家用煤气报警器设计.doc

一、系统设计技术基础微处理器的出现极大地促进了生产力的发展，提高了人们生活的质量，实现了工业的现代化和自动化。Internet技术的飞速发展，使得基于分组交换技术的通信性能、通信质量和可靠性得到稳步提高。基于8位和16位单片机的嵌入式设备(如仪器仪表、数据采集和显示、过程控制、工业自动化等)的实时应用、测控系统正在走向网络智能化。这就要求企业从现场控制层到管理层能实现全方位的无缝信息集成，实现远程维护、智能诊断以及远程管理功能，提供一个开放的基础构架，并具有高可靠性、分散控制、集中监视和管理的功能。1、系统实现方案与选择针对目前主要处理芯片的不同，本文提出了2种实现方案，分别为基于8051单片机实现方案以及基于Rabbit RCM5700实现方案。并最终选择了一种方案进行系统实现。基于8051单片机实现的煤气报警器的具体方案如图2.1所示。该方案主要包括了可燃气体传感器、A/D转换器、键盘控制电路、8051单片机电路、晶振、蜂鸣器以及LED显示电路1。可燃气体传感器输出为模拟量，需要利用A/D转换器将模拟量转换成数字量送给8051单片机；晶振和键盘控制作为8051单片机的外围输入电路，蜂鸣器作为报警用的8051单片机的外围输出电路；显示电路采用了LED显示，由8051单片机控制实现显示。图1 基于8051单片机的实现方案选择方案1中采用的是8051单片机实现煤气报警器，该方案具有结构化设计简单，器件成本较低的特点，是一种较为广泛采用的实现方案。方案2中采用的是Rabbit RCM5700模块实现煤气报警器，该方案基于 Rabbit RCM5700模块进行开发设计，Rabbit MiniCore模块用于加速嵌入式系统的开发和实施。编程开发采用我们经过业界广为验证的 Dynamic C开发系统, 一个包括编辑器、链接器、装载器和编译器在内的C语言集成开发环境。从你的计算机通过 USB端口或串口下载程序，立即在目标硬件上进行调试无需在线仿真器。这种开发环境减少了工作量，加速了软硬件集成。Rabbit 提供了广泛的驱动函数库和例程、免费的TCP/IP及其源代码。针对其应用扩展，本设计选择了方案2，基于Rabbit RCM5700模块实现煤气报警器的方案。既基于Mini Core实现的家用煤气报警系统，利用可燃气体传感器检测某一环境中可燃气体含量的指标，对于可燃气体的检测，由于可燃气体传感器输出量为模拟量，需要将其进行A/D转换后送给Rabbit RCM5700模块，当其含量超过设定值时，由主芯片Rabbit RCM5700模块控制蜂鸣器进行报警。2、MINI CORE芯片选择Mini Core RCM5700是Rabbit半导体公司在2008年9月30日推出的一款尺寸紧凑的经济型核心模块，设计人员可以将其用于小尺寸、低价格、可实现控制或采集且支持网络功能的系统中去，是高性能低成本的嵌入式解决方案。典型应用在远程数据记录和上传、储罐监控、自动抄表系统、远程能源管理等领域。Mini Core芯片选择了Rabbit RCM5700模块。Rabbit充分结合了易于使用和最大限度的降低产品成本提供可以构成当今体积最紧凑、成本最低的嵌入式解决方案。Mini Core系列也是Rabbit产品中体积最近凑和成本最低的嵌入式解决方案，设计人员可以为他们设计的系统方便可靠增加网络连接12。主要特点：(1) 微处理器为Rabbit5000(内含128 KB的SDRAM)，主频为50MHz；(2) 程序存储器为1 MB闪存；(3) 32个GPIO(可配置)；(4) 6个(可配置)CMOS兼容的串El；(5) 带实时时钟(电池供电)；(6) 10个8位定时器，10位和l6位定时器各1个；(7) 有两路触发输入和两路正交解码输入；(8) 带有看门狗；(9) 支持10100BaseT以太网功能；(10) 接口为Mini PCI Express接口。Rabbit Core Mini Core模块用于加速嵌入式系统的开发和实施。编程开发采用我们经过业界广为验证的 Dynamic C开发系统，一个包括编辑器、链接器、装载器和编译器在内的C语言集成开发环境。从计算机通过 USB端口或串口下载程序，立即在目标硬件上进行调试 ，无需在线仿真器。这种开发环境减少了工作量，加速了软硬件集成。