0╲u00100╲u00100╲u00100一氧化碳气体检测报警仪的设计

1、SHANDONG毕业设计说明书一氧化碳气体检测报警仪的设计学 院：电气与电子工程学院专 业：电气工程及其自动化学生姓名： 孙雯 学 号： 0812207005 指导教师： 刘连鑫 2012年6月40中文摘要摘要本设计主要用于检测煤矿井下作业场所一氧化碳气体的含量。本系统采用单片机对传感器检测的一氧化碳气体浓度进行处理，实时显示气体的浓度值，产生相应的声光报警信号提醒工作人员注意。同时，为提高检测精度，系统采用温度补偿措施以补偿传感器温度特性。由上可知，本系统由以下几部分组成：以具有高集成度的AT89C52单片机为核心；采用全球工程巨头英维思公司生产的monox compact-s型一氧化碳传感

2、器，具有高灵敏度和高稳定性，使数据采集更加可靠准确,与运算放大器OP07构成了信号调理电路；采用ADS1110数模转换器构成数模转换电路；利用单总线温度传感器DS18B20构成温度补偿电路，并附加相应的软件设计，来补偿传感器的温度漂移特性；为了便于观察，采用LED数码管利用驱动电路和显示电路实时显示一氧化碳的浓度，并设置了声光报警电路；此外，还采用了红外远程遥控完成参数配置，利用RS-485通信接口，进行远程数据传输，并设计了电流输出电路和频率输出电路。关键词：CO气体检测，AT89C52，电化学传感器，DS18B20温度补偿、远程传输英文摘要ABSTRACTThis design is ma

3、inly used to the detect the content of carbon monoxide gas of Coal mine working underground place. The system uses SCM to deal with the concentration of carbon monoxide gas detect by sensor, display concentration of gas in every moment，to produce audible and visual alarm signal to remind staff. Mean

4、while ,to improve the degree of precision of detection，the system adopts the measure of temperature compensation to makeup for the character of temperature sensor.Thus it can be seen that the system comprises of the following parts：using the AT89C52-monolithicmachine with large scale intergration as

5、 the core；putting the side of monox compact-s carbon sensor into use which is produced by the global engineering giant Invensys corporation and has high sensitivity and steadiness to make the collection of data more accurate，which makes up signal opsonization circuit with operation amplifier.employi

6、ng ADS1110 digifax change circuit ；making use of unibus temperature sensor DS18B20 to make up temperature compensation circuit，and addition to appropriate soft design to compensate the character of temperature sensors.To observe easyly，adopting LED digital tube with driving circuit and manifestation

7、 circuit to shoy the concentration of carbon，at the same time setting up sound-optical alarm circuit；besides，putting infrared remote control to complete parametrical disposing；using RS-485 communication interface to transmit long-distance data accompaning with electric current output circuit and fre

8、quency output circuit.Keyword：CO gas detection, AT89C52, electrochemical sensor, DS18B20temperature compensation, remote transmission目录目录摘要IABSTRACTII第一章 引 言11.1 研究课题的背景与设计要求11.2气体传感器的国内外现状及差距11.3 未来传感器的发展方向3第二章 课题的总体设计方案选择42.1 两种方案的设计42.1.1 方案一的论证42.1.2 方案二的论证42.2 系统方案的确定与组成5第三章 一氧化碳报警器的硬件芯片介绍63.1单

9、片机的简述63.2传感器芯片结构与参数83.2.1电化学传感器简单介绍83.2.2传统两电极一氧化碳传感器83.2.3新型三电极一氧化碳传感器103.2.4 一氧化碳传感器的主要参数123.3 运算放大器OP07芯片173.4 A/D转换器ADS1110173.4.1 ADS1110的结构和参数173.4.2 ADS1110的使用183.5 传感器温度补偿器芯片DS18B20193.5.1 DS18B20的特征：193.5.2 DS18B20的工作原理203.6 驱动器MAX7219资料简介213.7 RS-485收发器MAX487223.8 8050的芯片介绍22第四章 一氧化碳报警器电路原

10、理模块的介绍244.1 一氧化碳传感器信号转换与放大电路244.2 数模转换模块254.3 DS18B20的外部接口电路264.4 LED的串行显示驱动电路264.4.1 MAX7219与AT89C52的硬件连接264.4.1 MAX7219驱动LED数码管显示电路274.4 RS-485串行通信协议274.5.1 RS-485通信特点274.5.2 MAX487 与 AT89C52的接口电路284.6 红外信号接收电路284.7 频率和电流输出电路设计294.7.1 频率输出电路294.7.2 电流输出电路294.8 声光报警功能电路设计314.9 5伏电源模块设计32第五章 气体检测报警仪

