【導(dǎo)讀】儀器能夠根據(jù)甲烷濃度報(bào)警限(%)進(jìn)行聲、光報(bào)警，并啟動(dòng)排風(fēng)設(shè)。備，同時(shí)具有通信功能。儀器由CPU、敏感元件、看門狗監(jiān)控電路、小信號(hào)放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、通信電路、顯示電路、報(bào)警電路等組成。其中CPU是監(jiān)控儀的核心，完。輸出的電壓信號(hào)；A/D轉(zhuǎn)換電路把放大了的電壓信號(hào)由模擬信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)送入CPU；該儀器的特點(diǎn)是測(cè)。數(shù)測(cè)量準(zhǔn)確、操作方便的礦用甲烷濃度監(jiān)控儀。

　　

【正文】 報(bào)警電路采用聲光報(bào)警，發(fā)光二極管和蜂鳴器，連接電路如 圖 所示： 圖 報(bào)警電路 看門狗 監(jiān)控 電路 X5045 是一種集看門狗、電壓監(jiān)控和串行 EEPROM 三種功能于一身的可編程電路。這種組合設(shè)計(jì)減少了電路對(duì)電路板空間的需求。 X5045 中的看門狗對(duì)系統(tǒng)提供了保護(hù)功能。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障而超過設(shè)置時(shí)間時(shí)，電路中的看門狗將通過 RESET 信號(hào)向 CPU 作西安工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 27 出反應(yīng)。 X5045 提供了三個(gè)時(shí)間值供用戶選擇使用。它所具有的電壓監(jiān)控功能 還可以保護(hù)系統(tǒng)免受低電壓的影響，當(dāng)電源電壓降到允許范圍以下時(shí)，系統(tǒng)將復(fù)位，直到電源電壓返回到穩(wěn)定值為止。 X5045 的存儲(chǔ)器與 CPU 可通過串行通信方式接口，共有 4096 個(gè)位，可以按 512 x 8 個(gè)字節(jié)來放置數(shù)據(jù) [13]。 X5045 的引腳圖如圖 所示： 圖 X5045引腳圖 引腳 功能 介紹 如表 ： 表 X5045引腳功能介紹 名稱 說明 1 CS 芯片選擇輸入， CS低電平使 X5045 能工作 2 SO 串行輸出，有讀周期內(nèi)，數(shù)據(jù)在此引腳上移出，數(shù)據(jù)由串行時(shí)鐘的 下降沿同步輸出 3 SI 串行輸入，數(shù)據(jù)由串行時(shí)鐘的上升沿鎖存 4 SCK 串行時(shí)鐘輸入，串行時(shí)鐘控制用于數(shù)據(jù)輸入和輸出的串行總線定時(shí)， 操作碼、地址或出現(xiàn)在 SI 引腳上的數(shù)據(jù)在時(shí)鐘輸入碼上升沿鎖存， 而 SO 引腳上的數(shù)據(jù)在時(shí)鐘輸入的下降沿之后改變。 5 WP 寫輸入保護(hù)，當(dāng) WP為低電平時(shí)，向 X5045 的非易失性寫操作被禁止， 但是期間的其他功能仍正常。當(dāng) WP 保持高電平時(shí)，所有的功能包括 非易失性寫操作都正常。在 CS 仍為低電平時(shí)， WP 變?yōu)榈碗娖綄⒅欣^對(duì) X5045 的寫操作，如內(nèi)部寫周期已經(jīng)開始， WP變?yōu)榈?電平將不影響寫操作。 6 Vss 地 7 RESET 復(fù)位輸出，低電平有效。只要 Vcc 下降至最小 Vcc 檢測(cè)電平， RESET便變?yōu)榈碗娖?，它將保持低電平直?Vcc 上升至最小， Vcc 檢測(cè)電平 200ms 為止，如果允許看門狗定時(shí)器工作且 CS 保持高電平或低電平的時(shí)間長于看門狗超時(shí)周期，那么 RESET 也變?yōu)榈碗娖剑?CS 的下降沿將復(fù)位看門狗定時(shí)器 8 Vcc 電源電壓 根據(jù) X5045 的工作原理，設(shè)計(jì)連接電路圖如下： 西安工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 28 圖 X5045與 CPU的連接示意圖 系統(tǒng)電源電路 MC34063 是一單片雙極型線性集成電路，專用于直流－直流變換器控制部分。片內(nèi)包含有溫度補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)源、一個(gè)占空比周期控制振蕩器、驅(qū)動(dòng)器和大電流輸出開關(guān)，能輸出 的開關(guān)電流。