基于ADμC812单片机的可燃性气体监测报警仪的设计

摘 要：主要介绍可燃性气体监测报警仪的设计，他由可燃性气体传感器、信号放大电路、模/数转换、单片机、显示部分、键盘控制、报警输出、应用系统软件等组成。从传感器出来的微电流信号，经过放大电路进行放大后送入单片机内，单片机采用美国ADI公司生产的ADμC812型单片机，这款单片机带有8通道12位的A/D，可直接进行数据采集。此外，他的存储资源丰富、可进行在线编程，各方面均符合设计的要求。显示部分采用74LS164芯片和LED数码管进行显示；报警输出采用固体继电器与蜂鸣器控制报警；软件设计采用单片机C语言编程。

关键词：可燃性气体；传感器；报警仪；ADμC812单片机

中图分类号：TP368.1 文献标识码：B 文章编号：1004-373X(2008)02-181-03

Design of Ignitable Gas Alarm Detector Based on ADμC812

GAO Jingwei,LI Jun,HAN Yi

(Shaanxi Natural Gas Co.Ltd.,Xi′an,710016,China)

Abstract：In this paper,the design of ignitable gas alarm detector is described,ignitable gas alarm detector include the ignitable gas sensor,signal amplification circuit,A/D conversion,single chip computer,display,keyboard control,the alarm,the software and equipment calibration and so on.Micro-signals from the sensor,is enlarged by the circuit and is ran into single chip computer,the single chip computer is produced by the United States ADI Company.The type of single chip computer is ADμC812,this single chip computer has eight channels of 12 b AD,it can collect data directly.In addition,its performance is fine in store and program online.It can be applied to this design.The display part using 74LS164 chips and digital LEDS to display.The speaker that is controlled by solid black-white and the light emitter diode are used in the alarm.The design of software using C language programming.

Keywords：ignitable gas;sensor;alarm instrument;ADμC812 single chip computer

随着工业、农业化的发展，及时、准确地对易燃、易爆、有毒、有害气体进行监测预报和自动控制已成为当前天然气、煤炭、石油、化工、电力等部门急待解决的问题，人类对生态环境净化的要求也越来越高，不仅要求监测、监控、检测易燃、易爆、有毒、有害气体，而且为确保身心健康，减少环境污染环境，还要求研制出各种高灵敏度、超小型、多功能化的气体传感器。 近年来,可燃性气体传感器的研究和开发十分活跃,国外从20世纪30年代开始研究开发可燃性气体传感器,至今已经走过半个多世纪,品种到达数百种。

1 气体传感器的分类及应用

气体传感器种类繁多,分类方法目前尚无统一标准。根据气敏特性分类,主要分为半导体式、固体电解质式、电化学式等几类。

(1) 半导体式气体传感器

自从1962年半导体金属氧化物陶瓷气体传感器问世以来,半导体气体传感器由于具有灵敏度高、响应时间快等优点,其产品发展非常迅速,按检测不同气敏特征量的方式可分为电阻式和非电阻式2种。

电阻式半导体气体传感器主要是指半导体金属氧化物陶瓷气体传感器,其电阻随着气体含量不同而变化。非电阻式半导体气体传感器MOS二极管式和结型二极管式以及场效应管，其电流或电压随着气体含量而变化,主要检测可燃性气体。此类气体传感器的主要优点是灵敏度高,但制作工艺比较复杂、成本高。

(2) 固体电解质气体传感器

固体电解质气体传感器是一种以离子导体为电解质的化学电池。20世纪70年代开始,固体电解质气体传感器由于电导率高,灵敏度和选择性好,获得了迅速的发展,目前环保、节能、矿业、汽车工业等各个领域均有应用,仅次于金属氧化物半导体气体传感器。

(3) 电化学式气体传感器

电化学式气体传感器可分为原电池式,定电位电解式、电量式,离子电极式4种类型。原电池式气体传感器通过检测电流来检测气体的浓度。定电位式传感器是通过测量电解时流过的电流来检测气体的浓度,和原电池式不同的是,他需要由外界施加特定电压,他除了能检测CO,NO,NO2,O2,SO2等气体外,还能检测血液中的氧浓度。电量式气体传感器是通过被测气体与电解质反应产生的电流来检测气体的浓度。离子电极式气体传感器出现得较早,通过测量离子极化电流来检测气体的浓度。电化学式气体传感器主要的优点是检测气体的灵敏度高,选择性好。

2 可燃性气体监测报警仪硬件电路设计

(1) 可燃性气体监测报警仪方案设计

可燃性气体监测报警仪是由可燃性气体传感器、信号处理电路、A/D转换电路、ADμC812型单片机、显示电路、设置按键、信号输出电路和应用系统软件等组成。其系统设计框图如图1所示：

