【正文】 本探測電路中采用 TGS 813 型旁熱式 Sn02 氣敏元件，它對 CO 有很高的靈敏度，有較好的選擇性，且溫度、濕度穩(wěn)定性好 。 煙臺大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 30 圖 敏感元件阻值 R與空氣中被測氣體的濃度 C 成對數(shù)關(guān)系變化： 式中 m、 n為常數(shù)， m表示隨氣體濃度而變化的傳感器靈敏度，對于可燃性氣體來說，m 值多數(shù)介于 1/2 至 l/3 之間， n 與氣體靈敏度有關(guān)，除了隨傳感器材料和氣體種類不同而變化外，還會由于測量溫度、濕度和激 活劑的不同而發(fā)生大幅度的變化，因此在使用時需要進(jìn)行補(bǔ)償 。器件熱容量大，降低了環(huán)境溫度對器件加熱溫度的影響，所以這類結(jié)構(gòu)器件的穩(wěn)定性、可靠性比直熱式的好。它的缺點(diǎn)是熱容量小，易受環(huán)境氣流影響，測量回路和加熱回路間沒有隔離而相互影響。旁熱式是將加熱絲和敏感元件同置于一個陶瓷管內(nèi)，管外表面梳狀金電極作測量極，在金電極外再涂上SnO:等敏感材料，其結(jié)構(gòu)如圖 所示。 加熱方式一般有直熱式和旁熱式兩種，因而形成了直熱式和旁熱式氣敏 元件。 加熱器的作用是將附著在敏感元件表面上的塵埃、油霧等燒掉，加速氣體的吸附，提高其靈敏度和響應(yīng)速度。 薄膜器件是采用蒸發(fā)或?yàn)R射工藝，在石英基片上形成氧化物半導(dǎo)體薄膜。氣敏元件從制造工藝來分有燒結(jié)型、薄膜型和厚 膜型三類。其中以 Sn02 為氣敏材料的表面控制型多孔質(zhì)燒結(jié)體氣體傳感器是目前工藝較成熟、應(yīng)用較廣泛的氣體傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖 ，由 Sn02 燒結(jié)體、加熱器、電極引線、塑料底座及不銹鋼絲網(wǎng)罩等組成，燒結(jié)時將加熱器、測量電極間 Sn02 燒結(jié)在一起制成氣敏元件，最后將加熱器熱絲和測量電極焊接在塑料底座的引出線上，并罩上兩層不銹鋼絲網(wǎng)。根據(jù)這一特性，可以從阻值的變化得知吸附氣體的種類和濃度，響應(yīng)時間一般不超過 l min。由于空氣中的含氧量大體上是恒定的，因此氧化的吸附量也是恒定的，器件阻值也相對固定。 N 型材料有 Sn0 Fe20 Ti02 等， P 型材料主要有 M00 Cu20 等。 當(dāng)氧化型氣體吸附到 N 型半導(dǎo)體，或還原型氣體吸附到 P 型半導(dǎo)體時，將使半導(dǎo)體載流子減少，電阻值增大。該反應(yīng)是可逆的，因而可重復(fù)使用。半導(dǎo)體氣體傳感器由于具有靈敏度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，其產(chǎn)品發(fā)展非常迅速，目前已成為世 界上產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣的傳感器之一。 按其構(gòu)成材料可分為半導(dǎo)體和非半導(dǎo)體兩大類。上電后， 555 振蕩輸出信號經(jīng)過 8050 放大并反相，使紅外發(fā)射管 OP231 上獲得調(diào)制后的方波電壓信號，電路設(shè)計(jì)中，振蕩電路輸出的方波信號為 7ms的高電平和 139ms 的低電平輸出，頻率約為 7Hz，設(shè)計(jì)時以發(fā)射管高電平供電時間滿足單片機(jī)采樣時間為準(zhǔn)，同時滿足低功耗要求，具體參數(shù)如下： 接收電路部分中的光電三極管接收到煙霧粒子散射的光信號后，以變化電流的形式送給三極管 9014，放大后的射極電流變換成電壓信號作為輸出，其中輸出端可變電阻用于調(diào)煙臺大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 27 節(jié)輸出為合適的電壓信號以備計(jì)算機(jī)采樣用。 紅外發(fā)射電路中的 555 電路用于產(chǎn)生頻率可調(diào)的脈沖波形，使用 555 電路的一個主要優(yōu)點(diǎn)是輸出脈沖的占空比可調(diào)，便于設(shè)計(jì)不同要求的驅(qū)動輸出。 