它能使用最少的外接元件構(gòu)成開關(guān)式升壓變換器、降壓式變換器和電源反向器。 MC34063 的封裝形式為塑料雙列 8 引線直插式。 特點(diǎn)： 能在 的輸入電壓下工作 短路電流限制 低靜態(tài)電流輸出開關(guān)電流可達(dá) （無外接三極管） 輸出電壓可調(diào) 工作振蕩頻率從 100Hz 至 100KHz 可構(gòu)成升壓、降壓或反向電源變換器 電路原理 ： 振蕩器通過恒流源對(duì)外接在 CT 管腳（ 3 腳）上的定時(shí)電容不斷的充電和放電，以產(chǎn)生振蕩波形。充電和放電電流都是恒定的，所以振蕩頻率僅取決于外接定時(shí)電容的容量。與門的 C輸入端在振蕩器對(duì)外充電時(shí)為高電平， D 輸入端在比較器的輸入電平低于閾值電平時(shí)為高電平。當(dāng) C和 D 輸入端都變成高電平時(shí)，觸發(fā)器被置為高電平，輸出開關(guān)管導(dǎo)通，反之，當(dāng)振蕩器在放電期間， C輸入端為低電平，觸發(fā)器被復(fù)位，使得輸出開關(guān)管處于關(guān)閉狀態(tài) [15]。 電流限制 SI 檢測(cè)端（ 5腳）通過檢測(cè)連接在 V+和 5腳之間的電阻上的壓降來完成功能。當(dāng)檢測(cè)到電阻上的電壓 接近超過 300mV 時(shí)，電流限制電流開始工作。這時(shí)通過CT 管腳對(duì)定時(shí)電容進(jìn)行快速充電，以減少充電時(shí)間和輸出開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，結(jié)果是使得輸出開關(guān)管的關(guān)閉時(shí)間延長。 西安工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 29 圖 X5045典型電路應(yīng)用 根據(jù) 34063 的原理 ， 以及 上圖所示的典型應(yīng)用電路中的降壓變換器電路，以及如下公式 設(shè)計(jì)電路如下圖所示，電源電路可將給其提供的 12V 電源轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需要的 5V直流電源。 圖 5 原理圖的繪制和 PCB板的完成 30 5 原理圖的繪制和 PCB 板的完成 Protel 99 se 介紹及電 路板的繪制 隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展和電子元器件的不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)代電子電路已經(jīng)變得越來越復(fù)雜。同時(shí)，微型計(jì)算機(jī)技術(shù)也迅速發(fā)展起來，為我們提供了一個(gè)進(jìn)行電路輔助設(shè)計(jì)的完美平臺(tái)。 本設(shè)計(jì)是用的 Protel99 軟件是一個(gè)功能強(qiáng)大的電路 CAD 軟件。 Protel99 被設(shè)計(jì)成為一個(gè)客戶 /服務(wù)器、電路仿真服務(wù)器、 PCB 設(shè)計(jì)服務(wù)器程序，如原理圖設(shè)計(jì)服務(wù)器等等。設(shè)計(jì)者可以運(yùn)行各種服務(wù)器程序組件。而且， Protel99 有很強(qiáng)的兼容性， 不論是Protel99 本身的組件，還是來自第三方的設(shè)計(jì)組件，都可以很容易的嵌入到 Protel99中，以增強(qiáng)其功能。 Protel99 客戶程序還提供給設(shè)計(jì)者一些基本的使用資源，如菜單、快捷鍵、工具欄等。 Protel99 強(qiáng)大的功能可使設(shè)計(jì)者隨心所欲的設(shè)計(jì)各種電子電路，是一個(gè)非常實(shí)用、好用的 CAD軟件。 印制電路板是整個(gè)溫度測(cè)試系統(tǒng)中器件、信號(hào)線、電源線的高密度集合體，印刷電路板設(shè)計(jì)的好壞對(duì)抗干擾能力的影響很大，故印刷電路板設(shè)計(jì)決不單是器件、線路達(dá)到簡單布局安排，還必須符合抗干擾的設(shè)計(jì)原則。 本文的電路設(shè)計(jì)不是很復(fù)雜，我采用完全手工布局。手工布局的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的。我們可以完全按照電路工作的實(shí) 際要求，也有利于后面的布線操作，元件布局我們首先考慮 PCB 尺寸的大小。 