Rabbit提供了广泛的驱动函数库和例程、免费的TCP/IP及其源代码。RCM5700模块接口包括了52个接口，各个接口定义如图2所示。图2 RCM5700模块接口定义根据RCM5700模块接口定义可知，52个接口可以划分为几个主要部分：端口Port A、Port B、Port C、Port D、Port E、Serial Port A、RAM、Misc. I/O等，具体如图3所示。图3 RCM5700模块端口说明3、一氧化碳传感器的选择市面上的煤气感应器多种多样，特性价格也各有不同。根据实际应用和成本性价比，本设计一氧化碳气体传感器选择了NG-CO-001型电化学一氧化碳气体传感器，其详情如下4：图4NG-CO-001型电化学一氧化碳气体传感器属工业级别产品，如图4所示。通过成熟的电极制备处理技术及传感器结构设计，使其具有长寿命、高灵敏度、液体密闭性良好等技术特点。传感器与外部电路连接部位通过接插元件完成，利于传感器与电子线路的兼容与互换。产品组装工艺简化，有利的降低了产品成本。用途：工厂一氧化碳浓度检测仪器；气体计量器具；空气质量监测器；气体变送器；便携式仪器配套元件等等。（1）NG-CO-001电化学一氧化碳气体传感器基本原理电化学气体传感器由工作电极、参比电极、对电极构成，根据外部恒电位电路，传感器工作电极保持一个稳定的工作电位，一氧化碳气体传感器基本工作原理如下面公式所示：UCTURE工作电极：CO+H2O=CO2+2H+2e-对电极： O2+4H+4e-=2H2O总反应： 2CO+O2=2CO2这样电化学气体传感器根据电化学反应电子转移，从而定性并定量的检测出被测气体。参比电极主要作用是保持工作电极维持电化学反应的稳定工作电压，工作电极与对电极之间因电化学反应形成的电流与被测气体浓度成线性关系。此传感器属于三电极方式，具有检出信号稳定和线性关系良好等优越性，在一般工业得到较为广泛的应用。图17.1电化学传感器原理图（2）传感器基本结构：气体传感器由工作电极、对电极、参比电极、电解质、液体保持材料、过滤干扰气体物质、贵金属引线、接线柱等组成，使用的典型电极材料包括铂、金、银、铑、碳、钌、钯等，传感器信号通过引线传导到外部电路，通过放大等处理进行显示。为了提高对被测气体的选择性，通常在传感器通气孔位置设置过滤剂，以消除干扰气体造成的不准确信号。图17.2电化学气体传感器典型构造图17.2电化学气体传感器特性曲线（3）电化学气体传感器优点：1）对于气体的浓度能够线形输出信号重现性好2）对被测气体具有良好选择性，不受温湿度的影响3）空气中的输出值漂移小，可以获得稳定的输出信号4）功耗低，电池即可驱动器工作5）体积小，重量轻，作为便携式仪器首选6）本质安全结构，机械性能稳定（4）电化学一氧化碳气体传感器基本特点：本质特征：NG-CO-001型电化学一氧化碳气体传感器属工业级别产品，通过成熟的电极制备处理技术及传感器结构设计，使其具有长寿命、高灵敏度、液体密闭性良好等技术特点。传感器与外部电路连接部位通过接插元件完成，利于传感器与电子线路的兼容与互换。产品组装工艺简化，有利的降低了产品成本。用途：工厂一氧化碳浓度检测仪器；气体计量器具；空气质量监测器；气体变送器；便携式仪器配套元件等等。工作及保存条件： 工作温度 2050工作湿度 1590%RH保存环境温度 020图18.1工作气压 1atm 10% 保存期限6个月以内密闭容器检知对象气体 一氧化碳测定范围 01000ppm输出电流 4010nAppm重复性误差 2%响应时间(t90) 30秒基准线位移(-2050) 1）25ppm增益漂移（G=1）200V最大输入失调电压（AD623A）2V /最大输入失调漂移（AD623A）100V最大输入失调电压（AD623B）1V /最大输入失调漂移（AD623B）25nA最大输入偏置电流噪声：35nV/ Hz 针对输入端（RTI）噪声1kHz（G=1）良好的AC特性：最小90dB共模抑制比（CMRR）（G=10）最小84dB共模抑制比（CMRR）（G=5）（60Hz，1k非平衡信号源）800kHz带宽（G=1）到终值0.01%的建立时间20s（G=10）引脚排列极限参数如下：电源电压 6V内部功率耗散 650mW差分输入电压 6V输出短路持续时间 不确定储存温度范围（N，R，RM） -65至+125工作温度范围： AD623A 40至+85引脚温度范围（焊接，10秒） +3005、A/D转换器选择本文A/D转换器选择了TLC2543，该芯片是7LC2543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中2。