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        專注電子技術學習與研究
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        基于單片機的可燃氣體紅外探測控制器

        作者:huqin   來源:原創   點擊數:  更新時間:2009年09月27日   【字體:

        起訖日期:2009.5.10  ~  2009.6.14

        設計地點:單片機實驗室

           可燃氣體紅外線探測控制器設計是針對目前日常生活中危險性較高的可燃性氣體進行的檢測和控制。本設計主要詳細介紹了可燃氣體紅外線傳感器的工作原理、濃度采樣電路的工作原理以及AT89C2051單片機在可燃氣體紅外線探測控制器中的應用。

           可燃氣體紅外線探測控制器設計是基于傳統的可燃氣體報警器研制而成的。以基礎知識為引導,突出了技術的新發展。本設計采用普通的自激式開關電源供電,通過三端穩壓塊LM7805輸出5V電壓供給每一個電路。以濃度采樣電路為特色,減小了傳統氣敏元件的不穩定狀態。由單片機來完成可燃氣體濃度超限、信號通道故障的判斷。在設計過程中,對遇到的問題進行了歸納和總結,并給出了解決問題的方法。由于水平有限,時間倉促,在設計過程中難免會有錯誤,請專家給予指正。
         

        1  引言
        可燃氣體廣泛應用于日常生活中,給人們的生活帶來了很多方便,但同時也存在著不安全隱患?諝庵锌扇細怏w達到了一定的濃度,很可能發生爆炸、人員中毒等嚴重后果。隨著經濟的飛速發展,近年來有關可燃氣體爆炸的事件時有發生,特別是在石化、煤氣站、油庫等場所,泄露的可燃氣體必須加以監控,防范于未“燃”。為了保障人民生命和財產的安全,對可燃氣體應進行必要的檢測和控制。本論文從實際角度出發,詳細介紹了可燃氣體紅外線探測電路的實現和AT89C2051單片機在可燃氣體探測控制器中的應用。
        論文介紹了紅外氣敏元件傳感器的工作原理和使用方法、可燃氣體探測控制器的工作原理及軟硬件設計,從而實現對可燃氣體濃度超限、氣敏元件故障的判斷?扇細怏w濃度超限、氣敏元件短路或斷路故障采用有明顯區別的聲、光報警。電路具有自檢和輸出控制功能。
        基本功能以及技術要求:
        1、開關電源:220V交流輸入,5V直流輸出。
        2、設定可燃氣體濃度報警值范圍在1%~25%LEL之間。
        3、運行正常時,綠燈閃爍,蜂鳴器不報警。
        4、可完成聲、光設置手動自檢功能
        5、可燃氣體濃度超范圍報警:實行聲、光(紅色指示燈)報警。
        6、可控制電磁閥的通斷。


        4  元器件的選擇
        1.1  電源部分
        采用開關電源供電,經整流濾波后,LM7805輸入電壓為+8V,輸出為+5V支流電壓。
        開關電源的穩壓原理均采用脈沖調寬式的穩壓方式,開關電源效率高、電壓適應范圍寬本設計電路中加入了開關回路、電感、壓敏電阻等以提高電源的抗干擾能力。
        整流二極管流過的電流約0.3mA,直流電壓約300V,工作頻率大約50KHz,所以選用IN4007整流二極管、LM7805等器件?紤]功耗,R3、R4、R6、R7選用0.5W的電阻,其余電阻選用0.25W。C19、C20電容:CBB-400-100N-I