11、的软件设计335.1 主程序流程图335.2 ADS1110的转换流程图335.3 采样数据处理软件滤波算法335.4 MAX7219驱动LED显示345.5 串行通信程序设计355.6 声光报警流程图35结论36参考文献37致 谢38附录39第一章 引言第一章 引 言1.1 研究课题的背景与设计要求一氧化碳是一种无色，无臭，无味的剧毒气体。标准状况下气体密度为l.25g/L，和空气密度（标准状况下1.293g/L）相差很小,这也是容易发生煤气中毒的因素之一。如果人体短时间内吸收较高浓度的CO，或浓度虽低，但吸时间较长，均可造成急性中毒。CO与血红蛋白结合能力超过氧和血红蛋白的结合能力的200

12、-300倍，当CO与血红蛋白结合形成的碳氧血红蛋白含量达到5%时，就会对人体产生慢性损害，是人体感觉到疲劳，导致出现类似流感的症状，如头痛，头晕，虚弱等，达到一定程度就会使人死亡。在煤矿井下，CO超过24ppm的浓度后，就会对人类的生命构成威胁。因此，迫切需要一种能够很好的监控室内一氧化碳浓度的仪器，并且在一氧化碳浓度过高时能够报警提高人们注意力，保护人们生命财产安全。当今，单片机微型计算机技术迅猛发展，由单片机技术开发的智能化测控设备和产品广泛应用到各个领域，单片机技术产品和设备促进了生产技术水平的提高。而此次的一氧化碳报警器检测系统正是单片机应用系统中的一种。单片机系统由软件和硬件构成。程

13、序的集合构成了单片机的软件系统；在CPU的基础上，将输入和输出接口电路，存储器和时钟电路等集成在一个芯片上，还可以再接一些振荡器等电路，构成了单片机的硬件系统。单片机系统软件和硬件是邮寄的整体，既相互独立又密不可分，后者是前者的基础，前者是后者的灵魂。本文的一氧化碳报警器就是单片机应用系统的一种典型应用，要求能够检测一氧化碳气体浓度，并且在气体浓度超过给定值时候报警，以保障人们的生命安全。1.2气体传感器的国内外现状及差距国外从20世纪30年代开始研究及开发气体传感器，且发展迅速，一方面是因为人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高; 另一方面是因为传感器市场增长受到政府安

14、全法规的推动。随着传感器生产工艺水平逐步提高，传感器口益小型化、集成度不断增大，使得气体检测仪器的体积也逐渐变小，提高了气体检测仪器的便携性，更加利十生产、运输及市场推广。1963年5月，日本开发完成第一台接触燃烧式家用燃气泄漏报警器，次年12月其改良产品问世，改良的报警器可以检测燃气、一氧化碳等气体，可以安装在浴室或者采用集中监视。美国也通过立法要求在家里或是商店工厂等公共场所安装一氧化碳报警器。我国在研究的初期，主要是利用国外的一些核心技术和先进的生产工艺。后来逐步完善生产系统，研究自己的传感器技术，是气体传感器更进一步的轻巧便携，测量准确。目前国家科学院对新型的气体传感器进行大力支持，所

15、以气体传感器有着良好的发展前景。目前的情况是：（1）以Sn02、Zno和Y一F为主要材料的烧结型气敏元件仍然占生产的绝大部分；经过科研人员的努力，我国在接触燃绕式气敏元件的生产上研发了新的设备，并创新了生产方法；另外，电化学气体传感器还处于初步研制和应用阶段;（2）在结构上，工艺上，以及材料方面均有所改善。其中，有代表性的是，研制了复合的补偿结构，具有更好的催化性能的表面膜和隔离层，也尝试将一些制作收音机的半导体材料，二氧化硅，石英晶体等与制作气敏传感器相结合。（3）像CO，CH4等一些气体传感器也尝试从降低功耗方面进行研究，并产生初步成效，已投入市场。（4） 我国的气敏元件传感器的产量也是日

16、益剧增，从九十年代初期的四百万支，到一九九八年产量超过六百万支，到二零零零年已达到上千万支。应用范围也日益广泛，从最初的军事，煤矿，到现在的家庭，图书馆等公共场所，都安装着气体报警装置，维护着社会的安全。总的来说，我国的一氧化碳报警器技术有了一定的基础和发展，但与日本、美国等国外先进技术水平仍要落后几年，主要在芯片生产集成技术以及系统的产业化应用上有一定的差距。 1.3 未来传感器的发展方向随着微电脑和微电子技术的日益普及和应用,对传感器的各种性能有了更高的要求。传感器的发展,主要有以下几个方面:(1)新特性由于生产技术的不断提高，对传感器的特性的多样化有了更高的要求，要求精度更高，检测范围更

