煤气报警器设计文档格式.docx
- 文档编号:22446924
- 上传时间:2023-02-04
- 格式:DOCX
- 页数:20
- 大小:484.16KB
煤气报警器设计文档格式.docx
《煤气报警器设计文档格式.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《煤气报警器设计文档格式.docx(20页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
方案二,可以通过传感器感知信号多级放大电路,并用电位器调节得到固定的电压值,当得到可燃性气体信号时,电阻值立刻变小,放大器的放大倍数增加,电压也就随着增加,驱动三极管导通报警电路。
该方案有一定的灵活性和可执性,但是电路比较复杂,智能性差。
方案三,通过51系列单片机作为主控单元,并且能够通过传感器把模拟信号通过A/D信号转换为数字信号,并且读取和显示出来。
键盘可以通过不同的应用场合和针对不同气体做出不同的浓度设定,并且储存报警的上限和报警时间,方便查询和日后的工作调查。
综合考虑,由于使用单片机设计灵活性更强、用途更宽广,所以本设计采用方案三。
如图2-1所示,该设计是由89s52单片机主要控制单元由7805稳压芯片提供电源,具备有看门狗芯片X5045和实时时钟芯片DS12887作为主体单元。
显示和键盘是由HD7279A控制的,数据采集是由TLC2543进行。
2.2系统流程框图
图2-1系统流程框图
3.硬件系统设计与传感器选用
硬件系统的电路包括主机单元的电路和功能实现系统模块电路。
主机单元主要由89s52单片机与X5045看门狗定时器、实时时钟DS12887和7805电源电路组成。
功能实现系统模块,由A/D转换电路、信号处理电路、人机接口电路、传感器和报警电路组成。
3.1单片机选择
本设计中的主芯片采用美国ATMEL公司的。
控制器部分采用了美国ATMEL公司的AT89S52单片机,AT89S52是一个低功耗,高性能CMOS8位单片机,片内含8kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元,功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
AT89S52具有如下特点:
40个引脚,8kBytesFlash片内程序存储器,256bytes的随机存取数据存储器(RAM),32个外部双向输入/输出(I/O)口,5个中断优先级2层中断嵌套中断,2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,看门狗(WDT)电路,片内时钟振荡器,主要功能表特性见表3-1。
此外,AT89S52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。
空闲模式下,CPU暂停工作,而RAM定时计数器,串行口,外中断系统可继续工作,掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据,停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。
同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式,以适应不同产品的需求。
表3-1主要功能表特性:
兼容MCS-51指令系统
8k可反复擦写(>
1000次)ISPFlashROM
32个双向I/O口
4.5-5.5V工作电压
3个16位可编程定时/计数器
时钟频率0-33MHz
全双工UART串行中断口线
256x8bit内部RAM
2个外部中断源
低功耗空闲和省电模式
中断唤醒省电模式
3级加密位
看门狗(WDT)电路
软件设置空闲和省电功能
灵活的ISP字节和分页编程
双数据寄存器指针
图3-289s52各个引脚
图3-389s52最小系统
在本设计中,P0作为实时时钟DS12887的数据传送总线;
P2.7作为片选CE的接口用来使能DS12887,ALEP接口用来锁存外接存储器的地址,RD和WR接口分别接实时时钟的RD和WR,用来读写控制外部存储器的数据,RESET接X5045的RS接口受其看门狗监督,P1.3和P1.4接口用来接X5045的数据输入和数据输出;
P1.1和P1.2接X5045的片选接口和时钟接口。
主机89s52完成对监控系统的数据采集过程、采集方式和报警过程的控制。
其最简单的连接图如图3-3。
3.2X5045看门狗定时器及复位电路
X5045的特点是一种集看门狗、电压监控和串行EEPROM三种功能于一身的可编程电路。
这种组合设计减少了电路对电路板空间的需求。
X5045中的看门狗对系统提供了保护功能。
当系统发生故障而超过设置时间时,电路中的看门狗将通过RESET信号向CPU作出反应。
X5045提供了三个时间值供用户选择使用。
