具有無線收發(fā)功能的氣體檢測裝置設(shè)計

甄麗平 司紹偉

石家莊經(jīng)濟學(xué)院信息工程系，石家莊 050031

武警石家莊指揮學(xué)院通信基礎(chǔ)教研室，石家莊 050006

具有無線收發(fā)功能的氣體檢測裝置設(shè)計

甄麗平 司紹偉

石家莊經(jīng)濟學(xué)院信息工程系，石家莊 050031

武警石家莊指揮學(xué)院通信基礎(chǔ)教研室，石家莊 050006

設(shè)計開發(fā)了一種基于AT89S52的具有無線收發(fā)功能的可燃氣體檢測裝置，首先采用氣敏電阻傳感器TGS813，結(jié)合串行A/D轉(zhuǎn)換器TLC2543，實現(xiàn)了氣體信號的采集；AT89S52單片機對數(shù)據(jù)進行處理，然后通過無線收發(fā)芯片nRF905，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的開路傳輸；此外，電路還設(shè)計了顯示模塊對測量值進行顯示，當(dāng)氣體濃度超標(biāo)時，發(fā)出報警信號。

TGS813；AT89S52；nRF905；氣體檢測

引言

氣體檢測在社會中有著廣泛的應(yīng)用，適用于石油、化工、冶金、等工業(yè)現(xiàn)場和家庭、商場、加油站等各種場所。如何快速、準(zhǔn)確地對易燃、易爆、有毒、有害氣體進行監(jiān)測預(yù)報已成為當(dāng)前亟待解決的重要問題。但有些場合由于環(huán)境復(fù)雜，線路敷設(shè)較困難，給氣體的檢測帶來巨大困難，增加了事故隱患。

在將氣體探測領(lǐng)域引入無線通信技術(shù)，可以解決惡劣環(huán)境（有毒氣體、高溫、低溫等）的遠程監(jiān)控和無法布線環(huán)境下的氣體監(jiān)控難題，同時可以解決有線傳輸帶來的布線麻煩、出現(xiàn)故障檢查困難等缺點，提高了系統(tǒng)的適應(yīng)性和檢測能力。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

本文設(shè)計的可燃氣體檢測裝置是以高穩(wěn)定性、高測量精度，以及能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)實時傳輸為目的的。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

從機部分主要完成數(shù)據(jù)的采集和無線發(fā)送。系統(tǒng)工作過程如下：可燃氣體傳感器，采集氣體濃度信號，經(jīng)信號調(diào)理電路進行放大、穩(wěn)壓，再通過A/D 轉(zhuǎn)換電路送入單片機（從機）處理，處理后的數(shù)據(jù)通過無線收發(fā)芯片nRF905發(fā)送。

主機部分主要完成接收數(shù)據(jù)、顯示和報警的功能。首先，單片機通過無線收發(fā)芯片nRF905接收數(shù)據(jù)，并用4位LED數(shù)碼管顯示氣體濃度，當(dāng)氣體濃度出現(xiàn)異常時驅(qū)動揚聲器發(fā)出報警信號。

2 信號采集及調(diào)理電路

2.1 氣敏電阻傳感器TGS813

TGS813是一款專門設(shè)計成針對于家庭應(yīng)用的氣體泄露報警器、工業(yè)用可燃氣體報警器以及便攜式氣體檢知器而開發(fā)的氣敏電阻傳感器元件。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)測量電路如圖2所示，TGS813共有6個引腳, 其中管腳1、3、4、6為TGS813氣敏電阻傳感器的內(nèi)部電阻變化相關(guān)管腳，引腳1和引腳3傳感器外部短接，將短接端接入電橋電壓輸入端;引腳4和引腳6也在傳感器外部短接，短接后接入負載電阻端，作為氣敏電阻傳感器的信號輸出端。引腳2和引腳5是氣敏電阻傳感器加熱部分的輸入端，正常使用傳感器時，需要將引腳2和引腳5之間接入加熱電壓，用以給氣敏傳感器加熱，保證傳感器檢測目標(biāo)氣體時氣敏電阻部分處于正常的特定工作溫度。

因此，TGS813傳感器需要同時施加兩個工作電壓：加熱器電壓VH和回路電壓VC。VH施加在集成的加熱器上，用于維持敏感素子處于與對象氣體相適應(yīng)的特定溫度。VC則是用于測定與傳感器串聯(lián)的負載電阻RL上的兩端電壓VRL。