17、广，响应速度更快，气体的抗干扰能力更强。(2)寿命长现有的传感器使用寿命大多在一到两年，而且需要定期的检修。长寿命的传感器不仅可以节约资金，还节省了更换检测的人力物力。(3)小型化传感器太大不易与其他元件和芯片集成一体化。(4) 新材料气体传感器的发展与新材料的研究密不可分。每一次新材料的产生都使气体传感器有了更进一步的发展。像半导体材料，高压分子膜，集成技术等都在传感器的设计中得到了充分的应用。第二章 总体设计方案第二章 课题的总体设计方案选择2.1 两种方案的设计2.1.1 方案一的论证图2-1 方案一的设计框图方案一：本设计方案采用了AT89C52单片机控制系统，由运算控制放大器构成信号

18、放大电路和电流电压的转换电路，再经过数模转换电路，向单片机控制系统输入信号。其中，由于电化学传感器易受周围温度的影响，故在本设计中采取了由热敏电阻构成的温度补偿电路。此外，还添加了红外遥控电路和声光报警电路。在远程传输系统中使用了RS232串行通信，并由此传送给上位机。在输出方面设置了LCD液晶显示，还设计了频率输出和电流输出电路。2.1.2 方案二的论证方案二：本设计方案中，在温度补偿方面选用了温度补偿芯片DS18B20，并运用一定的运算原理，进行相应的温度补偿。在显示上，使用了max7219芯片驱动显示电路，它与单片机用三根导线就能连接，运用硬件和软件程序的相结合可以使LED显示。在远程传

19、输方面，使用了RS485串行通信，与上位机相互传输数据。图2-2 方案二的设计框图2.2 系统方案的确定与组成方案选择：在温度补偿方面，二者的选择不同，方案一运用了温度补偿电路，方案二运用了温度补偿芯片，后者更稳定，且它有独特单的总线接口，只需要一个端口引脚线即可与单片机实现通信，性能比较稳定。在显示上，虽然LCD液晶显示器具有重量轻、体积小、功耗极低、显示内容丰富的特点，但是矿下的粉尘较多，肯能会造成LCD屏面模糊，不方便观察。而使用max芯片驱动的LED灯使观察更明显。在远程传输过程中，RS-485比RS232具有更远的传输距离，更高的稳定性。它的最远传输距离可达1200m，此时的数据传送

20、速率是100Kbps。所以我们选择RS485进行远程数据的传输。综上所述，我们采用方案二。第三章 硬件芯片介绍第三章 一氧化碳报警器的硬件芯片介绍 一个课题的设计都需要一些基本知识作为基础。本课题属于单片机系统的设计，需要硬件知识和软件知识相结合。其中软件设计主要是编写一些程序，以实现数据的获得和处理。硬件方面主要为硬件电路的设计，以实现电路的信号采集，转换，放大，驱动，存储，隔离等功能。实现这些功能则需要一些芯片作为基础，本章主要对课题设计所需的相关芯片进行简单的介绍。软件设计部分在第五章介绍。3.1单片机的简述单片机又称微型控制器，是一种电路集成芯片。采用超大规模集成电路将主处理器CPU，

21、存储器ROM/RAM，I/0接口电路，时钟电路，中断系统等集成在同一芯片上，再加上一些外围电路和器件等，就构成了一个简单的单片机系统。本文使用的是美国美国ATMEL公司生产的AT89C52型单片机。它采用ATMEL公司的非易失性存储技术和高密度复合材料生产，可以兼容MCS-51与8052系列产品。它片内内置8位的中央处理器，含8KB的只读存储器可用于反复擦写，含256KB的随机数据存储器，还有Flash闪存，此外，内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线，功能齐全。 图3-1 AT89C52的管脚图AT89C52的管脚图如图3-1所示。（1）电源引脚GN

22、D（20脚）：接地；VCC（40脚）：接+5V工作电源；（2）时钟引脚XTAL1(19脚)：此引脚作为外部振荡器信号的输入端，接外部晶体的一个引脚。XTAL2(18脚)：接外部晶体的另一端。（3）输出/输入接口引脚P0口（P0.0P0.7）：8位双向I/O接口。可驱动8个TTL负载，即可作为通用的I/O接口进行数据的输入和输出，也能作为单片机系统的地址线/数据线使用。P1口（P1.0P1.7）：8位准双向I/O口。可驱动4个TTL负载，其中P1.1和P1.0具有第二功能。P1.1用作定时器/计数器2的外部控制端口，P1.0用于T2的计数脉冲输入端。P2口（P2.0P2.7）：8位准双向I/O口

23、。既可以作为通用I/O口使用，也可以作为高8位地址线使用。P3口（P3.0P3.7）：8位准双向I/O口。每一位还具有第二功能。P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）（4）控制引脚RST(9脚)：即为RESET,为单片机的掉电保护端或上电复位端。ALE/PROG（30脚）：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。/PSEN

