双传感器补偿的气体报警器的设计

1、测控综合实训论文双传感器补偿的气体报警器的设计专 业： 测控技术与仪器班 级：学 生 姓 名： 王倩倩学 号： 29107027指 导 教 师： 何一文完 成 日 期： 2010年12月摘要：近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。本系统是以单片机的基本语言汇编语言来进行软件设计，使指令的执行速度快，节省存储空间。为了提高对传感器的认识和了解，尤其是对温度传感器的深入研究以及

2、其用法与用途，基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。本文利用单片机结合传感器技术而开发设计了这一传感器补偿报警系统。文中传感器理论单片机实际应用有机结合，详细地讲述了利用一氧化碳气体传感器探测环境中一氧化碳浓度并在超标时实时报警的过程，以及实现数摸转换的原理过程。本设计应用性比较强，设计系统可以作为任何气体环境监控系统。利用单片机实现特性补偿调节并通过单片机实施浓度监控报警。设计后的系统具有操作方便，控制灵活等优点。本设计系统包括温度传感器，A/D转换模块，输出控制模块，放大电路，多路采样，声光报警，串行通信等部分。文中对主要部分功能、实现过程作了详细介绍。关键词： 单片机；一氧化碳传感器

3、；温度补偿；报警器；正文：传统补偿方式一般有硬件补偿和软件补偿两种。所谓硬件补偿是指直接使用温度传感器在电路中对气体传感器进行补偿，这种方式虽然简单，但只有在温度传感器和气体传感器的温度特性一致时，才能很好地补偿；很难实现宽范围的气体传感器和温度传感器的特性匹配。软件补偿方式通过传感器的温度特性曲线拟合进行算法补偿，这种方式是以一定的特性曲线作为基础，对不同的工作环境和不同传感器的温度特性，用算法处理和查表修正以得到不同的补偿效果。该方式较为复杂，对特性离散的传感器，拟合效果差。为了解决这个问题，本文提出采用双传感器补偿方式，具体来说就是选用两个特性一致（实际上只能做到非常接近）的气体传感器来

4、实现补偿，把其中一个气体传感器A密封代替温度传感器，对另一气体传感器B进行补偿.这样的补偿方式，不仅能较好地拟合气体传感器的静态温度特性，而且对传感器的动态温度响应也能同步实现补偿。一、设计方法双传感器补偿的气体报警器，采用了两个同类型气体传感器，使用MS-51（8051）微控制芯片进行数据采集、处理、修正和报警控制系统分别对两个气体传感器进行采样，系统原理图如图1.1图1.1系统原理通过一定算法处理去除传感器测量值中的温度响应部分，而得到完全的气体响应数据。 设传感器测量值VA=A，VB=B，则无温度影响的气体响应VO为： VO=|VA-VB| （1-1）根据VO的值判断是否报警.系统可根据

5、MCU程序设定，MCU控制流程如图。图1.2 MCU控制流程如图MCU可对传感器进行多次采样，以减少误差；在判断报警时，采用多次判断，在一定时间内连续三次显示气体浓度高于限定值时，才确认状态，进行报警，这样可减低误报率。选择使用单点即时或多点延迟报警方式。报警输出采用声、光报警形式.在本系统中，由于采用内嵌MCU的算法处理和软件补偿方式，不仅省去了琐碎的硬件电路，大大提高了系统的可靠性和抗干扰能力，也使系统的智能控制得以加强。二、硬件原理设计框图此双传感器报警器主要由传感器、MCU系统、报警电路组成。该电路主要由一个A/D转换芯片ADC0804和一个8051单片机组成，A/D转换芯片有8位的A

6、/D接口，气体和温度敏感信号直接由A/D口采集后，经过CF741运算放大器进行信号交A/D0804进行数摸转换，然后由单片机8051汇编程序进行补偿。双传感器补偿的气体报警器设计的电路如图2.1所示图2.1气体报警器设计的电路图三、CF741放大电路模块CF741是单片高性能内补偿运算放大器。具有较宽的共模电压范围，在使用中不会出现闩锁现象。可用作积分器、求和放大器及普通反馈放大器。可以设计所需要的放大倍数，而且CF741比较廉价，使用它可以适合设计的条件下，达到降低设计成本的目的。（1）运算放大电路的结构如图2.16所示，此为CF741的引脚图。图2.16 运算放大器CF741引脚图该部件主

7、要特点：（1）需外部频率补偿：（2）具有短路保护；（3）失调电压调到零的能力；（4）较宽的共模和差模电压范围；（5）功耗低；（6）无阻塞现象。引脚功能说明：IN+同向输入； IN-反向输入；OA1、OA2调零；OUT：输出；V+正电源； V-负电源。图2.17 为通用型集成运算放大器741简化电路，输入级中v1、v3和v2、v4，共集-共基组合差分电路v5 v6有源负载，构成双端变单端电路。中间级中v7、v8复合管，共发射级具有高增益。输出级为v11v13图2 17 集成运算放大器741简化电路.（2）同相比例运算电路图2.18所示电路，输入信号uI通过R2加到集成运算放大器的同相输入端。电阻

