可燃?xì)怏w數(shù)字顯示探頭設(shè)計(jì)

摘 要:設(shè)計(jì)一種可燃?xì)怏w數(shù)字顯示探頭，介紹了數(shù)字顯示探頭的工作原理及其軟、硬件的設(shè)計(jì)。顯示探頭的探測(cè)器由TGS842半導(dǎo)體金屬氧化物可燃?xì)怏w傳感器構(gòu)成，配以O(shè)P07放大器對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大，利用高精度的數(shù)字電位器根據(jù)不同環(huán)境對(duì)零點(diǎn)、量程做相應(yīng)的調(diào)整，并用TLC549實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換把數(shù)字信號(hào)傳送給AT89C51微控器，從而實(shí)現(xiàn)可燃?xì)怏w濃度的實(shí)時(shí)顯示和聲光報(bào)警。再由XTR105芯片把標(biāo)準(zhǔn)的4~20 mA電流信號(hào)傳送給中央控制系統(tǒng)，同時(shí)用軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、報(bào)警處理。

關(guān)鍵詞:檢測(cè)電橋; 霍爾元件; 電源模塊; 報(bào)警處理

中圖分類(lèi)號(hào):TN710-34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)17-0160-04

Design of Digital Display Probe for Combustible Gas

ZHANG Li-guo， TONG Shi-zhong， FU Gui-zeng， MA Shu-wen

(School of Control and Information Engineering， Liaoning Shihua University， Fushun 113001， China)

Abstract: A kind of combustible gas digital display probe is designed. The working principle and software hardware design of the digital display probe are introduced. The detector of the probe is composed of TGS842 semiconductor metallic oxide combustible gas sensor， coupled with OP07 amplifier to amplify the detected signal. The high-precision digital potentiometer is used to adjust the measuring range and zero. The TLC549 is employed to achieve A / D convertion and transmit the digital signal to the AT89C51 microcontroller to implement the real-time display and sound and light alarm of combustible gas concentration， and then transmit the standard 4~20 mA current signal to the central control system by the XTR105 chips. At the same time， the signal is filtered and alarm is processed with the software.

Keywords: detection bridge; Hall element; power supply module; alarm handling

收稿日期:2010-03-30

可燃?xì)怏w測(cè)量?jī)x器是一種廣泛用于石油化工、天然氣、礦井、冶金、油庫(kù)等眾多易燃易爆場(chǎng)所的檢測(cè)設(shè)備。該設(shè)備對(duì)可燃?xì)怏w測(cè)量主要是通過(guò)單點(diǎn)或多點(diǎn)測(cè)量，但隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步已逐漸發(fā)展成通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)儀表數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)測(cè)量的監(jiān)控系統(tǒng)。用這樣的一個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控、采集被測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的可燃或有毒氣體，可以及時(shí)地把被測(cè)氣體的濃度通過(guò)液晶顯示出來(lái)。當(dāng)氣體濃度達(dá)到報(bào)警值時(shí)，就會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，并記錄下報(bào)警時(shí)間，以便事后的檢查。而采集到的信號(hào)將被傳送給計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，通過(guò)關(guān)聯(lián)的聯(lián)動(dòng)模塊觸動(dòng)閥門(mén)以打開(kāi)排氣、排風(fēng)設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)可燃?xì)怏w的安全控制。因此設(shè)計(jì)一款能穩(wěn)定并實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)可燃?xì)怏w信號(hào)的數(shù)字顯示探頭就尤為重要。

1 系統(tǒng)工作原理

可燃?xì)怏w報(bào)警器由傳感器檢測(cè)電橋、直流放大器、A/D轉(zhuǎn)換單元、零點(diǎn)、量程調(diào)整單元、單片機(jī)以及報(bào)警顯示電路和輸出電路等部分組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。首先，傳感器送來(lái)的與可燃性氣體濃度相對(duì)應(yīng)的微小電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后，由 A/D轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后送入單片機(jī)。單片機(jī)再對(duì)該數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波處理，并對(duì)處理后的數(shù)據(jù)加以分析，以確認(rèn)是否大于或等于某個(gè)報(bào)警值。若大于報(bào)警值則啟動(dòng)報(bào)警電路發(fā)出聲光報(bào)警，反之則為正常狀態(tài)。然后該數(shù)字信號(hào)被送到顯示單元以顯示相應(yīng)的濃度值。