24、：外部程序存储器的选通信号。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。3.2传感器芯片结构与参数3.2.1电化学传感器简单介绍一氧化碳是一种由有机物质不完全燃烧产生的气体。 通常产生CO的设备是缺乏通风的锅炉或加热电器，或是排出废气的车辆等。由于一氧化碳无色，无臭，无味，在它成为有害的，甚至是致命的浓度之前，人体是无法检测到的。有许多不同的技术可用来检测大气中的一氧化碳，但其中很多方法会遇到部分或全部下列问题：非特异性 - 气体传感器过于敏感的污染和背景气体，而导致误报。高功率的要求 - 传感器需要一个恒定的电流输入，保

25、持一个稳定的信号，这就排除了使用便携式电源或电池供电。超大 - 传感器太大而不能和便携设备一体化。短命 - 传感器功能使用时间短，需要频繁重新校准或更换。电化学技术旨在解决所有这些问题，当前一代的传感器为设备制造商提供了方便并且可靠的检测气体的方法。电化学传感器可以被认为是简单地将气体浓度的物理特性转换成可以通过仪器处理的电信号的转换器。其本质是，一氧化碳分子被转换成导电性的物质，当它通过一个电路时可以产生一个可以使用合适的电路测量的电流。3.2.2传统两电极一氧化碳传感器电化学传感器的最简单的形式描述如下。两个电极都沉浸在一种导电的溶液（电解液）。一氧化碳分子与水发生反应的电极，称为工作电极

26、（或感应电极），并转化为二氧化碳，产生的质子（氢离子）和电子（e-）。导电物质转移到其他氧气存在的电极上，再生成水分子。因此，净反应是CO转化为CO2，条件是存在氧气。将两个电极放入一个包含电阻的电路中，就可以衡量其电位差。使用欧姆定律（V = IR），电阻两端的电压降是成正比的电流，因此就是有毒气体传感器目前的浓度。图3-2两电极电化学元件 图3-3 串联电阻的两电极元件电极电化学传感器包含一些电极，这些电极通常是PTFE膜表面上的活性过渡金属混合物，这样才能有一个非常高的表面积。这些金属作为一种电化学反应的催化剂，即他们加快了化学反应，却不改变自己的性质。从理论上讲，这些电极有无限的使用寿

27、命，因为他们不受他们身边正在发生的进程的影响。然而，在实践中，少量的杂质气体和其他物质会随着时间的推移会逐渐腐蚀电极，减少它们的活性，并导致灵敏度低。 monox电极的设计已经克服了这个缺点，并提供了一个很长的工作寿命。电解质所有的电化学传感器在电极之间包含一种反应物质是能够移动的导电介质。由于一氧化碳反应涉及质子酸性溶液中稳定，Monox传感器含有少量的硫酸。传感器在使用期间电极必须保持在“湿”的状态，以确保在一氧化碳氧化所产生的质子有一个可用的途径使他们能达到反电极。硫酸是吸湿的，这意味着，它在不断平衡传感器外部的相对湿度。在潮湿的条件下，传感器将通过电极膜吸收水，反之在干旱条件下，元件就

28、会失去水。正是这些最常见的条件不可逆地损害了上一代的传感器。然而，Monox一氧化碳传感器的设计足以应付极端湿度的情况至少5年。3.2.3新型三电极一氧化碳传感器参考电极早期一氧化碳传感器只包含上面提到的两个电极，一个工作电极和一个对电极。这样的安排是一般适合低浓度的一氧化碳检测并且响应时间不是关键。然而，在更高水平的一氧化碳（>1000 ppm）存在时，两个电极的设计，有一种产生输出漂移的倾向。这是因为催化CO氧化反应的工作电极，开始电能分化使其远离最佳工作电位。一旦电极足够远离其最佳电位，其催化反应的能力将大大降低，电池的输出受到相应影响。为了克服这种局限性，对一个额外的电极，参比电

29、极，进行了介绍。这种电极与工作电极和反电极有相同的制定方式，就是沉浸在导电介质中，但不作为催化剂参与任何电化学反应。其目的就是提供一个稳定的电位，使电流通过整个工作电极时是可衡量的。这通过使用一个电位电路来实现，并在后面的章节中描述。毛细孔控制作用所有的传感器都利用限制可以进入传感器的某种目标气体的数量的一些方法。最常实现的方法是使用被称为毛细孔的在传感器顶部的一个小孔。这个毛细孔可以限制到达传感器的工作电极的速率，并确保传感器信号的线性度和重复性。进入传感器的气体入口率是受到扩散控制的，因此和周围的气体浓度成正比。然而，压力瞬态（分步进行环境压力变化）可以成为强行进入传感器的气体，并产生一个