PCB 尺寸過大，印制線條長，阻抗增加，抗干擾能力下降，成本也增加； PCB 尺寸過小，則散熱不好，且鄰近線條易受干擾。在確定 PCB 尺寸后，再確定特殊元件的位置。最后，根據(jù)電路的功能單元，對(duì)電路的全部元器件進(jìn)行布局。 在確定特殊元件的位置時(shí)我們遵守以下原則 [16]： (1)盡可能縮短高頻元器件之間的連線，設(shè)法減少它們的分布參數(shù)和相互間的電磁干擾。易受干擾的元器件不能相互靠的太近，輸入和輸出元件盡量遠(yuǎn)離。 (2)一些元器件或?qū)Ь€之間可能有較高的電 位差，應(yīng)加大他們之間的距離，以免放電引起短路。 在布局中我們注意以下幾個(gè)方面： (1) 電源和地線的布線盡量粗，模擬地與數(shù)字地要分開，電源旁路電容要放在各電路的近處。 (2) 信號(hào)處理部分的接地和電源，要在電源輸入部分的同一點(diǎn)連接。 (3) 各輸入布線之間和輸出布線之間不要扭在一起。 (4) 兩條并排走的信號(hào)線，要在其間加一條地線作為隔離。 西安工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 31 根據(jù)電路功能單元，對(duì)電路的全部器件進(jìn)行布局時(shí)，我們遵循以下原則： (1) 按電路的流程安排各個(gè)功能電路單元的位置，使布局便于信號(hào)流通，并使信號(hào)盡可能保持一致的方向。 (2) 以每個(gè)功能電路的核心元件為中心，圍繞它來進(jìn)行布局。元器件應(yīng)均勻、整齊、緊湊地排列在 PCB 板上。盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接。布局的過程中，應(yīng)盡量將相關(guān)聯(lián)的元件就近放置，以減短走線的長度。時(shí)鐘電路、晶振、電容應(yīng)緊貼相接的芯片，這樣有利于抗干擾，提高電路工作的可靠性。 (3) 位于電路板邊緣的元器件，與電路板邊緣一般不小于 2mm。電路板的最佳形狀為矩形。 布線的工作在整個(gè)制板過程中是最為重要和繁瑣的，它關(guān)系到整個(gè)設(shè)計(jì)的成敗與否。本設(shè)計(jì)采用的是全手工布線。首先對(duì)電源和地進(jìn)行手工布 線，調(diào)整好它們的位置，并且要求它的線的寬度為 30mil。緊接著對(duì)電路板其它部分進(jìn)行布線，這樣更能保證布線的質(zhì)量和以后調(diào)試的成功。在整個(gè)布線過程中，遵循以下原則： 1) 輸入、輸出端用的導(dǎo)線應(yīng)盡量避免相鄰并行。線間最好加地線，以免發(fā)生反饋偶合。 2) 印刷電路板導(dǎo)線的最小寬度主要由導(dǎo)線與絕緣基板間的黏附強(qiáng)度和流過它們的電路值決定。對(duì)于集成電路，尤其是數(shù)字電路，通常選 ～ 的導(dǎo)線寬度。當(dāng)然，只要允許，還是盡可能用寬線。尤其是電源線和地線。電源線和地線應(yīng)接成樹狀，盡量加粗，使它能通過三倍于印刷板 上允許電流。如有可能，接地線應(yīng)在 2mm～ 3mm 以上。導(dǎo)線的最小間距主要由最壞情況下的地線絕緣電阻和擊穿電壓決定。對(duì)于集成電路，其間距最小為 。 3) 印刷導(dǎo)線拐彎處 盡量 取圓弧形，而直角或夾角在高頻電路中會(huì)影響電氣性能 ,特別是直角。此外，盡量避免使用大面積銅箔，否則，長時(shí)間受熱時(shí)，易發(fā)生銅箔膨脹和脫落現(xiàn)象。必須用大面積銅箔時(shí)，最好用柵格狀。這樣有利于排除銅箔與基板黏合劑受熱產(chǎn)生的揮發(fā)性氣體。 4) 數(shù)字地與模擬地分開 。若線板上既有邏輯電路又有線性電路，應(yīng)使它們盡量分開。低頻電路的地盡量采用單點(diǎn)并聯(lián)接 地，實(shí)際布線有困難時(shí)，可部分串聯(lián)后再并聯(lián)接地。高頻電路 應(yīng) 采用多點(diǎn)串聯(lián)接地，地線應(yīng)短而且粗。 PCB 設(shè)計(jì)的常規(guī)做法之一是在印制電路板的各個(gè)關(guān)鍵部位配置適當(dāng)?shù)目柜詈想娙??？柜詈想娙莸囊话闩渲迷瓌t是： 1) 電源輸入端跨接 1uf～ 10uf 的電解電容。如果有可能，接 100uf 以上更好。 2) 原則上每個(gè)集成電路芯片都布置一個(gè) 的瓷片電容，如果印制板空隙不夠，可每 4～ 8個(gè)芯片布置一個(gè) 1uf～ 10uf 的瓷片電容。 