煤氣報警器的設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 ,寬度為 16 個BIT位 ,即微處理器需要發送 16 個 CLK脈沖。31讀取鍵盤數據指令 ,寬度為16個BIT位 ,前8個BIT位為微處理器發送到 HD7279A的指令,后8個BIT位為 HD7279A返回的鍵盤代碼。執行該指令時 ,HD7279A 的 DATA端在第9個 CLK脈沖的上升沿變為輸出狀態 ,并以第6個脈沖的下降沿恢復為輸入狀態 ,等待接收下一個指令。電路接法和注意事項是比較關心的部分。HD7279A應連接共陰式數碼管，無需用到的鍵盤和數碼管可以不連接，省去數碼管或對數碼管消隱屬性均不會影響鍵盤的使用。如果不用到鍵盤，則連接到鍵盤的8只10K電阻和8只100k下來電阻均可以省去。如果使用了鍵盤，則要在電路中的100k下拉電阻均不可以省。實際中下拉電阻和位選電阻應該遵循一定的比例，下拉電阻應該大于位選電阻的5倍而小于50倍。下拉電阻為10K100k，位選電阻為1K10K。下拉電阻盡可能的小，可以提高鍵盤的抗干擾能力。因為采用循環掃描工作方式，采用亮度高的數碼管可以解決亮度不夠問題。 HD7279A 數據手冊 [OL]，比高公司出品HD7279A需要一個外接的RC震蕩電路，經典值是R=，C=15PF，并且盡量靠近芯片，使之電路連線最短。復位RESET可以直接與正電源連接，需要較高可靠性時可以接一個外部的復位電路，或是有MCYU控制。在上電后大約經過1225ms的時間才會進入正常工作狀態。上電后所有的顯示位為‘顯示’和‘不閃爍’。當有按鍵按下，KEY引腳輸出變低電平，此時接到讀鍵盤指令時，將輸出鍵盤代碼。因為芯片直接驅動LED顯示，電流較大，且為動態掃描，如果該部分電路的電源線較細較長，可能會有電源噪聲干擾，所以在HD7279A的正負電源端并上去耦電容，提高電路的抗干擾能力。圖314 HD7279A的總體連接本設計中總體連接如圖314采用經典的連接方法，電路安全可靠，抗干擾能力強。Key接單片機的中斷INT1，作為鍵盤中斷程序入口控制。接法如圖315。而與共陰極LED顯示器接法基本也是很經典接法一至，只是利用了0、7作為使用的鍵盤，加上電源去耦電容。如圖316。圖315 HD7279A與89S52的連接圖316 HD7279A的其他器件接法在許多需要用A/D轉換和數字采集的單片機系統中，多數情況下，傳感器輸出的模擬信號都很微弱，必須通過一個模擬放大器對其進行一定倍數的放大，才能滿足A/D轉換器對輸入信號電平的要求，在此情況下，就必須選擇一種符合要求的放大器。本設計中涉及到多個傳感器，而且每個傳感器的輸出信號不一，有些是輸出電壓信號，有些是輸出電流信號（工業用），所以本設計中采用不同的方法作為信號處理。工業模式所輸出的是420mA，可通過精密電阻250歐變成15v的電壓信號，再經過阻容濾波的電壓信號傳給A/D轉換芯片。這就需要兩個基準電壓，+5v和+1v。而本設計的NAP505是輸出050uA，則可通過精密電阻100k來解決。圖317 工業模式處理模塊電壓信號輸出時，需要采用放大器，才能夠正常給A/D芯片使用。本設計采用的是LM358放大器。儀表儀器放大器的選型很多，我們這里介紹一種用途非常廣泛的儀表放大器，就是典型的差動放大器。它只需高精度LM358和幾只電阻器，即可構成性能優越的儀表用放大器。廣泛應用于工業自動控制、儀器儀表、電氣測量等數字采集的系統中。本設計中差動放大電路結構圖如下：A1∞A2∞R8R8R7VoViVi1Vi2I圖318 差動放大器結構圖推導過程： I=Vo=(R8+R7+R8)I = (1+)Vi，則Avf=1+圖319 LM358引腳 LM358（圖319）內部包括有兩個獨立的、高增益、內部頻率補償的雙運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。