圖1 可燃?xì)怏w數(shù)字顯示探頭系統(tǒng)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 可燃?xì)怏w傳感器

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)對(duì)比，該設(shè)計(jì)采用半導(dǎo)體金屬氧化物可燃?xì)怏w傳感器TGS842[1]。這種具有高穩(wěn)定性的傳感器需要在一定的高溫下工作，以實(shí)現(xiàn)其氧化還原反應(yīng)，所以必須要有電壓來(lái)為其加熱，而加熱電壓是由+5 V的電源提供。該傳感器的測(cè)量方式為:由其構(gòu)成惠斯登檢測(cè)橋路，當(dāng)含有可燃性的混合氣體擴(kuò)散到檢測(cè)元件上時(shí)，在氣敏元件表面將會(huì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，使電阻阻值發(fā)生變化，打破電橋平衡，產(chǎn)生大小與可燃?xì)怏w濃度成正比的微小電壓差信號(hào)，從而達(dá)到檢測(cè)可燃?xì)怏w濃度的目的[2]。過(guò)程如圖2所示。

2.2 信號(hào)調(diào)理電路

傳感器輸出的信號(hào)是微弱信號(hào)，需經(jīng)過(guò)集成運(yùn)算放大器OP07[3]進(jìn)行線性放大處理，以滿足A/D轉(zhuǎn)換電路對(duì)電平信號(hào)的要求。但在信號(hào)輸入前，需加入一個(gè)具有100個(gè)電阻值，并能對(duì)漂移信號(hào)進(jìn)行精確調(diào)節(jié)的高精度數(shù)字電位器X9C103[4]對(duì)輸入漂移信號(hào)進(jìn)行調(diào)零，使其不進(jìn)入運(yùn)算放大器OP07。具體流程為:電橋輸出的信號(hào)一端經(jīng)X9C103(P3.4控制)調(diào)零后，進(jìn)入OP07的反相輸入端(2腳)，而輸出電壓Vo則通過(guò)電阻R9接到反相輸入端(2腳)和調(diào)零端(1腳)以保證引入的是負(fù)反饋;另一端由同相輸入端(3腳)引入放大器，經(jīng)放大后由另一個(gè)X9C103(P3.5控制)實(shí)現(xiàn)量程的外部調(diào)節(jié)。

圖2 可燃?xì)怏w數(shù)字顯示探頭硬件電路圖

信號(hào)經(jīng)過(guò)2個(gè)數(shù)字電位器到達(dá)A/D轉(zhuǎn)換單元。A/D轉(zhuǎn)換單元由TLC549芯片[5]實(shí)現(xiàn)，它以8位開(kāi)關(guān)電容逐次逼近的方法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)A/D 轉(zhuǎn)換。模擬信號(hào)有ANVIN引入，它通過(guò)CS，CLOCK和DATA OUT與AT89C51通信。當(dāng)CS變?yōu)榈碗娖胶螅琓LC549芯片被選中，同時(shí)前次轉(zhuǎn)換結(jié)果的最高有效位MSB(A7)自DATA OUT端輸出。接著CLOCK端輸出8個(gè)外部時(shí)鐘信號(hào)，前7個(gè)CLOCK信號(hào)的作用是配合TLC549輸出前次轉(zhuǎn)換結(jié)果A6~A0，并為本次轉(zhuǎn)換做準(zhǔn)備。在第4個(gè)CLOCK信號(hào)由高變低后，片內(nèi)采樣保持電路對(duì)輸入模擬量采樣開(kāi)始。第8個(gè)CLOCK信號(hào)的下降沿使片內(nèi)采樣保持電路進(jìn)入保持狀態(tài)，并啟動(dòng)A/D開(kāi)始轉(zhuǎn)換。

為了使電路能夠可靠穩(wěn)定的工作，采用X5045實(shí)現(xiàn)電路監(jiān)視功能。X5045有一個(gè)可設(shè)定200 ms，600 ms，1.4 s或禁止的看門(mén)狗定時(shí)器。在本電路中X5045被設(shè)置為 1.4 s的定時(shí)器。硬件電路如圖2所示，在單片機(jī)程序中，每隔一定的時(shí)間間隔放置一條 “喂狗”指令 (即在 P1.6輸出一個(gè)下降沿)，該時(shí)間間隔應(yīng)小于1.4 s，以保證程序正常運(yùn)行時(shí) X5045不會(huì)溢出;當(dāng)程序出現(xiàn)異常，該時(shí)間間隔將超過(guò)1.4 s導(dǎo)致X5045溢出，并通過(guò)RST引腳送出一個(gè)復(fù)位信號(hào)使單片機(jī)復(fù)位，重新開(kāi)始運(yùn)行程序。

