 8 位和高 4 位分時傳送給單片機，由我們的電路圖我們可以看出工作方式選擇端MODE 我們直接接地了，也就是說現(xiàn)在轉(zhuǎn)換器的工作方式為直接輸出方式，在該工作方式下我們可以在片選和字節(jié)使能的控制下直接讀取數(shù)據(jù)。而且工作狀態(tài)輸出端 STATUS 與單片機的 INT1 直接相連，這樣完成一次轉(zhuǎn)換便能向單片機發(fā)出一個中斷信號，表明數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換已完成，單片機此時可以接收數(shù)據(jù)。具 體的數(shù)據(jù)傳輸過程是由 7109 的片選 CE 及低 8 位數(shù)據(jù)輸出選通端 LBEN （低電平有效）和高 4 位數(shù)據(jù)輸出選通端 HBEN （也是低電平有效）配合來完成，同時 HBEN 也兼作極性位、溢出位選通端（主要用于判斷傳輸數(shù)據(jù)的正誤），我們將 LBEN ， HBEN 分別接至單片機的 和 ，同時將 7109的片選 端接至 容易得知當(dāng) 為低（也就是說此時 7109 被選中可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸）且 為低時低 8 位數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，而當(dāng) 為低時高 4 位數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。 A/D 轉(zhuǎn)換器 ICL7109 的外圍電路設(shè)計如圖 所示。 23 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m b e r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 1 1 J u n 2 0 0 6 S h e e t o f F i l e : H : \ 論文 \ 電路原理圖 . D D B D r a w n B y :P 2 . 7+5P 2 . 6C11uF+5R1 100kI N T 1C2 0 . 3 3 uP 1 . 7C3 0 . 1 5 uP 0 . 7R4 20kP 0 . 65P 0 . 5+5P 0 . 4P 0 . 36 M H zP 0 . 2P 0 . 1P 0 . 0G N D2Q3G N D1M C 1 4 0 3V C