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/O CLK)及地址数据输入端(DATA INPUT)。它还可以通过一个串行的3态输出端(DATA OUT)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DATA INPUT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,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。其特点有：1) 12 bit分辨率AD转换器；2) 在工作温度范围内10s转换时间；3) 11个模拟输入通道；4) 3路内置自测试方式；5) 采样率为66 kb/s；6) 线性误差+1LSB(max)；7) 有转换结束(EOC)输出；8) 具有单、双极性输出；9) 可编程的MSB或LSB前导；10) 可编程的输出数据长度。二、基于RCM5700的系统电路设计2.1系统硬件电路总体设计系统的工作原理是利用煤气传感器将煤气浓度变换为mV级模拟电流信号，放大器把信号放大后，经低通滤波滤掉干扰信号送到A/D转换器，变换成数字量送主控芯片进行数据分析。由于煤气泄漏出来的气体的主要性质可以分为毒性气体和可燃性气体2种，所以本设计中才用了3个性质不同的传感器，对其进行分别处理。NG-CO-001型电化学一氧化碳气体传感器主要是对毒性并可燃的一氧化碳气体进行精密的单项检测。其他2种传感分别对其中2类的可燃气体进行检测。对RCM5700植入软件程序后，控制整个电路的运行。空气中的气体浓度信号同时进入主芯片，主芯片对其进行分析，并输出信号到显示器，控制其提示出“好、优、良、中、差”等5个等级的空气质量提示。当感应信号达到设定的任意一个危险区域（包括可燃气体浓度危险区和毒性气体浓度危险区）值时，主控芯片将输出信号驱动报警，控制显示器显示出相应空气质量等级即为“差”，驱动蜂鸣器发出声响，报警LED发光，同时控制电磁阀关闭。以让监控人员进行处理。故障排除后，报警完毕自动回到警戒状态，等待下一次报警。氢气传感器烷类传感器信号放大器信号放大器A/DA/D晶振串口RCM5700蜂鸣器显示器电磁阀报警灯其他扩展CO传感器信号放大器A/D图24.1系统原理框图系统采用模块化设计。所谓的模块化设计，简单地说就是程序的编写不是开始就逐条录入计算机语句和指令，而是首先用主程序、子程序、子过程等框架把软件的主要结构和流程描述出来，并定义和调试好各个框架之间的输入、输出链接关系。用户端自动报警器内提供备用电源，在没有市电的情况下，交直流供电自动切换，确保系统在停电时能继续工作。2.2信号采集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，放大电路采用仪表放大器AD623，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6。AD623的主要特点是：使用一只外接电阻设置增益G，计算公式为G=1+100k/Rti，其中G可达1000，从而给用户带来了极大方便。其输入共模范围很宽，允许比地电压低150mV的共模电压。单电源供电（+3.0 +12V）能达到最佳性能。但双电源供电（2.56.0）也能够提供优良的性能：低功耗、宽电源范围和电源限输出特性非常合适电池供电的应用场合；可取代分立器见构成的仪表放大器，具有线性度优良、温度稳定性高和体积小、可靠性高等优点。在本设计中，采用恒压供电方式为气体传感器供电，且在正常使用中采样电路的输出为单极性输出，AD623的REF端同TLC2543的AD参考电压输入端在设计中同时接地即可。图27.1信号采集放大电路由AD623构成的放大电路如图27.1所示。