煤气泄漏监测系统设计——课程设计报告(编辑修改稿)

煤气泄漏监测系统设计——课程设计报告(编辑修改稿)内容摘要：

MQ5 型气敏元件对不同种类，不同浓度的气体有不同的电阻值。 因此，在使用此类型气敏元件时，灵敏度的调整是很重要的。 我们建议您用 1000ppm 异丁烷或氢气校准传感器。 当精确测量时，报警点的设定应考虑温湿度的影响。 4 4213CO 传感器4213基本测量电路VhV C C RLV s s 图 22气体传感器管脚与基本测量电路图 如图 22里，其中 4 端为加热器的电源接线端 , 3 为传感器输出端 ,气体传感器工作原理是把传感器置于 CO气体环中 ,SnO2 薄膜层的电阻会随着 CO 浓度的变化而变化 ,CO 浓度越大 ,SnO2 薄膜层阻值越小。 图 22 为取得气体传感器输出信号的基本电路图 ,Vh 为加热电压 ,传感器电阻 RS与负载电阻 RL 串联接到工作电压 VCC两端 , 由此可得关系 :VRL=RL VCC/（ RL+RS） 传感器阻值 RS 随着 CO浓度的增大而减小时 ,输出负载电压 VRL 逐渐变大 ,所以通过测量负载电压即可反应出被测对象的 CO浓度。 一氧化碳达到一定浓度以后，会引起中毒的可能症状 50ppm 健康成年人在八小时内可以承受的最大浓度 200ppm 23小时后，轻微头痛、乏力 400ppm 12小时内前额痛； 3小时后威胁生命 800ppm 45 分钟内，眼花、恶心、痉挛； 2 小时内失去知觉； 1000ppm 1 小时内死亡 1200ppm 45 分钟可能导致死亡 我们从上面的数据可以看出来，随着一氧化碳的浓度的升高， CO 对我们的身体的健康就会造成更大的伤害，所以，我将 CO浓度与报警控制处理方式，进行了划定，为编程参 考作为依据。 表 21 CO浓度与控制处理 CO 浓度（ ppm） 控制处理方式 说明 ＜ 400 正常情况处理 指示灯亮绿色 ≥ 400 一般报警 小喇叭报警 ≥ 800 严重报警 指示灯亮红色且小喇叭报警 一氧化碳的浓度在 400ppm 范围以内，我们就按照正常情况处理，即不需要报警处理； 当一氧化碳的浓度大于等于 400ppm 以后，我们就按照一般报警情况处理，目的是为了开始进行报警提示，以便于提醒人们的注意；当一氧化碳的浓度达到 800ppm 值以后，我们就必须的进行严重的报警处理。 5 CO气体传感器属于气敏传感 器，通过放大处理后，再经过 A/D 转换电路将模拟量转换成数字量后送到单片机，经过单片机完成数据处理及报警控制，最后送给数码管显示。 气体传感器作为煤气泄露测试装置报警器的信号采集部分。 由此可见，气体传感器是本系统检测的起点也是系统的核心和重点，选择合适的传感器成为决定系统成功的关键。 放大电路的设计 由于气体传感器采集的电信号一般很小，而且存在共模成分，需要经过放大电路放大，之后方可进行 A/D转换。 气体传感器输出的信号幅度很小，存在着不同程度的电磁干扰，因此在本设计中，放大电路采用 LM324 放大器进 行放大，对来自传感器的信号经行精密放大，同时抑制共模成分提高信号质量。 LM324 系列器件为四运算放大器 ， LM324 的引脚排列见图 23 所示。 与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。 该四放大器可以工作在低到 32 伏的电源下。 共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。 每一组运算 放大器 ， 可用图 23所示的符号来表示，它有 5个引出脚，其中 “+” 、 “ ” 为两个信号输入端， “V+” 、 “V ” 为正、负电源端， “Vo” 为输出端。 两个信号输入端中， Vi（ ）为反相输入端，表示运放输出端 Vo的信号与该输入端的位相反； Vi+（ +）为同相输入端，表示运放输出端 Vo的信号与该输入端的相位相同。 图 23LM324的引脚 放大电路设计中，我们采用一个增益可调的同向放大电路，计算公式为AV=1+Rf/R2，其中 Rf=200k(可调的 )， R2取 10K,AV 最大可达 21，从而给调试带来了极大方便。 它可以构成仪表的放大器，具有线性度优良、温度稳定性高和体积小、可靠性高 等优点。 6 图 24 气体传感器的放大电路设计 由 LM324 构成的气体传感器的放大电路如图 24所示。 在图中接口 J3 为气体传感器的电源接口，气体传感器与电阻 RV构成串联型分压式电路，直流电压 +5V经过稳压处理以后，电压比较稳定，给 MQ5提供供电电压和加热电压； LM324 构成增益可调的放大电路，放大电路的输出端 1管脚接入 ADC0808 的 IN0引脚。 