當發生報警事件時，除了報警顯示外，還要有聲光報警功能。用聲音或是燈光報警時，連續的聲響或常亮的燈光往往不易被人們的警覺，只有斷續的聲音或山所的燈光才能取得最佳的報警效果。，產生短促的報警聲音或閃爍燈光。圖320 聲光報警電路利用74HC373N芯片進行下載模塊的設計，并有25PIN的串口進行與電腦通信。在靠近芯片和電源的地方，5V 和 GND 之間加焊幾片 （即系統電源部分電路原理圖的圖38中的C3） ，不然會有數據錯誤甚至不能下載的問題。ISP下載線的引線不要太長，不然抗干擾能力差，一般小于20厘米。如果想延長距離可以買一條公對母的并口延長線，在電腦的一端將并口擴展出來。在 ATMEL 官方是推出了 10PIN 接口的延長線標準的，這種接口線具有良好穩定性。我們考慮介紹成本，我則采用最節省的6PIN連接線，接線方法可以自由定義，只要有電源和 4條數據線就可以了。具體連接如下圖321。串口的1117引腳分別連接74HC373的OE、1Q、4D、LE，74HC373的0D、+5V，并且接100歐電阻接到串口的第2和第5引腳。（MOSI）和RST引腳，（MISO）（SCK）引腳。電源Vcc接+5V，GND接地。圖321 ISP下載模塊電路對于煤氣報警器的實現，感應器的選擇也相當的重要，是系統重要的組成部分之一，其性能對于系統的精確度和實現范圍有這相當大的影響，也是體現煤氣監控發展現狀的標志。何道清、張禾：傳感器與傳感器技術 [M],科學出版社 2008年。可燃氣體的危險性主要視其爆炸極限，爆炸下限數值越小、爆炸下限與上限之間的范圍越大，越危險。有許多可燃氣體同時具有毒性。表32 典型可燃氣體的主要特性氣體名稱化學式爆炸界限/Vol%容許濃度/ppm比重（空氣=1） 碳化氫及其派生物甲烷CH4丙烷C3H81000丁烷C4H8汽油氣500乙炔C2H2甲醇CH3OH200醇乙醇C2H5OH1000醚乙醚C2H5O無機氣體一氧化碳CO50氫H2其中CO的氣體毒性是對人體有非常大的傷害的，見下表33表33 CO對人體的有害程度空氣中一氧化碳的濃度吸入時間和中毒癥狀200ppm23小時前頭部輕度頭痛400ppm800ppm45 分鐘頭暈眼花2小時精神失1600ppm20分鐘頭暈、頭痛眼花2小時死亡3200ppm510分鐘頭暈、頭痛、眼花30分鐘死亡6400ppm12分鐘頭暈、頭痛、眼花1015分鐘死亡12800ppm13分鐘死亡在設計中考慮到的是家庭的情況，是特別對于一氧化碳會中毒，所以選用了MQ9比較適中而且價格比較便宜。而工業級別的傳感器選擇了NAP505型電化學一氧化碳氣體傳感器，精確度高而且穩定，適合工業上使用。（1）傳感器基本結構：氣體傳感器由工作電極、對電極、參比電極、電解質、液體保持材料、過濾干擾氣體物質、貴金屬引線、接線柱等組成，使用的典型電極材料包括鉑、金、銀、銠、碳、釕、鈀等，傳感器信號通過引線傳導到外部電路，通過放大等處理進行顯示，如圖322所示。為了提高對被測氣體的選擇性，通常在傳感器通氣孔位置設置過濾劑，以消除干擾氣體造成的不準確信號 NAP505的應用說明說，根本特殊化學株式會社 。圖322 電化學氣體傳感器典型構造（2）電化學氣體傳感器優點：1）對于氣體的濃度能夠線形輸出信號重現性好2）對被測氣體具有良好選擇性，不受溫濕度的影響3）空氣中的輸出值漂移小，可以獲得穩定的輸出信號4）功耗低，電池即可驅動器工作5）體積小，重量輕，作為便攜式儀器首選6）本質安全結構，機械性能穩定（3）電化學一氧化碳氣體傳感器基本特點：本質特征：NAP505型電化學一氧化碳氣體傳感器屬工業級別產品，通過成熟的電極制備處理技術及傳感器結構設計，使其具有長壽命、高靈敏度、液體密閉性良好等技術特點。傳感器與外部電路連接部位通過接插元件完成，利于傳感器與電子線路的兼容與互換。產品組裝工藝簡化，有利的降低了產品成本。用途：工廠一氧化碳濃度檢測儀器；氣體計量器具；空氣質量監測器；氣體變送器；便攜式儀器配套元件等等。