在图中接口J4为气体传感器的接口，气体传感器与电阻R34、R35和R39构成电桥采集信号，直流+2.5电压用过LM324同相输入端获得一个稳定的输出电压，Q1的通断由LM324输出决定，由于Q1的B极电源比较稳定，而B级电流决定三级管导通时的放大倍数，因此通过CE极的电压也比较稳定。Q1、LM324与LT1764-3.3构成恒压电路，为电桥提供恒压。AD623的REF接地，OUTPUT端接入TLC2543的AD模块引脚。LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。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3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。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。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。LM324的引脚排列见右图。2.3运放电路及A/D转换电路从一氧化碳传感器输出信号为差分信号，该模拟信号需要经过运放后送入A/D转换器。本系统中运放采用了AD623仪用放大器实现，运放后信号送入A/D转换器。图28.2TLC254图28.2中AIN0AIN10为模拟输入端；CS为片选端；DIN为串行数据输入端；DOUT为AD转换结果的三态串行输出端；EOC为转换结束端；CLK为IO时钟；REF+为正基准电压端；REF一为负基准电压端；VCC为电源；GND为地。VCC：正电源端，一般接+5V。GND：正电源地。VREF+：正基准电压端，一般接+5V。V -：负基准电压端，一般接地。AIN0AIN10：11路模拟量输入引脚。CS：片选端，由高到低有效，由外部输入。EOC：转换结束端，向外部输出。IO CLOCK：控制输入输出的时钟，由外部输入。DATA INPUT：控制字输入端，用于选择转换及输出数据格式。DATA OUT：AD转换结果的输出端。TLC2543的工作过程分为两个周期:I/O周期和转换周期。a) I/O周期I/O周期由外部提供的I/O CLOCK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/O CLOCK的前8个脉冲的上升沿,以MSB前导方式从DATA INPUT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/O CLOCK脉冲的下降沿开始对所选信号进行采样,直到最后一个I/O CLOCK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,DATA INPUT无效。在DATA OUT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/O CLOCK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/O CLOCK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。2.4 RCM5700内置看门狗的利用由于需要通过A/D转换器对来自于气敏传感器的各种模拟量进行多次采样，外部干扰有可能会影响CPU的正常运行，从而引起混乱。但RCM5700自带有看门狗，看门狗电路作为程序运行监控器，每隔一定时间，由控制器向看门狗发出一个复位信号，使其复位端保持无效。程序一旦跑飞或进入死循环造成系统失效，由看门狗发出一个复位信号，使系统能尽快复位并恢复正常工作。2.5通信接口电路设计本设计中通信接口电路采用了RS-232实现，RS-232C是由美国电子工业协会（EIA）正式公布的，在异步串行通信中应用最广泛的标准总线。RS-232C 标准（协议）的全称是EIA-RS-232C 标准，其中EIA(Electronic Industry Association)代表美国电子工业协会，其中RS是Recommended Standard的缩写，代表推赠标准，232是标识符，C代表RS-232的最新一次修改（1969年），在这之前，有过RS-232A、RS-232B标准，它规定连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。