西安工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 32 3) 對(duì)于抗噪能力弱、關(guān)斷時(shí)電源變化大的器件，如 RAM、 ROM 存儲(chǔ)器 ，應(yīng)在 芯片的電源線和地線之間直接接入退耦合電容。 4) 電容引線不能太長，尤其是高頻旁路電容不能有引線。6 軟硬件聯(lián)合調(diào)試 33 6 硬件聯(lián)合調(diào)試 調(diào)試工作是對(duì)前期工作的的一個(gè)整體評(píng)估，實(shí)質(zhì)性的檢查。同時(shí)，調(diào)試工作的順利進(jìn)行與否也可以一定程度的反映出前期設(shè)計(jì)工作的質(zhì)量。系統(tǒng)調(diào)試的內(nèi)容很豐富，遇到的問題各種各樣，解決的方法也是不盡相同，并沒有統(tǒng)一的模式， 此次瓦斯檢測(cè)報(bào)警器的的調(diào)試按硬件組成分為發(fā)射板的調(diào)試和接收控制板的調(diào)試，按功能實(shí)現(xiàn)分為硬件基礎(chǔ)調(diào)試和結(jié)合軟件調(diào)試。 圖 瓦斯 監(jiān)測(cè)報(bào)警器調(diào)試結(jié)構(gòu)圖 本設(shè)計(jì)試驗(yàn)條件 (1)環(huán)境 要求 ： 溫度： 0～ 40℃ 相對(duì)濕度：≤ 98% 大氣壓力： 86～ 116kps 風(fēng)速： 0～ 8m/s (2)硬件要求 ： 各線路連接整齊，沒有短路及焊接錯(cuò)誤。 (3)軟件要求： 設(shè)計(jì)的各軟件正常工作無誤，并且寫入單片機(jī)，調(diào)試合格。 西安工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 34 硬件調(diào)試 電源電路模塊的檢測(cè)與調(diào)試 給電路板提供 +12V 的 穩(wěn)壓電源，觀察電源指示燈 —— 紅色的發(fā)光二極管是否發(fā)光，如果指示燈不亮，則用萬用表檢查電源電路是否導(dǎo)通，如果是導(dǎo)通的，則可能是指示燈的管腳接反，導(dǎo)致指示燈被 損壞，另外一個(gè)原因可能是在焊接的過程中存在虛焊。電源接通后，對(duì) 34063 芯片進(jìn)行測(cè)試。用萬用表測(cè)量 34063 是否約有 +12V 輸入電壓，輸出電壓是否為 +5V，實(shí)際上輸出的電壓在 — 之間波動(dòng) ,通過這樣可以檢查電源模塊是否正常工作。電源部分結(jié)構(gòu)簡單，主要由穩(wěn)壓芯片 34063 構(gòu)成，調(diào)試簡單，很快就能讓此模塊正常工作。 甲烷檢測(cè)儀 CPU 的調(diào)試 （ 1）橋式整流部分的調(diào)試。因?yàn)檫@一部分涉及到一些高電壓的操作，首先對(duì)電路基板進(jìn)行目視確認(rèn)沒有短路，斷路，假焊，虛焊的現(xiàn)象。調(diào)試之前進(jìn)行在 交流輸入端增加保險(xiǎn)絲，如果保險(xiǎn)絲熔斷應(yīng)進(jìn)行立即排查原因。在交流輸出以后經(jīng)理論計(jì)算可以得到電壓約為： 10*=12V。然后進(jìn)行穩(wěn)壓部分的調(diào)試基本和紅外發(fā)射板的調(diào)試內(nèi)容一致。 （ 2）單片機(jī)的外圍電路部分調(diào)試晶振是否正常起振，雖然很少出現(xiàn)晶振不起振的情況，但以防萬一，用示波器對(duì)晶振進(jìn)行了測(cè)量 ， 約為 2V 左右。然后進(jìn)行復(fù)位電路的檢查，給單片機(jī)提供上電復(fù)位、按鍵復(fù)位。按鍵按下是應(yīng)出現(xiàn)高電平，這時(shí)候單片機(jī)復(fù)位，理論上 52 系列單片機(jī)有二個(gè)機(jī)器周期單片機(jī)就可以正常復(fù)位成功。 A/D 轉(zhuǎn)換 、顯示 電路 的調(diào)試 打開多路開關(guān)， 然后給 A/D 轉(zhuǎn)換器一個(gè)電壓信號(hào) 0，觀察 LED 顯示器上的現(xiàn)實(shí)濃度，如果為 0，即為正確。 聲光報(bào)警電路的檢測(cè)與調(diào)試 通過電平給發(fā)光二極管一個(gè)高電平，觀察二極管是否發(fā)光，再送一個(gè)低電平觀察是否熄滅，按照這樣的方式測(cè)試，最后得到結(jié)果如預(yù)期所示： 高電平亮，低電平 滅。 如同測(cè)試發(fā)光二 極管一樣，測(cè)試蜂鳴器的方法相同，最后同樣得出預(yù)期的結(jié)果：高電平響，低電平 不響。 完?。?！7 結(jié)論 35 致謝 36 參考文獻(xiàn) 37