它所具有的电压监控功能还可以保护系统免受低电压的影响,当电源电压降到允许范围以下时,系统将复位,直到电源电压返回到稳定值为止。
X5045的存储器与CPU可通过串行通信方式接口,共有4096个位,可以按512x8个字节来放置数据。
可以存放512个字节,可擦写100万次以上并且存储100年。
图3-4DS12887的管脚分布
X5045的管脚排列如图3-7所示,它共有8个引脚,各引脚的功能如下:
CS:
电路选择端,低电平有效,S:
串行数据输出端;
SI:
串行数据输入端;
SC:
串行时钟输入端;
WP:
写保护输入端,低电平有效;
RESET:
复位输出端;
VCC:
电源端;
VSS:
接地端。
本设计中由于X5045是利用SPI通信协议的,所以电路连接十分简单。
SI和SO分别接89S52的P1.3和P1.4用作数据的传输使用。
而CS和SCK分别接单片机的P1.1和P1.2用作控制端口使用。
而WP和Vcc是直接接电源,RS上拉10k电阻接电源,并且接上89S52的RESET引脚,用作控制单片机复位信号使用,并且上电复位。
设计中所用到的电路图如图3-8所示。
图3-8设计中X5045的连接
3.3功能模块部分
该部分中主要由数据采集模块、人机接口模块、信号处理模块、ISP下载程序模块和声光报警模块。
可以实现89S52单片机的对传感器信号进行采集计算比较,并产生相应的报警措施。
人机对话方面,可以通过键盘和显示来调节各个通道的设置值,并且查看现场测试值。
并且自行进行DIY的ISP程序加载模块,可以对程序进行烧写。
3.3.11TLC2543的数据采集单元
本设计A/D转换器选择了TLC2543,该芯片是TLC2543是德州仪器公司(TI)新型模数转换器(ADC),具有l2位的分辨率,使用开关电容逐次逼近技术完成AD转换过程,提供的最大采样率为66KSPS,供电电流仅需1mA(典型值)。
它除具有高速的转换器和通用的控制能力外,还具有通用灵活的串行接口(SPI)。
它被广泛运用于数据采集系统。
TLC2543是l2位开关电容逐次逼近型ADC每个器件有三个控制输入端:
片选(CS)、输入/输出时钟(I/OCLK)及地址数据输入端(DATAINPUT)。
它还可以通过一个串行的3态输出端(DATAOUT)与主处理器或其它外围的串行口通讯,输出转换结果。
通过编程器件的DATAINPUT管脚串行输入的8位通道/方式控制字节的高4位(MSBs),可选择11个模拟输入通道中的任一个。
可用同样的方法选用另外三个测试电压VREF+、VREF-、(VREF++VREF-)/2,用于转换器的枝正或其它用途。
通道/方式控制字节的低四位(LSBs)用于选择输出数据的长度(8、12或16位)、输出数据的顺序(以MSB开始或LSB开始)和是否需要单极性(二进制)或双极性(二进制补码)格式。
TLC2543的功能特点,12bit分辨率A/D转换器;
在工作温度范围内10us转换时间;
11个模拟输入通道;
4)3路内置自测试方式;
采样率为66kb/s;
线性误差+1LSB(max);
有转换结束(EOC)输出;
具有单、双极性输出;
可编程的MSB或LSB前导;
可编程的输出数据长度。
TLC2543引脚介绍如图3-10所示。
图3-10TLC2543的引脚图
AIN0—AIN10为模拟输入端;
/CS为片选端,由高到低有效,由外部输入;
DIN为串行数据输入端,用于选择转换及输出数据格式;
DOUT为A/D转换结果的三态串行输出端,A/D转换结果的输出端;
EOC为转换结束端,向外部输出;
CLK为I/O时钟,由外部输入;
REF+为正基准电压端,一般接+5V;
REF一为负基准电压端,一般接地;
VCC为电源,一般接+5V;
GND为地。
TLC2543的工作过程分为两个周期与接口时序,分别为I/O周期、转换周期和接口时序。
a)I/O周期
I/O周期由外部提供的I/OCLOCK定义,延续8、12或16个时钟周期,决定于选定的输出数据长度。
器件进入I/O周期后同时进行两种操作。
在I/OCLOCK的前8个脉冲的上升沿,以MSB前导方式从DATAINPUT端输入8位数据流到输入寄存器。
其中前4位为模拟通道地址,控制14通道模拟多路器从11个模拟输入和三个内部测电压中选通一路送到采样保持电路,该电路从第4个I/OCLOCK脉冲的下降沿开始对所选信号进行采样,直到最后一个I/OCLOCK脉冲的下降沿。
I/O周期的时钟脉冲个数与输出数据长度(位数)同时由输入数据的D3、D2位选择为8、12或16。
当工作于12或16位时,在前8个时钟脉冲之后,DATAINPUT无效。
在DATAOUT端串行输出8、12或16位数据。
当CS保持为低时,第一个数据出现在EOC的上升沿。
若转换由CS控制,则第一个输出数据发生在CS的下降沿。
这个数据串是前一次转换的结果,在第一个输出数据位之后的每个后续位均由后续的I/O时钟下降沿输出。
b)转换周期.