        1.2  濃度采樣電路元件選擇
        選用單運放AD8552,它的零點漂移小并且運算精度高。紅外線探測頭TPS2534,發光源IRL715。這是本次設計的特色之處。它通過探測不同波段的波長可測量不同的氣體。
        主要器件的選擇:
        探測器: TPS2534
        紅外線發射源:   IRL715
        恒壓源 : ADP3330
        高精度零漂移雙運算放大器:AD8552
        雙運算放大器:LMV358M
        1.2.1  IRL715
        IRL715紅外線源5V ;115MA; 直徑3.17mm,它被指定使用于以紅外線為基礎的氣體探測中,可達到的波長范圍從可見光的波長至4.4um。
        紅外線源特別適用于探測波長為4.6um左右的CO,因為在這個波段里玻璃透射性已經衰減了。
        手工焊接和波峰焊接的最高溫度為260度,停留時間不應超過10秒。
        1.光譜數據
        如圖7所示為一個燈照射波長上的透視圖,雖然這個曲線不像光譜發射強度曲線,但這對于我們了解氣體吸收特定波長,是一個有用的參數,垂直線表明了氣體吸收不同波段的位置。
        圖7
        圖7為厚度為1mm IRL715燈管的透射和選擇氣體吸收波段的位置圖。
        G1.G2等是perkinilmer ir (紅外線)濾波標識符
        2. 脈沖頻率于調制深度的函數關系
        如圖8所示為當燈被可變頻率5v 方波信號激勵時的一個典型以4um IR 波長的交流電信號。曲線表示的是一個低通特性,從中可以得到熱力時間常數為290MS。
        圖8
        圖8所示為:在波長為4.26um 時的調制深度與函數關系,這個信號源被可變頻率5V方波信號驅動在相對輸出為71%時(即3DB)確定了切口頻率fco和時間常數(T=1/21nfco)。
        3. 時效特征
        如圖9所示:是一個隨時間變化而變化的曲線圖。
        下面是兩種不同操作模式的測試。
        以直流方式理論電壓為5V的連續操作模式。
        以脈沖信號方式:周期為1S,最大值為5V的方波操作模式。
        在a)模式下運行了1500h后特性衰減到初始值的95%,之后接近于穩定不變。隨后出現少量的增加。
        在b)模式下發射強度在前1000h內幾乎不變,只有長時間的操作才能夠觀察到明顯的上升。
        數據顯示了在5V操作下IRL715的確出現了一次老化。所以我們考慮設計一個氣體探測器時,更可取的操作模式是b)模式。在這種操作模式下通過選擇一個較長的暫停信號時間可以延長發射強度的穩定輸出時間。同時,減少電壓將較大的延長最初的穩定時間。從燈的壽命來看,供給電壓減少10%,即4.5V。在此情況下,允許老化的時間為4000h,將供給電壓減少到4V將更能延長運行時間。
        圖9
        1.2.2 TPS 2534
        TPS2534帶有兩個光譜過濾器,用于氣體探測的雙熱電堆傳感器在TO-5中結構中有兩個獨立的帶有不同紅外線帶通過率器。內部帶有熱敏電阻。
        NDIR氣體探測通過通道監控信號的強弱來實現?梢愿鶕煌瑸V波器的組合實現不同的功能,標準濾波是在T1通道使用一個標準過濾器G20,在T2通道使用一個選擇過濾器.
        標準裝置:TPS2534  T2  T1/device number
        CO2:    標準氣體:TPS 2534 G2 G20/3197
        HC:  標準氣體:TPS 2534 G5 G20/3196
        CO: 標準氣體:TPS 2534 G1 G20/3195:
        CO,HC: 標準氣體:TPS 2534 G1 G20/3198
        CO2,NO: 標準氣體:TPS 2534 G1 G5/3199
        TPS2534有四個引腳:
        1腳:接熱敏電阻
        2腳接:T2通道
        3腳接:T1通道
        4腳接:接公共地
        1.產品的一般介紹
        熱電堆與紅外線發射成正比,在傳感器前面的紅外線帶通過濾器,對特殊氣體很敏感。TPS2534熱電堆大小與TO-5結構相似,單一傳感器內帶有兩個獨立的可選擇的IR 窗口電堆片。所使用的熱電堆各有一個1.2*1.2mm2紅外線發射傳感區域,傳感器在工作窗口和4個管腳的TO-5包裝有帶通過濾器,內部的熱敏電阻可以用作對周圍環境的傳感器和一個與紅外線發射的常數f函數一樣的輸出電壓,相當于一個低通特性的電壓傳感器和一個內阻有限的熱電堆。
        2.應用指導
        TPS2534中有一定內阻的熱電堆相當于一個電壓產生器,它輸出信號很小,所以需要放大。應選擇一個低漂移放大器。推介類型如下:CL7650、LT1112/LT1114、AD8551、AD8552、AD8571、AD8572等。熱敏電阻是連續可變的電阻,RV是用來確定通過熱敏電阻電流不超過5uA的電壓值,信號波動的產生取決于加熱情況。圖10 為TPS2534的基本應用電路
        圖10 基本應用電路
        1.3  單片機
            本設計要求體積小,檢測點和控制點不多,程序不長,因此選用ATMEL公司生產的51系列產品AT89C2051單片機。
        該單片機為雙列直插式DIP20封裝,內帶2K閃存ROM,有P1口、P3口,使用方便,指令與MCS-51系列兼容。片內程序存儲器為電擦寫型ROM,整體擦除時間僅為10毫秒,可寫入/擦除1000次以上,數據保存10年。
        該產品一般應用于室內可燃氣體場合,外界干擾較少,從經濟角度出發,單片機采用上電復位方式,復位時間由R8、C12決定,通常選200毫秒左右?紤]單片機的運行速度,選用常用的12M晶振頻率。再此頻率下,單片機一個機器周期為1微妙,運行速度較快。