ADμC812单片机是美国AD公司推出的一种新型单片机，他是AD公司多年生产A/D,D/A转换器的经验和成熟的51单片机技术结合在一起的高性能微转换器，其性价比高，是一个完全可编程、自校准、高精度，全集成的12位模拟数据采集系统。系统由模拟多路开关、温度传感器、采样保持电路(T/H),8通道12位单电源逐次逼近ADC，2个12位DAC,ADC至RAM捕获DMA控制器以及可编程的8位MCU(与51兼容)等组成，ADμC812单片机数据采集电路自身不需要51单片机内核的过多干预，设定转换时间标准、基准电压和最小化数字噪声的工作都被自动完成，达到数据检测与控制的高效性与精确性。

(2) 信号放大电路设计

由于此设计所用的气体传感器是感应可燃性气体浓度的变化，并将其浓度转化为微弱的电流信号。所以必须采用专用的信号放大电路，并且对电路的要求非常严格。否则，将无法精确的检测可燃性气体浓度并进行准确报警。其信号放大电路如图2所示。

这是一款用于三电极可燃性气体传感器的信号放大电路。所用的3个电极分别是：工作电极(S)、对电极(C)、参考电极(R)。从传感器电极端子出来后的电压经过稳压管稳压，并将此电压作为一个基准，这就相当于一个“电桥”。当空气中CO的浓度稍有变化便会影响这个“电桥”的变化，从而传感器就会很应到气体浓度的变化，从传感器出来的信号通过差动放大电路进行放大并输出其浓度值。

(3) 电源部分电路设计

单片机及所连接的芯片工作电压要求为是+5 V或+9 V，这里先将220 V的电压通过交流到直流的转换器转换到+9 V，再将+9 V的电压通过稳压器稳压到+5 V。然后，根据单片机和其芯片所需进行供电。考虑电源部分的抗干扰的问题，有必要加上光电隔离，以防止影响整个仪器的正常工作。其主体电路的原理图如图3所示：

(4) 显示和按键电路设计

可燃性气体监测报警仪的显示电路可采用LED或LCD进行显示，这里采用串并转换芯片74LS164 与数码管LED进行显示。其中，串行接口芯片74LS164 为移位寄存器,分别用6个数字7段的LED静态显示驱动器和接口,而74LS164 时钟输入的CLK 接低电平有效的片选信号。每次输出待显示数字的7段编码的其中1段编码值,送8 次可在LED上显示1位数字。其电路连接如图4所示，此外，设计中所用的按键电路是通过按键和上拉电阻构成，如图5所示。

(5)报警功能电路设计

当可燃性气体浓度达到报警点时，为了使操作人员不致忽视，以便及时采取措施，通常有2种方法：闪光报警，因为闪动的指示灯更能提醒人们注意；鸣音报警，发出特定的鸣音，作用于人的听觉器官，易于引起和加强警觉。以上这2种报警统称声光报警。其控制电路原理如图6所示。

本设计通过2个红色的LED发光二极管和1个蜂鸣器进行报警。其中2个红色的LED分别代表一级报警和二级报警。输出报警电路是通过对继电器的控制来控制蜂鸣器进行报警。要求继电器的控制电压为5 V，被控制电压为220 V。(6)其他电路设计

除了以上所必须的电路外，还应该与一部分电路相配合才能使ADμC812单片机正常工作。如复位电路、时钟电路、发光二极管驱动电路、下载跳线以及上拉电阻等。

(7) 串行通信电路

串行通信是单片机与PC机进行通讯所必须的环节。ADμC812单片机片内含有1个全双工的串行接口,在串行通讯中采用RS 232C标准。RS 232C标准的电平采用负逻辑，规定+ 3～+15 V之间的任意电平为逻辑“0”电平，-3～-15 V之间的任意电平为逻辑“1”电平，与TTL和CMOS电平不同。在接口电路和计算机接口芯片中大都为TTL或CMOS电平，所以在通信时，必须进行电平转换，以便与RS 232C标准的电平匹配，MAX 232芯片可以完成电平转换。其硬件电路如图7所示。

3 可燃性气体监测报警仪的软件设计

软件设计可采用单片机C语言设计，总程序设计包括：A/D转换模块设计、显示模块设计、按键设置模块设计等。其流程图如图8所示：

4 结 语

可燃性气体监测报警仪虽然用途非常广泛，但是其精度也受到各方面因素的制约。最主要的是报警仪标定，这是一项复杂的工作，直接影响着报警仪的测量精度。如果没有进行精确的标定，其将直接影响仪器的正常工作。

参 考 文 献

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注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。