30、信号迅速衰减。为了避免这种情况，仪器制造商应确保该传感器在可能遭受压力的微小变化的情况下，使用一个膨胀室。在没有采样系统只是用传感器简单的测量周围气体的情况下，压力并不是主要问题。过滤工作电极的设计是为了提供一种能够长时间进行氧化反应的高活性的催化表面的能力。然而，使用的金属催化剂往往反应太强烈，以至于他们在催化一氧化碳反应时附加进行其他的电化学反应。这样的话，导致电极能够与存在气体样品中的其他气体反应，并产生比高于预期的输出。气体传感器制造商通常会提供一个带过滤器的传感器，在这些交叉干扰的气体到达工作电极之前就消除掉。这些过滤器的特点可以分为两大类;吸附 - 污染物被吸附到过滤器的表面，当元

31、件接触到净化空气时，则解吸。因此，过滤器的使用寿命是无限的。计量 - 过滤与污染物进行化学反应，将他们变成不能工作电极反应的物质。由于是没有催化反应，过滤器被消耗，它的使用寿命是依赖于它所受到的污染气体的浓度。在大多数应用中，monox传感器中包含一个吸附的过滤器，可以去除大部分的污染气体。过滤器在传感器的内侧，以优化其效率，并用来为整个传感器的工作时提供元件保护。这种过滤器的设计用以满足并超越UL2034的要求。传感器的设计传统的电化学电池元件是基于酸电解质中电极的“堆栈”原理，包含在塑料或金属的外壳中，如下面的图3.3所示。通过使用一种被压缩在电极之间和沉浸在电解槽里的吸水材料，使电解质和

32、电极之间保持联系。气体入口受传感器上的毛细管孔控制，使气体分子到达工作电极下方的盖子顶面控制。传感器通常提供额外的PTFE膜，保护元件对抗压力的波动。图3-4 三电极电化学元件的传统设计monox进一步优化了这种设计，Monox已经开发出一种置于工作电极，反电极和参考电极上的膜。它作用于一个平面的多功能电极不仅形成一个更简单的制造过程，还使元件成本降到最低。参考电极从其他电极进行机械筛选活跃，使气体不能到达它，吸液芯机制简化。如图3-5所示Monox设计。单元设计还包含一个非常小的后部通风口，目前有两个原因：1、为了让氧气到达传感器的背面，由此为反电极反应的发生提供电力。2、使传感器缓解对压力

33、的波动。图3-5 Monox电化学元件的设计3.2.4 一氧化碳传感器的主要参数传感器的主要参数为：灵敏度/输出信号，跨度，响应时间，线性，重复性，温度依赖性，分辨率，最大过载，漂移。下面分别对每个特征进行了讨论。 基准线这似乎有理由认为，在无一氧化碳的情况下，一个电化学元件会产生零输出。然而，情况并非如此。在恒电位电路中，电化学元件不断产生少量的电流，称为基线。此电流是由于电子噪声耦合于工作电极的电化学侧面反应而产生的。基准电流通常是非常小的，不到几百nA的，但在传感器和元器件集成时应考虑。例如，假设在校准时，传感器用干净的空气净化三分钟，然后仪器接触一氧化碳。如果仪器假定元件在空气中不产生

34、电流，并使用零作为基准数字，当它在传感器的灵敏度的基础上试图计算出气体浓度时，它会提供一个略高的不正确的结果。出于这个原因，我们建议，在校准过程中，仪器仪表设计出来衡量一个零气体接触后的元件基线，这个数字被用来计算产生的一氧化碳气体解除的电流量。灵敏度/输出信号所有的电化学传感器规定灵敏度或输出信号。这个数字衡量由元件接触一氧化碳而产生电流的多少。例如，Monox-S是一个定义为80 NA / PPM输出信号提供。这意味着，传感器每接触1 ppm的一氧化碳，它会产生80 nA的电流。因此，如果元件接触250 ppm的CO，它会产生80×250= 20000 NA（或20 mA）的电流

35、。 这种关系也可以从传感器产生的电流量来计算目前气体浓度是多少。例如，如果仪器内的传感器接触到气体样本后产生5.2 mA的电流，则一氧化碳浓度是（5200/80）= 65 ppm的。跨度这是由于只针对目标气体传感器产生的不包括基准电流的电流被定义为跨度。例如，用干净的空气归零，传感器的基准测量电流是25nA。传感器目前测得的电流185 nA。因此传感器的跨度为（185 - 25）= 160nA，等同于2 ppm的Monox-S 的CO传感器（请注意，如果跨度计算基准不忽略，仪器测得气体浓度为2.3 ppm，会产生15%的误差）。根据上述三个定义，我们提出以下关系：IB为基准电流(nA)，$为灵