        1.4  聲光報警
        單片機AT89C2051的P1口、P3口低電平時的吸收電流可達20mA,不需要外接驅動電路,可直接驅動發光二極管。所以選用LED雙色(紅、綠)共陽極發光二極管BT311057,經限流電阻直接連到單片機引腳。單片機高電平時,發光二極管不亮;低電平時點亮發光二極管。發光二極管的發光亮度強弱由流過它的電流決定,通常2mA以上就能保證發光二極管可靠發光,它的正常工作電流為8~10mA,發光二極管的壓降為1.5V。所以,選擇發光二極管的正常工作電流為10mA,則它的限流電阻可由以下公式計算:RL=(5-1.5)V/10mA=350Ω,取限流電阻為360Ω。
        蜂鳴器用來作為報警指示,選用直流型FM12-5V型號。蜂鳴器工作電壓為+5V,工作電流在20mA以上。單片機的驅動電流不夠,不能直接驅動,必須外接功率驅動。因此,選用PNP型三極管9012作為蜂鳴器的功率驅動,與基極相連的電阻取2K阻值,保證三極管工作在飽和狀態。

        1.5  自檢電路
        自檢電路通過按鈕觸點的閉合和松開來實現,按鈕選用不互鎖的KA8型號。按鈕常開觸點一端接電源+5V;另一端連到單片機輸入端并通過電阻接地。電阻值取100Ω,電阻兩端并聯電容是保證開關信號輸入的穩定。因此,按鈕按下時接+5V,松開時接低電平。單片機通過對應端的電平變化可檢測自檢電路的按鍵變化,通過程序完成自檢功能的實現。

        1.6  繼電器輸出控制電路
        繼電器是感性元件,驅動電流較大,單片機不能直接驅動,必須經過電路的轉換。繼電器選用SRS-05DC-SL型號,用直流+5V供電。三極管選用常用的PNP型9012、NPN型9013作為繼電器的功率開關。繼電器的常開觸電一端接7805穩壓電源的輸入端+8V,另一端接電磁閥。
        單片機對應引腳輸出低電平,三極管V3、V4導通,繼電器常開觸點吸合,供給外界電磁閥直流+8V電壓。接著,電磁閥動作,電磁閥常開觸點閉合,關閉氣源。二極管D6選用IN4007型號,在電路中起續流作用,保護三極管不被繼電器反電勢擊穿。
        電磁閥是感性元件,驅動電流較大,電磁閥選用ExiBIIBT3型號,采用直流+8V電壓供電;D11選用IN4007型號,在電路中起續流作用。


        2  軟件設計
        2.1  軟件設計流程圖

        2.2  軟件設計要求
        (1)、整個程序延時地方較多,因此設立10ms、200ms延時子程序
        (2)電磁閥的驅動電壓采用脈沖驅動方式。脈沖時間為20ms。
        (3)、按鈕檢測中采用軟件延時方法執行按鍵的去抖動
        (4)、正常工作時:秒循環顯示。1秒鐘內,綠燈點亮600ms,熄滅400(綠燈顯示)。
        (5)、可燃氣體濃度超限:秒循環顯示。1秒鐘內,蜂鳴器報警750ms,不報警250ms(紅燈常亮)。
        (6)、故障報警:200毫秒循環。200毫秒鐘內蜂鳴器報警100ms,不報警100ms。(黃燈常亮)


        結論
          近二個月的畢業設計很快就結束了,這是把自己三年來所學的知識進行綜合應用。通過這次設計,不但鞏固了自己的所學知識,同時也學到了許多書本上無法學到的知識,提高了自己的設計能力和動手能力,為自己走上工作崗位打下了扎實的基礎。
            在設計中,查閱了許多資料,拓寬了自己的知識面,解決了許多設計中遇到的問題。比如,在設計中,碰到了元器件選型問題。以前的知識僅局限于書本上,選何種元器件、取值多大等大都不考慮。以電阻為例,電阻有高精度和低精度之分,有金屬膜和碳膜等材料之分,有功耗瓦數之分,甚至有正溫度和負溫度系數之分。以前,僅考慮它們的阻值,其它的因素不考慮。通過這次設計,知道了如何選電阻以及怎樣選電阻。又如電磁閥、繼電器、電容、二極管等,有的沒有學過,有的學過也早忘記了。通過這次學習,又重新溫習了以前學過的知識,把丟了的部分重新撿起來,明確了各種元器件的功能,加深了感性認識。
        總之,通過這次畢業設計,自己學到了許多新知識,了解和掌握了產品設計的過程,使自己在質和量上都得到了較大的提高。

         
        致謝
           本論文得以完成,首先應該感謝黃馳老師。正是他們在本論文寫作過程中的悉心指導、熱情鼓勵,在繁忙的工作中抽出時間來為我修改論文,才能順利完成本次畢業設計論文。
        作為泰州機電高等職業技術學校的一名畢業生,我更要感謝各位任課老師們。他們學識淵博、治學嚴謹無時不在影響著我。學習的時間是短暫的,但老師們的影響卻是終生受益。在此對我的老師們深表感謝!
        在論文寫作過程中,好多同學、朋友也給了我巨大的幫助與鼓勵。在此一并感謝!
        學校生活即將結束,我相信,在未來的日子里我會更加努力學習,充分利用所學知識,回報社會、師長。


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