8、Rf跨接在输出端与反相输入端之间，使电路工作在闭环状态。图2.18的电路称为同相比例运算电路，可得uo=(1+RfR1)ui(2-1)图2.18同相比例运算电路上式表明，输出电压和输入电压ui成比例关系，比例系数是1+ Rf /R1，而且u0 与ui同相位。为了保证差分输入级的静态平衡，电阻R2=R1/Rf。四、报警闪灯，声音控制图2.22报警闪光电路其接口电路如图2.22所示，8051的P1.0口控制声音报警。P1.1控制绿灯提示环境中的一氧化碳浓度在正常范围，由P1.2口控制使其闪光报警。当超过警戒值时，通过软件延时产生50ms的方波写入P1.0口和P1.2。P1.0输出信号通过音频放大芯

9、片LM386放大驱动蜂鸣器报警。使其产生“滴，滴”的报警声。为满足其在音量上的需要，采用了8，6W的蜂鸣器，以刺耳的声音提醒管理员。在闪光灯上P1.2口置高电平使三级管导通，发光二级管闪光。五、电源电路设计电源电路的作用是提供稳定的+5V 直流工作电压，供试验板工作，电源电路如图2.23 所示。该试验板采用交流电源供电和USB 供电两种方案。图2.23电源电路使用交流电源供电时，需要外接一个220V变9V的电源变压器，功率为15W左右即可。变压器次级线圈输出的9V交流电压通过J4 引入，再经过全桥QD2 进行全波整流，C19、C20 滤波，IC6稳压后，输出稳定的+5V直流工作电压。全桥QD2

10、 的内部有4 个二极管组成，由于形状是圆形的，因此通常称它为“园桥”。将4 个二极管封装在一个圆形的模块内主要是便于安装。常用的全波整流模块除了园桥以外，根据形状不同还有方桥和单列直插式的扁桥等。无论是园桥、方桥、还是扁桥，作用都是一样的，其内部的4 个二极管都连接成全波整流电路。在全桥引出的4 根线中，标有波浪线符号的两个管脚接交流电9V；标有“+”号的管脚为正极输出，标有“”号的管脚为负极输出。图2.23 中9V 的交流电压经全桥QD2 全波整流后，输出的脉动直流电压经过电容C19、C20滤波、三端集成稳压器IC6稳压以后，从IC6的第3脚输出稳定的5V 直流电压，该5V电压再经过C21、

11、C22 进一步滤波后，输出更加平滑、稳定的直流电压。IC3 是7805 型三端稳压器，外形如图2.24 所示。图2.24 7805型三端稳压器7805参数:表2.1 7805工作参数 7805型稳压器输入、输出端电压差通常取3V7V之间比较合适，如果输入、输出电压差过大，当电源电流较大时容易发热，因此使用时最好加装散热片。图2.23中C20、C22的作用是滤除掉线路上的高频脉冲干扰，由于电解电容对高频电脉冲滤波效果较差，因此在电解电容C19、C21两端各并联了一个0.1uF的瓷片电容，瓷片电容的高频滤波性能要比电解电容好得多，因此可弥补电解电容高频滤波较差的不足。发光二极管LED10 为电源指

12、示灯， R39 为LED10 的限流电阻，该电阻的阻值通常取500 欧姆1K之间，该限流电阻的阻值取的越大，LED亮度越小，反之，限流电阻越小，LED亮度越高，对于高亮度的发光二极管，有时限流电阻的阻值可以取2K以上的。电源指示灯要用绿色的，这是行业标准，除了电源指示灯以外，该板剩余的所有LED 全部用红色的，以达到醒目的效果。在电源+5V 的输出端还串接了一个30 欧姆的保险电阻R38，该电阻由于阻值很小，正常工作时两端的电压降极小，不会影响电路的正常工作；但是在业余调试、试验的时候，如果出现负载短路的意外发生，尤其是板子上出现电源短路的情况时，此时该电阻就能起到限制输出电流，保护电源及负载

13、元件的作用。图2.23 中CZ1 为USB 电源插头，正极要接在保险电阻R38 的左侧，使USB 取出的电流要经过保险电阻R38 以后再供给负载使用。平时试验时可使用USB供电，当板子调试完成，作为正式控制产品使用时，就不可能长时间的连接在电脑上，因此要用外接9V变压器供电六、小结目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录象机、摄象机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。七、参考文献1.Semiconductor Technical DATA for MC68HC05P6A Motorola Semiconductor 19982.林友德、郭享礼传感器及其应用技术上海科学技术文献出版社 1992.13.朱明程等 智能一氧化碳报警器原理与设计