在I/O周期的最后一个I/OCLOCK下降沿之后,EOC变低,采样值保持不变,转换周期开始,片内转换器对采样值进行逐次逼近式A/D转换,其工作由与I/OCLOCK同步的内部时钟控制。
转换完成后EOC变高,转换结果锁存在输出数据寄存器中,待下一个I/O周期输出。
I/O周期和转换周期交替进行,从而可减小外部的数字噪声对转换精度的影响。
c)接口时序
可以用四种传输方法使TLC2543得到全12位分辩率,每次转换和数据传递可以使用12或16个时钟周期。
一个片选脉冲要插到每次转换的开始处,或是在转换时序的开始处变化一次后保持为低,直到时序结束。
根据芯片的规范和要求,本设计中89S52的P2.0接上TLC2543的I/Oclk用于在SPI通信中做模拟clock用。
TLC2543的CS接在P2.3脚,作为片选使用。
P2.1和P2.2分别接上输入ADIN和输出DOUT引脚。
Vcc借+5v电源,GND接地,各路模拟接通道接数据处理后的信号。
而REF+接+5v基准电压,REF-因传感器不同,则有可能接GND也可以接+1v基准电压。
当使用TLC2543这种12位A/D器件时,每个模拟IC的电源端必须用一个0.1μF的陶瓷电容连接到地,用作去耦电容。
对模拟器件和数字器件,电源的地线回路必须分开,以防止数字部分的噪声电流通过模拟地回路引入,产生噪声电压,从而对模拟信号产生干扰。
使用TLC2543时一定要注意电路板的布线,电路板的布线要确保数字信号和模拟信号隔开,模拟线和数字线特别是时钟信号线不能互相平行总体设计如图3-11。
图3-11TLC2543的总体设计
3.3.2HD7279的人机接口电路模块
HD7279A的特点是一片具有串行接口的,可同时驱动8位共阴极数码管的智能显示驱动芯片。
该芯片可连接多达64个键的键盘矩阵,并含有去抖动电路。
HD7279A芯片内部有译码器,可以直接接受16进制码,并且具有2种译码方式和多种控制指令,如:
消隐、闪烁、左移、右移、段寻址等。
可以广泛应用在仪器仪表,工业控制,条形显示器,控制面板等领域。
串行接口,无需外围元件可直接驱动LED;
各个独立控制译码/不译码及消隐和闪烁属性;
循环左移和右移指令;
具有段寻址指令,方便控制独立led;
64键盘控制器,内含去抖动电路。
HD7279的引脚介绍如图3-13所示。
图3-13HD7279A引脚
HD7279A是标准28引脚双列直插式芯片。
引脚1,2(VDD)为正电源;
引脚3,5(NC)不连接,使用时要求悬空;
引脚4(VSS)为接地端;
引脚6(CS)片选输入端,此引脚为低电平时,可向芯片发送指令及读取键盘数据;
引脚7(CLK)为同步时钟输入端,向芯片发送数据及读取键盘数据时,该引脚电平上升沿表示数据有效;
引脚8(DATA)为串行数据输入/输出端,当芯片接收指令时,此引脚为输入端;
当读取键盘数据时,此引脚在‘读’指令最后一个时钟的下降沿变为输出端;
引脚9(KEY)为按键有效输出端,平时为高电平,当检测到有效按键时,此引脚变为低电平;
引脚10~16(SG~SA)为段g~段a驱动输出;
引脚17(DP)为小数点驱动输出;
引脚18~25(DIG0~DIG7)为数字0~7位驱动输出;
引脚26(CLKO)为振荡输出端;
引脚27(RC)为RC振荡器连接端;
引脚28(RESET)为复位端。
HD7279的指令通信是采用串行方式与微处理器通讯,串行数据从DATA引脚送入芯片,并由CLK端同步。
当片选端CS信号变为低电平后,DATA引脚上的数据在CLK引脚的上升沿被写入HD7279A的缓冲寄存器。
HD7279A的指令结构有三种类型(表1):
11不带数据的纯指令,指令的宽度为8个BIT位,即微处理器需要发送8个CLK脉冲;