2.3 輸出單元

傳感器的現(xiàn)場(chǎng)電壓信號(hào)由電壓/電流變換器轉(zhuǎn)換成4~20 mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)后傳送給上位機(jī)控制系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)變換成4~20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，采用XTR105精密電流變送器[6]。它內(nèi)含1個(gè)高精度的儀表放大器、1個(gè)電壓/電流變換器和2個(gè)相同的0.8 mA精密恒流源基準(zhǔn)。傳感器的電壓信號(hào)由13腳輸入;3，4腳之間接滑動(dòng)電阻以調(diào)節(jié)輸出滿幅值;1，2，14腳接電源，I/O腳接24 V電源正端(且是環(huán)流注入端);7腳通過(guò)負(fù)載電阻RL接電源負(fù)端(也是環(huán)流信號(hào)輸出端);8，9腳外接BD235三極管，該三極管是4~20 mA電流回路的主要電流傳導(dǎo)器件，能將外部電源電流與XTR105的內(nèi)部消耗嚴(yán)格地分開(kāi)。

2.4 零點(diǎn)、量程調(diào)整及報(bào)警單元

本探頭的量程為0~100%LEL，可針對(duì)不同環(huán)境對(duì)零點(diǎn)及量程做適當(dāng)調(diào)整。按鍵電路采用霍爾元件A44，它可置于表頭內(nèi)部，提高了探頭的安全性，從而改進(jìn)了按鍵易受腐蝕，不利于裝置密封的缺點(diǎn)。在外磁場(chǎng)的作用下，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度超過(guò)導(dǎo)通閾值時(shí)，霍爾輸出管導(dǎo)通，輸出低電平。相反，則霍爾輸出管截止，輸出高電平。對(duì)于可燃?xì)怏w檢測(cè)儀，聲光報(bào)警部分必不可少。當(dāng)可燃?xì)怏w濃度小于安全值時(shí)綠燈亮，但可燃?xì)怏w濃度大于安全值時(shí)紅燈亮，同時(shí)伴隨蜂鳴器響。即當(dāng)檢測(cè)到可燃?xì)怏w在空氣中所占的比例超標(biāo)時(shí)，就發(fā)出聲光警報(bào)，防止由可燃?xì)怏w含量過(guò)高而發(fā)生意外事故。如圖3所示。

圖3 零點(diǎn)、量程調(diào)整及報(bào)警單元硬件電路設(shè)計(jì)

2.5 電源模塊設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用統(tǒng)一的24 V直流電源供電，但是AT89C51和TGS842傳感器需要+5 V電源，而OP07需要-5 V電源，這就需要電壓轉(zhuǎn)換單元。可用MC34063芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)+24 V到+5 V的電壓轉(zhuǎn)換。MC34063芯片是單片式DC/DC變換器。圖4為采用 MC34063芯片構(gòu)成的開(kāi)關(guān)降壓電路。當(dāng)芯片內(nèi)部開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電流經(jīng)MC34063的1腳、2腳給電感L1，L2，電容C3和負(fù)載供電，同時(shí)電感 L1，L2存儲(chǔ)能量;當(dāng)內(nèi)部開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)時(shí)，由電感L1，L2繼續(xù)給電容C3和負(fù)載供電，輸出+5 V電源電壓。如圖5所示。