36、敏度(nA/ppm)，I为元件接触CO所产生的电流(nA)。响应时间当传感器接触于目标气体时，它产生的输出电流呈反向指数上升，如图3-6所示。为了量化传感器对气体反应的速度，通常用传感器的响应时间测量，通常被援引作为T90或T95。这是指传感器从开始反应到达到整个跨度的百分之90时所用的时间。T90的响应时间的确定方法如图3-7所示。图3-6 传统的CO反应 图3-7 T90的响应时间计算线性电化学元件在不同浓度的气体之间在零和它的最大量程之间的能力称为线性。 Monox传感器不同，并不是所有的电化学传感器能够产生一个天然气的逐步改变和从预期的输出偏差迟滞的线性输出。一个典型的实验，其中Mon

37、ox传感器受到气体浓度的增加和记录其输出如图3-8所示。所有Monox传感器将显示在他们的整个工作范围线性产生小于5的偏差。图3-8 线性的Monox一氧化碳传感器温度依赖性化学反应发生的速度涉及到分子动力学。由于分子在较高的温度运动更迅速，所以在高温下化学反应发生更快。相反，如果要反应缓慢需要降低温度。这意味着，外界环境温度的不同，电化学传感器的响应在小范围会有所不同。这种变化并不大，可以很容易地使用含有热敏电阻网络的仪器或利用嵌入式软件补偿。由于传感器的基线和输出信号是由化学反应作用的，所以这些参数都受温度变化的影响。图3-9和3-10显示Monox-S的传感器（这些图表显示了一批8个传感

38、器的数据）的变化。图3-9 传感器基线的温度依赖性 图3-10 传感器输出的温度依赖性分辨率传感器的分辨率是元件是能够区分最小的气体的浓度。 Monox传感器的电流范围，定期校准，提供1 ppm的分辨率，整个测量范围为0 - 5000PPM。这使仪器设计者对于他们的仪器能准确地分辨气体样品具有高度自信。最大过载所有的电化学传感器来定义一个测量气体可操作的范围。如果超出这个范围，也就是超过最大负载，传感器就可能变成非线性。不像许多其他的商业传感器，Monox NGT组传感器不会被曝光过度而损坏。然而，他们可能需要用新鲜空气进行较长时间的调节，以达到一个稳定的基准。漂移虽然在电化学传感器的电极催化

39、不受一氧化碳反应的影响，但他们正在逐渐减少整个生命周期的传感器效率。这是因为少量的污染物，如有机蒸气和硫化合物，在腐蚀催化剂的表面。随着时间的推移，传感器的输出信号在逐步向下漂移，这个漂移的结果在图3-11所示。图3-11 传统的Monox一氧化碳传感器的输出信号漂移从图中可以看出，Monox传感器输出信号的漂移是非常缓慢的，并可以很容易地定期校准与补偿。本文中使用的传感器操作参数为：响应范围 ： 0-5000 PPM； 输出信号： 40±4nA/ppm；响应时间（T90）： <40秒； 温度范围： -20至+50ºC；工作寿命：空气中6年； 偏置电压 ： 无；方位敏

40、感性： 无； 存储 ： -40至70°C ， 10-95RH ；R.H范围：10-95RH（非冷凝）， 5-98间歇；线性 ：0-1000PPM<5 ，1000-5000 PPM<10；底线 ： 0-40 ±10PPM ， 40 - 50±20PPM；工作压力：大气压±10 ；重复性：0-500PPM，空气<1，500-5000PPM，<2，1000PPM，222；3.3 运算放大器OP07芯片OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25V），所以O

41、P07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。特点超低偏移： 150V最大。 低输入偏置电流： 1.8nA 。低失调电压漂移： 0.5V/ 。 超稳定，时间： 2V/month。 图3-12 OP07管脚图电压范围： ±3V至±22V 。OP07芯片引脚功能说明： 1和8为偏置平衡(调零端)，2为反向输入端，3为正向输入端，4接地，5空脚 6为输出，7接电源+ 3.4

42、 A/D转换器ADS11103.4.1 ADS1110的结构和参数ADS1110是一个分辨率高达16位的数模转换器，对微弱的信号以高分辨率进行测量，并且每秒采样可以高达240次进行转换。片内的基准电压为2.048V。提供范围为±2.048V的输入差分电压。ADS1110 使用可兼容的I2C串行接口,在2.7V至5.5V的单电源下工作。下图是ADS1110的内部结构图。图3-13 ADS1110的内部结构图 图3-14 ADS1110的引脚排列ADS1110的引脚功能ADS1110串行AD转换器采用6引脚贴片封装，其引脚排列如图3-14所示。VDD：电源端，通常接+5V；GND：模拟地

43、和数字地；VIN+、VIN-：采样模拟信号输入端，其范围为2.048 V2.048 V；SCL：I2C总线时钟线；SDA：I2C总线数据线。3.4.2 ADS1110的使用1、工作方式ADS1110的工作方式有两种:单周期转换和连续转换。在单周期转换方式下，在转换寄存器中的ST/位被置位为“1”时，ADS1110上电，对信号进行转换，转换后将结果置入输出寄存器中。此时转换寄存器中的ST/ 置为0，失电。在连续转换方式下，ADS1110不停地进行转换，转换寄存器的高低电平对其没有影响。转换结束后，ADS1110立即将结果置入输出寄存器中，然后开始下一轮的转换。若将ADS1110从连续转换方式切换