A/D 转换电路设计 ADC0808 芯片有 28 条引脚，如图 25 ADC0808 管脚图所示，采用双列直插式封装，下面说明各引脚功能。 IN0～ IN7： 8路模拟量输入端。 D0～ D7： 8 位数字量输出端。 ADDA、 ADDB、 ADDC： 3位地址输入线，用于选通 8路模拟输入中的一路。 ALE：地址锁存选通信号，输入高电平有效。 START： A／ D 转换启动信号，输入高电平有效。 EOC： A／ D转换结束信号，当 A／ D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。 OE：数据输出允许信号，输入高电平有效。 当 A／ D 转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 CLK：时钟脉冲输入端。 要求时钟频率不高于 640KHZ。 REF（ +）、 REF（ ）：基准电压输入端 ,它们决定了输入模拟电压的最大值最小值 . VCC：电源，接＋ 5V。 GND：接地。 7 图 25 ADC0808管脚图 ADC0808 芯片主要特性 : 1. 8 路 8 位 A／ D转换器，即分辨率 8 位 ,N=8 2. 具有转换起停控制端 3. 转换时间为 100μ s 4. 单个＋ 5V电源供电 5. 模拟输入电压范围 0～＋ 5V，不需零点和满刻度校准 6. 工作温度范围为 40～＋ 85 摄氏度 7. 低功耗，约 15mW ADC0808 芯片的几个重要技术指标： 转换速度 转换速度是指完成一次 A/D转换所需时间的倒数，是一个很重要的指标。 A/D转换器型号不同，转换速度差别很大。 通常， 8 位逐次比较式 ADC 的转换时间为100us 左右。 由于本系统的控制时间允许，可选 8位逐次比较式 A/D 转换器ADC0808。 ADC 位数的选择 A/D 转换器的位数决定着信号采集的精度和分辨率。 对于该 8个通道的输入信号， 8位 A/D 转换器， 精度： 281=2561 =%. 分辨率 ： 28Vref=2565 = 20mv(输入为 0～ 5V 时 ) 量化误差： Q= 28Vref21  10mv 说明： Vref— A/D 转换器的参考电压，即为基准电压，选取 Vref=5V； 8 N — ADC 的二进制位数， N=8； ADC0808 是 CMOS 单片型逐次逼近式 A／ D转换器，它由 8 路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、 8 位开关树型 A／ D 转换器、逐次逼近寄存器、三态输出锁存器等其它一些电路组成， ADC0808 内部结构如图 26 所示。 图 26 ADC0808内部结构图 ADC0808 具有 8 个通道的模拟输入线 (IN0～ IN7)，且有三态输出能力，既可与各种微处理器相连，也可单独工作。 输入输出与 TTL 兼容。 可在程序控制下对任意通道进行 A/D转换，获得 8位二进制数字量 (D7～ D0)。 模拟输入部分有 8路多路开关，可由 3位地址输入 ADDA、 ADDB、 ADDC 的不同组合来选择， ALE 为地址锁存信号，高电平有效，锁存这三条地址输入信号。 具体的通道选择如表 22所示： 表 22 模拟通道选择 本设计是使用通道 IN0，所以，将 ADC0808 的 C、 B 和 A 管脚都接地，即为选通模拟输入线 IN0。 ADC0808 的工作过程 9 图 27ADC0808 的工作时序图 如图 27所示，当模拟量送至某一输入通道 IN0 后， CPU 将标识该通道编码的三位地址信号经数据线或地址线输入到 ADDC、 ADDB、 ADDA 引脚上。 然后输入 3 位地址，并使 ALE=1，将地址存入地址锁存器中。 START 上升沿将逐次逼近寄存器复位。 下降沿启动 A／ D转换，之后 EOC 输出信号变低，指示转换正在进行。 直到 A／ D 转换完成，转换开始 ,EOC 变为高电平，指示 A／ D 转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。 转换结束 ,OE 输入高电 平， EOC 可作为中断请求信号 ,转换结束后，可通过执行 IN 指令，设法在输出允许 OE脚上形成一个正脉冲，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。 如图 28所示， A/。