圖4 +24 V到+5 V電壓轉(zhuǎn)換電路

圖5 +5 V到-5 V電壓轉(zhuǎn)換電路

ICL7660內(nèi)含四個(gè)模擬開(kāi)關(guān)S1～S4，由內(nèi)部振蕩器控制、按一定順序通斷。兩個(gè)普通的電解電容C2和C3分別接到腳2和腳4以及腳5。當(dāng)S1和S3閉合，S2和S4斷開(kāi)時(shí)，C2被充電至+5 V。過(guò)一段時(shí)間，當(dāng)S1和S3斷開(kāi)，S2和S4閉合時(shí)，C2上的電荷便向C3上轉(zhuǎn)移。數(shù)次循環(huán)后，C3上的電壓便等于-5 V，從而實(shí)現(xiàn)了正電壓到負(fù)電壓的變換。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件功能主要包括:被檢測(cè)氣體濃度信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換、防脈沖干擾平均值濾波、狀態(tài)指示燈及按鍵功能設(shè)置、用液晶顯示模塊顯示氣體濃度值和報(bào)警電路設(shè)計(jì)等[1，7]。主程序流程如圖6所示。

3.1 報(bào)警電路的設(shè)計(jì)

報(bào)警程序的設(shè)計(jì)思想是首先將報(bào)警值輸入Xmax單元，然后獲取本次采樣值Xi與Xmax進(jìn)行比較。若小于報(bào)警值，則本次采樣正常，可將正常值送入RESULT單元，并置標(biāo)志位0(表示正常)。若大于報(bào)警值，則轉(zhuǎn)入報(bào)警處理。進(jìn)行報(bào)警處理時(shí)，首先判斷上一次采樣是否正常，如果正常，即可重新采樣，置允許檢測(cè)不正常次數(shù)N，然后在轉(zhuǎn)入報(bào)警處理程序;如果不正常，則檢測(cè)一下是否連續(xù)N次不正常。是，則報(bào)警;不是，則再把剩下的允許連續(xù)不正常的次數(shù)Z存入計(jì)數(shù)單元，然后再進(jìn)行報(bào)警處理，置本次采樣不正常標(biāo)志返回主程序[8]。報(bào)警電路程序流程如圖7所示。

3.2 濾波電路的設(shè)計(jì)

工作環(huán)境的變化可能會(huì)使氣體傳感器在對(duì)氣體濃度采樣時(shí)遇到尖脈沖干擾。這種干擾一般持續(xù)時(shí)間短，峰值大。在對(duì)其進(jìn)行數(shù)字濾波處理時(shí)，僅僅采用算術(shù)平均或移動(dòng)平均濾波只能對(duì)脈沖干擾進(jìn)行1/n處理，其剩余值仍然較大。最好的策略是去掉將受干擾信號(hào)的數(shù)據(jù)，即防脈沖干擾平均值濾波法。算法是:對(duì)連續(xù)的n個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，去掉最大和最小的2個(gè)數(shù)據(jù)，將剩余數(shù)據(jù)求平均值。為了加快數(shù)據(jù)處理速度，n的取值為8。

圖6 可燃?xì)怏w數(shù)字顯示探頭主程序流程圖

圖7 報(bào)警電路程序流程圖

但是該算法還存在一個(gè)不足之處，就是每采集一個(gè)數(shù)據(jù)就要進(jìn)行一次排序，這樣會(huì)大量占用系統(tǒng)時(shí)間。解

決的辦法就是在系統(tǒng)中用兩個(gè)變量來(lái)存儲(chǔ)當(dāng)前n個(gè)數(shù)

據(jù)的最大值和最小值在這個(gè)數(shù)組中的偏移量，只有被新輸入數(shù)據(jù)覆蓋的數(shù)據(jù)正好是當(dāng)前的最大或最小值時(shí)，才會(huì)在下個(gè)數(shù)組中查找最大或最小值;這樣在其他情況下，只要將輸入數(shù)據(jù)與最大值和最小值比較就可以修改最大值和最小值了，而且不用進(jìn)行數(shù)據(jù)排序[8]。濾波電路軟件流程圖如圖8所示。

圖8 軟件濾波電路流程圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的可燃?xì)怏w數(shù)字顯示探頭具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、測(cè)量精度高、利于密封和可維護(hù)性好等特點(diǎn)。該儀器用LCD顯示可燃性氣體濃度，在其濃度達(dá)到設(shè)定濃度時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警。具有的故障自診斷功能能快速重復(fù)檢測(cè)和延時(shí)報(bào)警。同時(shí)報(bào)警器還能與上位機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，既可以實(shí)時(shí)傳送氣體濃度檢測(cè)數(shù)據(jù)給控制系統(tǒng)以記錄保存，也可以利用上位機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)檢測(cè)和聯(lián)動(dòng)裝置的控制等功能。

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