NAP505的工作及保存條件： 工作溫度 20—50℃工作濕度 15—90%RH保存環境溫度 0—20℃工作氣壓 1atm 177。 10% 保存期限6個月以內密閉容器檢知對象氣體 一氧化碳測定范圍 0—1000ppm輸出電流 40177。10nAppm重復性誤差 177。2%響應時間(t90) 30秒基準線位移(20—50℃) 100ppm圖323 靈敏度特性曲線 圖324 應答特性MQ9傳感器因裝有活性炭過濾器，消除了雜質氣體的影響，對有機溶劑或其他揮發性氣體的靈敏度低，而對氫氣和一氧化碳的靈敏度高，非常適合用于檢測人工煤制氣。在這里我們主要他對對氫氣的檢測功能能。下圖是典型的靈敏度特性，全部是在標準試驗條件下得出的結果。圖325 靈敏度圖縱坐標以傳感器電阻比（Rs/Ro）表示，Rs，Ro的定義如下： Rs ＝不同濃度氣體中的電阻值 ,Ro ＝1000ppm一氧化碳中的電阻值 基本測試回路： 此傳感器需要施加 2 個電壓：加熱器電壓（VH）和回路電壓（VC）。這個VH用于維持敏感素子處于與對象氣體相適應的特定溫度而施加在集成的加熱器上。VC則是用于測定與傳感器串聯的負載電阻（RL）上的兩端電壓（VRL）。這種傳感器具有極性，所以VC需用直流電源。只要能滿足傳感器的電性要求，VC和VH可以共用同一個電源電 路。為了將判定值水平最佳化，并使敏感素子的功耗（PS）低于15mW的限度值，需要選擇RL的值。 MQ9的管腳連接如圖326所示，1或3接傳感器，4或6接傳感器，2 和5接加熱器 圖326 基本連接MQ9傳感器的工作原理是它的表面電阻 Rs ，是通過與其串聯的負載電阻 RL 上的有效電壓信VRL 輸出而獲得的。二者之間的關系為：Rs/R L = (VcV RL ) / V RL圖327為利用圖326回路測得在傳感器由潔凈空氣轉移至一氧化碳或甲烷氣氛中時， R L 上 的信號輸出變化情況，輸出信號的測定是在一個完整的加熱周期（由高電壓至低電壓 分 鐘 ）或在兩個完整的加熱周期內測得。圖327MQ 9 型氣敏元件的敏感層是用非常穩定的二氧化錫制成的。因此，它具有優秀的長 期穩定性，在正常使用條件下，其使用壽命可達 5 年。靈敏度調整：MQ 9 型氣敏器件對不同種類，不同濃度的氣體有不同的電阻值。 因此，在使用此類型氣敏器件時，靈敏度的調整是很重要的。 我們建議您用 200ppmCO 或 1000ppmLPG 、5000ppm 甲烷校正傳感器。當精確測量時，報警點的設定應考慮溫濕度的影響。靈敏度的調整程序：a. 將傳感器連接在應用回路中b. 接通電源，通電老化48小時以上。c. 調節負載電阻直到90秒末時獲得對應于某一個一氧化碳濃度時所需要的信號值。d. 調節另外一個負載電阻直到 60 秒末獲得對應于某個甲烷或 LPG 濃度時所需要的信號值。在接到畢業設計題目為煤氣報警器設計。經過考慮和查找個方面的資料最終確定了煤氣報警器的具體方案。方案是利用89s52單片機作為主控芯片，TLC2543作為A/D轉化器，X5045作為硬件看門狗，并且作為儲存報警上限，DS12887作為實時時鐘模塊計時并儲存報警記錄，兩個不同輸出的傳感器和信號處理模塊。確定好模塊就進行硬件設計和原器件的采購，并且在田剛老師的實驗室進行焊接和調試。版圖設計中考慮到美觀和穩定，盡量使用走錫的方式進行設計。并且在設計中加入了不少的去耦電容提高電源的穩定性、阻容濾波、多個擴展的接口和特別添加的基準電壓。4 軟件設計關于單片機MCS51的編程目前比較多用的是匯編和C語言。C語言是Combined Language（組合語言）的中英混合簡稱。是一種計算機程序設計語言。它既具有高級語言的特點，又具有匯編語言的特點。它可以作為工作系統設計語言，編寫系統應用程序，也可以作為應用程序設計語言，編寫不依賴計算機硬件的應用程序，其靈活性特備的強。然而對于目前普遍使用的R