21带数据指令,宽度为16个BIT位,即微处理器需要发送16个CLK脉冲;
31读取键盘数据指令,宽度为16个BIT位,前8个BIT位为微处理器发送到HD7279A的指令,后8个BIT位为HD7279A返回的键盘代码。
执行该指令时,HD7279A的DATA端在第9个CLK脉冲的上升沿变为输出状态,并以第6个脉冲的下降沿恢复为输入状态,等待接收下一个指令。
HD7279A需要一个外接的RC震荡电路,经典值是R=1.5k,C=15PF,并且尽量靠近芯片,使之电路连线最短。
复位RESET可以直接与正电源连接,需要较高可靠性时可以接一个外部的复位电路,或是有MCYU控制。
在上电后大约经过12-25ms的时间才会进入正常工作状态。
上电后所有的显示位为‘显示’和‘不闪烁’。
当有按键按下,KEY引脚输出变低电平,此时接到读键盘指令时,将输出键盘代码。
因为芯片直接驱动LED显示,电流较大,且为动态扫描,如果该部分电路的电源线较细较长,可能会有电源噪声干扰,所以在HD7279A的正负电源端并上去耦电容,提高电路的抗干扰能力。
图3-14HD7279A的总体连接
本设计中总体连接如图3-14采用经典的连接方法,电路安全可靠,抗干扰能力强。
其中89S52的P1.5连接CS做片选使用,P1.6连接CLK做模拟时钟使用,P1.7接DATA做数据传输使用。
Key接单片机的中断INT1,作为键盘中断程序入口控制。
接法如图3-15。
而与共阴极LED显示器接法基本也是很经典接法一至,只是利用了0、1、2、3、4、5、6、7作为使用的键盘,加上电源去耦电容。
如图3-16。
图3-15HD7279A与89S52的连接
图3-16HD7279A的其他器件接法
3.3.3差动放大器
本设计采用的是LM358放大器。
仪表仪器放大器的选型很多,我们这里介绍一种用途非常广泛的仪表放大器,就是典型的差动放大器。
它只需高精度LM358和几只电阻器,即可构成性能优越的仪表用放大器。
广泛应用于工业自动控制、仪器仪表、电气测量等数字采集的系统中。
本设计中差动放大电路结构图如下:
LM358(图3-19)内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器,适合于电源电压范围很宽的单电源使用,也适用于双电源工作模式。
图3-19LM358引脚
图3-18差动放大器结构图
3.3.4声光报警模块
当发生报警事件时,除了报警显示外,还要有声光报警功能。
用声音或是灯光报警时,连续的声响或常亮的灯光往往不易被人们的警觉,只有断续的声音或山所的灯光才能取得最佳的报警效果。
就利用时钟翻转P3.5和P1.0来转换电平,产生短促的报警声音或闪烁灯光。
图3-20声光报警电路
3.4传感器的选用
对于煤气报警器的实现,感应器的选择也相当的重要,是系统重要的组成部分之一,其性能对于系统的精确度和实现范围有这相当大的影响,也是体现煤气监控发展现状的标志。
可燃气体的危险性主要视其爆炸极限,爆炸下限数值越小、爆炸下限与上限之间的范围越大,越危险。
有许多可燃气体同时具有毒性。
其中CO的气体毒性是对人体有非常大的伤害的,见下表3-3
表3-3CO对人体的有害程度
空气中一氧化碳的浓度
吸入时间和中毒症状
200ppm
2-3小时前头部轻度头痛
400ppm
1-2前头痛恶心2.5-3后头痛
800ppm
45分钟头晕眼花2小时精神失
1600ppm
20分钟头晕、头痛眼花2小时死亡
3200ppm
5-10分钟头晕、头痛、眼花30分钟死亡
6400ppm
1-2分钟头晕、头痛、眼花10-15分钟死亡
12800ppm
1-3分钟死亡
在设计中考虑到的是家庭的情况,是特别对于一氧化碳会中毒,所以选用了MQ-9比较适中而且价格比较便宜。