44、到单周期转换方式，则在完成当前的转换后，对ST/复位，并去电。2、I2C接口 I2C接口是一个两线的输出接口，接口的漏极开路。通过I2C接口用一条总线就可以使多个元件与主机连接。一条I2C总线由两条线路组成：SDA线和SCL线。SDA传送数据；SCL提供时钟。所有数据以8位为一组通过I2C总线传送。为了在I2C总线上传送1位数据，须在SCL为低电平时驱动SDA 线至适当的电平(SDA 为低则表明该位为“0”，为高则表明该位为“1”)。一旦SDA线稳定下来，SCL线被拉高，然后变低。SCL线上的脉冲以时钟将SDA位一位一位地移入接收器的移位寄存器中。I2C总线是双向的；SDA线可用来发送和接收数

45、据。当主机从从机中读取数据时，从机驱动数据线；当主机向从机发送数据时，主机驱动数据线。主机总是驱动时钟线。ADS1110绝不会驱动SCL，因为它不能用作主机。在ADS1110中，SCL只是一个输入端。3.5 传感器温度补偿器芯片DS18B20气体传感器特性总是会因环境温度、湿度的影响而变化，气体报警器要能够有效实现对环境气氛的监控，有效避免误报、漏报，提高测量的准确性，必须对气体传感器进行有效的温、湿度补偿和修正。因此，在温度测量系统中，采用抗干扰能力强的新型数字温度传感器是解决这些问题的最有效方案，新型数字温度传感器DS18B20 具有体积更小、精度更高、适用电压更宽、采用一线总线、可组网等

46、优点，在实际应用中取得了良好的测温效果。3.5.1 DS18B20的特征：独特单总线接口，只需要一个端口引脚线即可实现通信；每个器件的片上ROM 有一个独特64 位串行码存储；多点能力使分布式温度检测应用得到简化；不需要外围元件；能用数据线供电，供电的范围3.0V5.5V；测量温度的范围：-55+125 （-67+257）；从-10+85的测量的精度是±0.5；温度传感器分别率由用户从9-12 位中选择；在750ms 内把温度转换为12 位数字字（最大值）；可采用8 引脚SO（150mil）、8 引脚SOP 和3 引脚TO-92 封装；软件兼容DS1822 器件；3.5.2 DS18

47、B20的工作原理图3-15 DS18B20温度测量原理框图DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s 减为750ms。DS18B20测温原理如图3-15所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2 的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开

48、始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图3-17中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。3.6 驱动器MAX7219资料简介MAX7219是双列直插式芯片, 如图3-16所示, 其中SEGASEGF是7段驱动输出端, 直接驱动LED对应的7个段( SEG DP为小数点驱动输出端) 。BIG3BIG0分别接4个共阴显示器的阴极。DIN是待显示信息的数据输入端, 以串行方式移入内部的16 位寄存器中寄存。CLK是时钟脉冲输入端( 最大频率10MHz) , 在每个C

49、LK 脉冲上升沿的作用下, DIN端的1位数据被移入内部寄存器。 图3-16 max7219芯片管脚图LOAD端是装载数据输入端, 在DIN端输入数据时, 它应保持高电平。当一组数据(16bit) 被移入内部寄存器后, 由LOAD脉冲的上升沿锁定16位数据, 最高位(B15)位首先被移入, 然后按顺序移入, 直至B0位被移入。DIN：行数据输入端。当CIK为上升沿时，数据被载入内部移位寄存器。 CLK：串行时钟输入端。其最大工作频率可达10MHz，在CLK的上升沿，数据移入内部移位寄存器中，在时钟的下降沿，数据从DOUT端输出。LOAD：片选端，当L OAD为低电平时，芯片接收来自DIN的数据

50、，接收完毕，LOAD回到高电平时，接收的数据将被锁定。 DIGODIG7：吸收显示器共阴极电流的位驱动线。其最大值可达500 mA，关闭状态时，输出 + Vcc。SEGASEGDP：为驱动显示器7段及小数点的输出电流，一般为40mA左右，可软件调整，关闭状态时，接入GND。 DOUT ：串行数据输出端，需经过16.5个时钟周期DOUT端的数据才有效，通常直接接入下一个MAX7219的DIN端。其中,B3B0位为5个控制寄存器的命令字或4个LED显示器待显示的内容。由于控制寄存器与显示寄存器均独立编址,所以可以单独对每个寄存器编程。一般情况下, 先送控制命令,后向显示寄存器送数据, 但必须注意,