现在，计算机上的串行通信端口（RS-232）是标准配置端口，已经得到广泛应用，计算机上一般都有12个标准RS-232C串口，即通道COM1和COM2。具体的RCM5700配置情况可以参考表33.1。表33.1 RCM5700配置情况其中电平转换芯片采用了MAXIM公司的单电源电平转换芯片MAX232实现。其典型电路连接如图33.2所示。图33.2 MAX232典型电路连接2.6电源转换电路设计系统中电源除了+5V以外，还包括了+3.3V，其电源转换电路采用了芯片LT1764-3.3实现+5V到+3.3V的转换，其电路连接如图34.1所示。图34.1 LT1764-3.3电源转换电路三、系统电路调试在进行硬件电路的实验调试时，首先检测电路板各个主要模块之间的连通性，即保证硬件电路焊接及连接无误，是否有短路、虚焊现象发生；对系统各硬件电路进行检测，保证各模块可以正常工作，同时保证各主要硬件电路可以由主控芯片Rabbit RCM5700模块进行控制；对系统主控芯片Rabbit RCM5700模块的通信进行测试；结合系统软件测试，利用硬件平台进行功能性检测，最终验证系统软硬件综合功能的实现。1）安装Dynamic C。2）将 RCM5700 模块安装在接口板上，用 USB 电缆连接接口板和电脑。3）植入软件程序，检测无误后，将驱动各功能运作。3.1模块的连通性调试该部分电路的测试主要完成各个主要模块之间连通性测试，包括了一氧化碳气体传感器和A/D转换器之间的连接、A/D转换器和Rabbit RCM5700模块之间的连接、LED与Rabbit RCM5700模块之间的连接、晶振以及蜂鸣器与Rabbit RCM5700模块之间的连接等。按照逐级检查的方式，对各个连接电路部分进行仔细测试检查，保证整体系统的连通性正确。连通性调试期间，各模块均以LED代替，外接一个发光二级管，控制每个端口的连接，直到各个接口灯亮，连通性调试结束。3.2系统各硬件的检测及控制性调试系统各硬件的检测及控制性主要包括了各主要模块的功能性验证，即一氧化碳气体传感器电路、键盘电路、LED显示等电路各自可以正常工作。同时为了保证各硬件控制性，利用主控芯片Rabbit RCM5700模块完成对各部分硬件电路控制性的测试，保证硬件电路各个环节工作正常且均可以由Rabbit RCM5700模块实现控制。1）放大电路与A/D转换电路的调试A/D转换电路的主要工作是对采集到的模拟输入信号进行正确的采样和转换，所得到的数字信号量应该与原模拟信号量一致。在试验中采用编组器产生模拟输入信号量，读取其A/D转换后的数字量经行比较。实验的结果表明A/D采样精度满足系统功能要求。2）一氧化碳气体检测测试此模块的主要功能是采集煤气气体浓度的信号，按照国际中规定，要求测量值同相应的实验气体浓度之差不超过5%LEL。3）串口通信模块测试串口通信调试主要借助串口调试助手实现RCM5700与PC机之间的通信，保证发送数据与接收数据正常。3.3系统主控硬件的通信性能调试系统主控硬件电路的通信性能调试主要是对RS-232电路进行调试和测试，保证通信可以正常运行。3.4系统软硬件综合性能测试结合系统软件测试，利用硬件平台进行功能性检测，即验证系统软硬件综合测试正常。主要包括了温湿度传感器电路、二氧化碳气体传感器电路、键盘输入、液晶显示等功能的正常。并实现各部分功能的综合测试。二氧化碳气体检测综合测试该综合测试主要在系统调试正常的情况下，验证一氧化碳气体综合测试情况。首先对某一环境下的一氧化碳气体进行检测，植入液晶屏，观察液晶显示屏显示的一氧化碳气体含量数值；其次，通过一些特殊手段，改变环境的一氧化碳气体含量，同时观察液晶显示屏显示的一氧化碳气体含量数值是否发生变化；当一氧化碳气体含量指标达到一定限制值时，报警电路是否可以正常报警。3.5系统误差分析放大电路的误差r1的计算。根据AD623的特征可知，其输入失调电压为100V；失调电压漂移为1V/；放大倍数G1是有0.35%的偏差。而其输入失调电压造成的误差在调试时会被电桥的调节补偿，放大倍数的误差也会在放大电路的调试中被补偿。假设系统工作环境的温