圖2 TGS813基礎(chǔ)測量電路

2.2 信號采集及調(diào)理電路

TGS813的基本原理是將氣敏電阻傳感器的電阻比——氣敏輸出特性轉(zhuǎn)換成可以測量的電壓信號，即通過氣敏電阻RS的變化來檢測可燃性氣體濃度的。本系統(tǒng)中采用R0、R9、R10和TGS813的RS構(gòu)成一個電橋，來實現(xiàn)電阻到電壓的轉(zhuǎn)換。LM324中的一個運算放大器A接成電壓跟隨器，和電阻R7、穩(wěn)壓管D1組成穩(wěn)壓電路，為電橋供電，以提高電橋激勵電壓的穩(wěn)定性。電橋轉(zhuǎn)換后的輸出電壓通過LM324的另外一個運算放大器B進行放大，放大倍數(shù)可通過電阻R11進行調(diào)節(jié)，以便于輸出合適的電壓供A/D 轉(zhuǎn)換。

圖3 氣體濃度信號采集電路

3 A/D轉(zhuǎn)換電路

本次采用的A/D芯片是TI公司的12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC2543。由于89S52的I/O資源不是很豐富，采用串行輸入結(jié)構(gòu)，可以節(jié)省單片機很多I/O 資源。

A/D 轉(zhuǎn)換接口電路如圖4所示。TLC2543的I/O CLOCK、DIN和/CS端由單片機的P1.2、P1.3和P1.5提供。TLC2543轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸出（DOUT）數(shù)據(jù)由P1.4接收。

單片機通過編程產(chǎn)生串行時鐘，即由CLK先高后低的轉(zhuǎn)變提供串行時鐘；并按時序發(fā)送與接收數(shù)據(jù)位，完成通道方式/通道數(shù)據(jù)的寫入和轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀出；用累加器和帶進位的左循環(huán)移位指令來合成SPI功能。

圖4 A/D轉(zhuǎn)換電路

4 無線通信模塊

無線通信模塊采用挪威Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發(fā)器nRF905。nRF905 工作電壓為1.9～3.6V， 32 引腳QFN 封裝，工作于433/868/915MHz三個ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué))頻道，頻道之間的轉(zhuǎn)換時間小于650us。nRF905可以自動完成處理字頭和CRC(循環(huán)冗余碼校驗)的工作，可由片內(nèi)硬件自動完成曼徹斯特編碼/解碼，使用SPI接口與微控制器通信，配置非常方便。

nRF905與MCU之間通過SPI接口進行數(shù)據(jù)和命令交互，為了降低硬件成本同時保證一定的傳輸距離，圖5為典型的應(yīng)用原理圖，該電路天線部分使用的是50Ω單端天線我們采用50Q阻抗的天線。本無線射頻收發(fā)電路是按照433MHz通信頻率、工作電壓3.3V來設(shè)計的，根據(jù)nRF905芯片的datasheet圍配置電路參考表，來確定芯片外圍電路的匹配電阻、電容和電感的取值。應(yīng)用原理圖如圖5所示：

圖5 nRF905應(yīng)用原理圖

5 顯示和報警模塊

主機部分單片機接收氣體濃度信號后通過數(shù)碼管進行顯示，并且當(dāng)濃度超過上限時驅(qū)動揚聲器報警。本系統(tǒng)選用了4位共陰數(shù)碼管,采用動態(tài)顯示。顯示數(shù)據(jù)通過P0口送到數(shù)據(jù)鎖存器，送到數(shù)碼管。P2.0、P2.1、P2.2、P2.3四個口作為控制端，分時輪流控制各個LED數(shù)碼管的COM端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示。報警電路由單片機P2.5引腳產(chǎn)生報警信號驅(qū)動蜂鳴器報警。

6 總結(jié)

本文設(shè)計的具有無線傳輸功能的氣體檢測裝置，采用性能優(yōu)越的TGS813傳感器，設(shè)計了無線收發(fā)模塊對數(shù)據(jù)進行開路傳輸，并能實時顯示測量值，當(dāng)氣體濃度超標(biāo)時，發(fā)出報警信號。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)可燃氣體的遠程監(jiān)控，而且可以解決無法布線環(huán)境下的氣體監(jiān)控難題，解決了有線傳輸帶來的布線麻煩、出現(xiàn)故障檢查困難等缺點，提高了系統(tǒng)的適應(yīng)性和檢測能力。

[1] 張紅劍,葉敦范,倪效勇.可燃氣體傳感器TGS813在多路數(shù)據(jù)采集電路中應(yīng)用.國外電子元器件.2007(11):61-63

[2] 何立民.MCS51單片機實用接口技術(shù).北京:航空航天大學(xué)出版社. 2001

[3] 賞星耀.射頻芯片nRF905在無線測溫系統(tǒng)中的應(yīng)用.機電工程.2005(10)

[4]侯海嶺，姚年春.無線收發(fā)芯片nRF905的原理及其在單片機系統(tǒng)中的應(yīng)用.儀器儀表用戶.NO.3，2006：70～71

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.09.098

甄麗平，講師，碩士學(xué)位，研究方向：電子信息技術(shù)。