51、 每16bit为一组, 必须先送地址字节, 后送数据字节。3.7 RS-485收发器MAX487在远程控制芯片中选择了MAX487。它是由接收器和驱动器构成。用于半双工通信。虽然传输速度不高只有0.25Mbps，但具有强烈的抗干扰能力，所以传输距离比较远，可达到上千米。适用于本设计系统在煤矿与控制室之间的传输。最低能检测到200mv的信号， 图3-17 MAX487管脚图使传输数据即使距离很远也可以得到精确的恢复。MAX487共有8个管脚，其管脚分布和管脚功能分别如图3-17和表3-1所示。表3-1 管脚功能图3.8 8050的芯片介绍表3-2 8050芯片参数介绍第四章 电路原理模块的介绍第

52、四章 一氧化碳报警器电路原理模块的介绍4.1 一氧化碳传感器信号转换与放大电路精确的电路结构将依赖于电源和输出的要求。电路试图使工作电极和参考电极保持在相同的电位。要达到这一点，对电极中有电流通过。所需电流的大小与元件观测到的一氧化碳的浓度成正比。这种控制电路被称为恒电路。图4-1 信号放大电路电路图如4-1所示。这种电路工作于±5V。选择运算放大器OP07是因为它的高开环增益，相对低噪声和低输入电压。其中最后一条很重要，否则，在输出端将会产生偏移。两个运算放大器都有输入失调电阻。如图3-13显示，OP-AMP1选择一个反馈电容作为一个滤波器。OP-AMP2必须选择阻值很小的电阻，否

53、则它将会通过一个很大的电势，在参考电极和工作电极产生一个显著的电势差。在实践中，以为OP07的输入失调电压很小，所以在0V到正向输入端的电阻可以省略。参考电极和工作电极就像两个同相输入端一样维持在0V。CO的介入导致OPAMP1的输出相对于参考电极产生负的摆动。电流从OPAMP2流入OPAMP1。OPAMP2作为一个电流电压的转换器，每80nA的输入电流产生0.8mV的输出电压。相当于2ppm的一氧化碳。由于OPAMP2是容性负载，所以应当插入一个10K的电阻（R7）保持稳定，并用来防止高容性负载的电路振荡。两个运算放大器的同相输入端经过微功率的稳压二极管接地，其接入保证两个放大器的同相输入端

54、的电压稳定在1.235V，第一个放大器在输出点处加了一个反馈电容，起过滤作用。第二个放大器主要是对信号起放大作用，其偏置电阻必须很小，否则会在其上面产生电压降落，参考电极和工作电极会有电压差。实际上，因为OP07有一个很小的输入偏置电压，所以其输入偏置电阻上的电压降落可以被忽略。4.2 数模转换模块本模块是ADS1110在AT89C51系统应用。通过ADSl110对所获得的电压信号进行数模转换，所获得的数据由I2C总线进行传输到单片机内。ADSl110数据线SDA至单片机的P1.0，时钟线SCL连接单片机的P1.1，上拉电阻阻值选10 k。图4-2 ADS1110的接线图4.3 DS18B20

55、的外部接口电路在外部电源供电方式下，DS18B20工作电源由VDD引脚接入，此时I/O线不需要强上拉，不存在电源电流不足的问题，可以保证转换精度，同时在总线上理论可以挂接任意多个DS18B20 传感器，组成多点测温系统。注意：在外部供电的方式下，DS18B20的GND引脚不能悬空，否则不能转换温度，读取的温度总是85。图4-3 DS18B20与单片机的连接4.4 LED的串行显示驱动电路4.4.1 MAX7219与AT89C52的硬件连接图4-4 MAX7219与单片机的接口电路如图4-4是MAX7219与89C52的硬件连接图。AT89C52工作在内部ROM 状态下, 即EA接高电平。用单片

56、机的P0.0作串行数据输出, P0.1模拟MAX7219 时钟脉冲CLK , 而P0.2则模拟其LOAD信号。另外, 18和19脚连接1个电阻是必要的。电阻R29为亮度控制电阻，其最小值为9.53K，对应的段电流为37mA，当用于矿下显示时，可以接可调电阻，便于调节LED显示的亮度。4.4.1 MAX7219驱动LED数码管显示电路 图4-5 MAX7219驱动LED显示电路MAX7219 的SEG ASEG F、SEG DP分别直接并接至7 段LED 显示器对应的a f 以及dp端, BIG0BIG3分别接4个共阴极7段LED显示器的阴极。软件设计可以实现为每位LED的位地址送入不同的值显示。4.4 RS-485串行通信协议4.5.1 RS-485通信特点RS-485总线,在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485 串行总线标准。RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。根据RS485工业总线标准，RS485工业总线为特性阻抗120的半双工通讯总线，任何时候只能有一点