圖 OPTEK組合特性測試 在選擇發(fā)射管與接收管的夾角的測量時，根據(jù)圖 電路，每變化 10℃ 時測量輸出電壓及電流值，通過檢測輸出電壓的變化來判斷在什么角度下光電三極管對煙霧的響應(yīng) 最感，在多次反復(fù)的實(shí)驗(yàn)中我們測得了圖 ，表中四條曲線分別代表了無煙、低濃度、中濃度和高濃度時的情況，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在 120℃ 時無煙與各級煙度的間 距最明顯，煙臺大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 26 說明此角度下從無煙到開始出現(xiàn)煙霧散射輸出變化最大，由此可以判斷出在 120℃距最明顯，說 明此角度下從無煙到開始出現(xiàn)煙霧散射輸出變化最大，由此 可以判斷出在發(fā)射管工作電壓 ，接收管工作電壓 5V。既有光敏二極管的感光性能又具有三極管的放大功能，狹窄的接收角度提供了與發(fā)射管在軸線方向的禍合。 OP231 系列前端封裝有透 鏡， 從而使發(fā)射的光束更集中，可以提供極窄的發(fā)射光角度。在外面罩上慮網(wǎng)，慮網(wǎng)的作用是慮除掉火災(zāi)發(fā)生時產(chǎn)生的大量灰塵，因?yàn)閺纳厦婵芍怆姼袩熓菂^(qū)分不出煙霧離子和灰塵離子的，所以加入慮網(wǎng)可以盡量慮除灰塵而使煙霧進(jìn)入。 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與散射角確定 光電感煙傳感器的必須安裝集煙盒，集煙盒的作用是既可以使煙霧可以自由進(jìn)出，又可以減少自然光對光電器件的影響，圖 。 (4)械性能主要考慮探測器的防震、耐沖擊、防碰撞問題，還要考慮探測器抗 腐蝕性能。 (2)穩(wěn)定性可靠性為減少外界光、電、磁、溫、濕等環(huán)境條件對探測器性能穩(wěn)定性的影響，采用脈沖調(diào)制和溫度補(bǔ)償技術(shù)以及靜電屏蔽、恒流穩(wěn)壓技術(shù)等來提高電路的抗干擾能力，同時要嚴(yán)格控制光電器件和關(guān)鍵元件的質(zhì)量。探測器設(shè)計(jì)必須考慮以下幾個技術(shù)關(guān)鍵問題了： (1)探測器的靈敏度為保證靈敏度，要求最佳設(shè)計(jì)光路，正確選擇發(fā)散角、合理選擇光電器件和優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，使其有最好的光電線性和最大的動態(tài)范圍。當(dāng)改變軸向夾角中 時， θ 相應(yīng)變化，接收管接收到的散射光強(qiáng)也會隨之改變，所以，調(diào)整一個合適的軸向夾角 φ ，可以使得光電感煙傳感器對煙霧粒子的探測靈敏度為最佳。我們假設(shè)，光電感煙探測器中，發(fā)射管發(fā)出單束平行光，被散射煙霧粒子為各向同性的球形顆粒，觀察點(diǎn) P 位于接收管前端透鏡位置。 可見，散射場中任意一點(diǎn)的散射光強(qiáng)與粒徑參數(shù) a，復(fù)折射率 m 及散射角θ等都是有關(guān)的。S1， S2 稱為散射光的振幅函數(shù)，可以表示為下列無窮級數(shù) : 式中， an， bn 稱為 Mie 散射系數(shù)，其表達(dá)式為 : π n, τ n含有勒讓德函數(shù)，只與散射角有關(guān)，即 : Pn(z)為 n階勒讓德多項(xiàng)式 。 為照射到粒子上的入射光光強(qiáng) :r 為粒子與 P 點(diǎn)的間距 。根據(jù) Mie 散射理論，設(shè)粒子半徑為R，相對折射率為 m=njη ，即粒子相對于周圍介質(zhì)的折射率，其中 n為折射率， η 為吸收率。 物質(zhì)燃燒時在陰燃階段會產(chǎn)生大量的煙霧顆粒和有害氣體，煙霧顆粒的直徑一般在 m。國內(nèi)各廠家都在爭相開發(fā)研究。隨著電子技術(shù)特別是光電子 技術(shù)的飛速發(fā)展，光電感煙探測器已經(jīng)具有了精度高、 壽命長、抗風(fēng)、 抗潮和抗各種電磁干擾的優(yōu)點(diǎn)，而且由于成本低，生產(chǎn)、安裝簡單。 DS18B20 實(shí)物圖如下 圖 圖 光電感煙探測器設(shè)計(jì) 光電感煙探測器是通過探測火災(zāi)初期由于燃燒物陰燃時產(chǎn)生的煙霧來報(bào)警的，所以在大多數(shù)場合起到了預(yù)警的作用。 