3.4.1MQ-9半导体气体传感器
MQ-9传感器因装有活性炭过滤器,消除了杂质气体的影响,对有机溶剂或其他挥发性气体的灵敏度低,而对氢气和一氧化碳的灵敏度高,非常适合用于检测人工煤制气。
在这里我们主要他对对CO的检测功能能。
下图是典型的灵敏度特性,全部是在标准试验条件下得出的结果。
图3-25灵敏度图
此传感器需要施加2个电压:
加热器电压(VH)和回路电压(VC)。
这个VH用于维持敏感素子处于与对象气体相适应的特定温度而施加在集成的加热器上。
VC则是用于测定与传感器串联的负载电阻(RL)上的两端电压(VRL)。
这种传感器具有极性,所以VC需用直流电源。
只要能满足传感器的电性要求,VC和VH可以共用同一个电源电路。
为了将判定值水平最佳化,并使敏感素子的功耗(PS)低于15mW的限度值,需要选择RL的值。
MQ-9的管脚连接如图3-26所示,1或3接传感器,4或6接传感器,2和5接加热器。
图3-26基本连接
MQ-9传感器的工作原理是它的表面电阻Rs,是通过与其串联的负载电阻RL上的有效电压信VRL输出而获得的。
二者之间的关系为:
Rs/RL=(Vc-VRL)/VRL。
心得体会
我通过查找资料并且向同学请教,最终确定了煤气报警器的具体方案。
方案是利用89s52单片机作为主控芯片,TLC2543作为A/D转化器,X5045作为硬件看门狗,并且作为储存报警上限,DS12887作为实时时钟模块计时并储存报警记录,两个不同输出的传感器和信号处理模块。
确定好模块就进行硬件设计和原器件的采购,并且在田刚老师的实验室进行焊接和调试。
版图设计中考虑到美观和稳定,尽量使用走锡的方式进行设计。
并且在设计中加入了不少的去耦电容提高电源的稳定性、阻容滤波、多个扩展的接口和特别添加的基准电压。
我认为煤气报警器的使用价值是很大的,并且它能给人们带来很大的利益,减少财产损失。
煤气报警器的开发市场是很广的。
参考文献
[1]张毅刚,彭喜元:
《新编MCS-51单片机应用设计》。
哈尔滨:
哈尔滨工业大学出版社,2003,10-21。
[2]李华:
《MCS-51系列单片机实用接口技术》。
北京:
北京航空航天大学出版社,1993,29-33。
[3]徐国华,崔光照:
《电子技能实训教程》。
北京航空航天大学出版社,2006,34~5.
[4]孙余凯:
《传感技术基础于技能实训教程[M]》。
电子工业出版社,2006。
[5]谢自美主编,电子线路设计,武汉:
华中科技大学出版社2000年。
[6]胡辉:
《单片机原理及设计[M]》。
中国水利水电出版社,2004。
[7]花铁森:
《火灾自动报警设备设计选型导则[M]》。
中国电气设备选型年鉴,1998。
[8]王煜东:
《传感器及应用》。
机械工业出版社,2003.11。
附录一:
原理图
附录二:
元器件清单
序号
名称
规格型号
数量/单位
1
集成电路
AT89S52
1/片
DS12887
HD7279A
X5045
7805
1/个
LM-336.5
2
电解电容
CD-16V-220UF
2/个
3
瓷介电容
0.1UF
18/个
15PF
30PF
10UF
8/个
4
LED
红和黄
3/个
5
芯片座
7/个
6
电阻
RJ-0.125-10欧
10/个
RJ-0.125-200欧
RJ-0.125-390欧
RJ-0.125-1K欧
RJ-0.125-4.7K欧
RJ-0.125-15K欧
RJ-0.125-10K欧
7
晶震
12MHZ
8
排阻
8*100K
9
电位器
RJ-0.25-10K欧
8/
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 煤气 报警器 设计