供電范圍在 ，不需要外圍電路支持，該器件可以外接電源供電也可用寄生電源模式 (信號線供電 )。等待 DS18B20 的返回信號，一旦某個 DS18B20 接觸不好或斷線，當(dāng)程序讀該 DS18B20時，將沒有返回信號，程序進(jìn)入死循環(huán)。 測溫電纜線建議采用屏蔽 4芯雙絞線，其中一對線接地線與信號線，另一組接 VDD 和地線，屏蔽層在源端單點(diǎn)接地。這種情況主要是由總線分布電容使信號波形產(chǎn)生畸變造成的。試驗(yàn)中，當(dāng)采用普通信號電纜傳輸長度超過 50m 時，讀取的測溫?cái)?shù)據(jù)將發(fā)生錯誤。當(dāng)單總線上所掛 DS18B20 超過 8個時，就需要解決微處理器的總線驅(qū)動問題，這一點(diǎn)在進(jìn)行多點(diǎn)測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時要加以注意。在使用 PL/M, C 等高級語言進(jìn) 行系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)時，對 DS18B20 操作部分最好采用匯編語言實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。 所有時序都是將主機(jī)作為主設(shè)備，單總線器件作為從設(shè)備。 DS18B20 的寫時序仍然分為寫 0 時序和寫 1時序兩個過程，但對寫 0時序和寫 1 時序的要求不同，當(dāng)要寫 0 時序時，單總線要被拉低至少 60us，保證 DS18B20 能夠在 15us 到 45us 之間能夠正確地采樣 I/O 總線上的“ 0”，電平，當(dāng)要寫 1時序時，單總線被拉低之后，在 15us 之內(nèi)就得釋放單總線。 DS18B20 的讀時序是從主機(jī)把單總線拉低之后，在 15us 之內(nèi)就得釋放單總線，以讓 DS18B20 把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾慰偩€上。 圖 DS18B20的復(fù)位時序圖 DS18B20 的讀時序圖如圖 所示。 操作協(xié)議為：初始化 DS18B20(發(fā)復(fù)位脈沖 )→發(fā) ROM 功能命令→發(fā)存儲器操作命令→處理數(shù)據(jù)。例如主機(jī)控制 DS18B20 完成溫度轉(zhuǎn)換 這一過程，根據(jù) DS18B20 的通訊協(xié)議，必須經(jīng)歷三個步驟：每一次讀寫之前都要對DS18B20 進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位成功后發(fā)送一條 ROM 指令，最后發(fā)送 RAM 指令，這樣才能對 DS18B20煙臺大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 20 進(jìn)行預(yù)定的操作 表 DS 18B20 控制命令 指令 約定代碼 操作說明 溫度轉(zhuǎn)換 44H 啟動在線的 DS18B20 進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換 讀暫存器 BEH 讀取溫度寄存器的溫度值 寫暫存器 4EH 將兩個字節(jié)的數(shù)據(jù)寫入溫度寄存器的 TH、 TL 字節(jié) 復(fù)制暫存器 48H 將溫度寄存器 的數(shù)值拷貝到中 E2RAM，保證溫度值不丟失 重新調(diào)整 E2RAM B8H 將 E2RAM 中的數(shù)值拷貝到溫度寄存器中 讀電源供電方式 B4H 啟動 DS18B20發(fā)送電源供電方式的信號給主 CPU(“ 0”為寄生電源：“ 1”為外部電源 ) 跳過 ROM 0CCH 將跳過 ROM 的匹配 DS18B20 的時序 由于 DS18B20 采用的是 1 Wire 總線協(xié)議方式，即在一根數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，單線通信功能是分時完成的，有嚴(yán)格的時序概念，因此讀寫時序很重要。 DS18B20 控制命令，如表 所示 CPU 對 DS 18B20 的訪問流程是：先對 DS18B20 初始化，再進(jìn)行 ROM 操作命令，最后才能對存儲器操作和對數(shù)據(jù)操作。一種是將 DS18B20 的 UDD 接外部電源， GND 接地，其 I/0與單片機(jī)的工 //0 線相連；另一種是用寄生電源供電，此時 DS18B20的 UDD, GND 接地，其 I/O接單片機(jī) I/O。主機(jī)根據(jù) ROM 的前 56 位來計(jì)算 CRC 值，并和存入 DS18B20 中的 CRC 值做比較，以判斷主機(jī)收到的 ROM 數(shù)據(jù)是否正確。因此，可用多只 DS18B20 同時測量溫度并進(jìn)行告警搜索。 表 。溫度值格式如下： 煙臺大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 19 低 8位 23 22 21 20 21 22 23 24 MSB LSB 高 8 位 S S S S S 26 25 24 MSB L SB 以 12 位轉(zhuǎn)化為例說明溫度高低字節(jié)存放形式及計(jì)算： 12 位轉(zhuǎn)化后得到的 12 位數(shù)據(jù)，存儲在 DS18B20 的兩個高低 8位的 RAM 中，二進(jìn)制中的前面 5 位是符號位。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以 16 位帶符號擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲在高速暫存存儲器的第 1, 2 字節(jié)。 溫度低位 溫度高位 TH TL 配置 保留 保留 保留 8 位CRC 表 R1 和 R0 模式表 R1 R0 分辨率 溫度最大轉(zhuǎn)換時間 0 0 9 位 93. 75 0 1 10 位 1 0 11 位 1 1 12 位 其中第 1, 2 字節(jié)是溫度信息，第 3, 4 字節(jié)是 TH 和 TL值，第 6~8 字節(jié)未用，表現(xiàn)為全邏輯 1；第 9字節(jié)讀出的是前面所有 8個字節(jié)的 CRC 碼，可用來保證通信正確。 由表 ，設(shè)定的分辨率越高，所需要的溫度 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間就越長。該字節(jié)各位的定義如下 ： TM R1 R0 1 1 1 1 1 低 5 位一直都是 1, TM 是測試模式位，用于設(shè)置 DS18B20 在工作模式還是在測試模式。數(shù)據(jù)先寫入 RAM，經(jīng)校驗(yàn)后再傳給 EZRAM。 (3)高速暫存存儲器 DS18B20 溫度傳感器的內(nèi)部存儲器包括一個高速暫存 RAM 和一個非易失性的可電擦除的 RAM。 (1)64 位閃速 ROM的結(jié)構(gòu)如下： 8 位 CRC 編碼 48 位產(chǎn)品序列號 8位產(chǎn)品 序列號 MSB LSB MSB LSB MSB 高 8 位是 CRC 位校驗(yàn)碼，接著是每個器件的惟一的序號，共有 48位，低 8前 56位的這也是多個 DS18B20 可以采用一線進(jìn)行通信的原因。 圖 DS18B20引腳排列 煙臺大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 18 DS18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) DS18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。 在 DS18B20 中， DQ 為數(shù)字信號輸人／輸出端； GND為電源地； VDD 為外接供電電源輸入端。也可使用外部電源通過發(fā)跳過 ROM 命令和變換命令 T 來完成溫度變換。第二種是將其連到 VCC 外部電源，這樣就不用在 I／ O口接強(qiáng)上拉，也可在溫度變換期間使口線保持高電平。有兩種方法可確保DS18B20 在有效轉(zhuǎn)換期內(nèi)得到足夠的電源電流。圖 中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正減法計(jì)數(shù)器的預(yù)置值，只要計(jì)數(shù)門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過程，直至溫度寄存器值達(dá)到被測溫度值，這就是 DS 18B20 的測溫原理