用于可燃?xì)怏w信號(hào)采集的數(shù)字顯示探頭設(shè)計(jì)方案

　　可燃?xì)怏w測(cè)量?jī)x器是一種廣泛用于石油化工、天然氣、礦井、冶金、油庫(kù)等眾多易燃易爆場(chǎng)所的檢測(cè)設(shè)備。該設(shè)備對(duì)可燃?xì)怏w測(cè)量主要是通過單點(diǎn)或多點(diǎn)測(cè)量，但隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步已逐漸發(fā)展成通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)儀表數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)測(cè)量的監(jiān)控系統(tǒng)。用這樣的一個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控、采集被測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的可燃或有毒氣體，可以及時(shí)地把被測(cè)氣體的濃度通過液晶顯示出來。當(dāng)氣體濃度達(dá)到報(bào)警值時(shí)，就會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，并記錄下報(bào)警時(shí)間，以便事后的檢查。而采集到的信號(hào)將被傳送給計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，通過關(guān)聯(lián)的聯(lián)動(dòng)模塊觸動(dòng)閥門以打開排氣、排風(fēng)設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)可燃?xì)怏w的安全控制。因此設(shè)計(jì)一款能穩(wěn)定并實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)可燃?xì)怏w信號(hào)的數(shù)字顯示探頭就尤為重要。

　　1 系統(tǒng)工作原理

　　可燃?xì)怏w報(bào)警器由傳感器檢測(cè)電橋、直流放大器、A/D轉(zhuǎn)換單元、零點(diǎn)、量程調(diào)整單元、單片機(jī)以及報(bào)警顯示電路和輸出電路等部分組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。首先，傳感器送來的與可燃性氣體濃度相對(duì)應(yīng)的微小電壓信號(hào)經(jīng)過放大后，由A/D轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后送入單片機(jī)。單片機(jī)再對(duì)該數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波處理，并對(duì)處理后的數(shù)據(jù)加以分析，以確認(rèn)是否大于或等于某個(gè)報(bào)警值。若大于報(bào)警值則啟動(dòng)報(bào)警電路發(fā)出聲光報(bào)警，反之則為正常狀態(tài)。然后該數(shù)字信號(hào)被送到顯示單元以顯示相應(yīng)的濃度值。

　　2 硬件電路設(shè)計(jì)

　　2.1 可燃?xì)怏w傳感器

　　經(jīng)過試驗(yàn)對(duì)比，該設(shè)計(jì)采用半導(dǎo)體金屬氧化物可燃?xì)怏w傳感器TGS842。這種具有高穩(wěn)定性的傳感器需要在一定的高溫下工作，以實(shí)現(xiàn)其氧化還原反應(yīng)，所以必須要有電壓來為其加熱，而加熱電壓是由+5 V的電源提供。該傳感器的測(cè)量方式為：由其構(gòu)成惠斯登檢測(cè)橋路，當(dāng)含有可燃性的混合氣體擴(kuò)散到檢測(cè)元件上時(shí)，在氣敏元件表面將會(huì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，使電阻阻值發(fā)生變化，打破電橋平衡，產(chǎn)生大小與可燃?xì)怏w濃度成正比的微小電壓差信號(hào)，從而達(dá)到檢測(cè)可燃?xì)怏w濃度的目的。過程如圖2所示。

　　2.2 信號(hào)調(diào)理電路

　　傳感器輸出的信號(hào)是微弱信號(hào)，需經(jīng)過集成運(yùn)算放大器OP07進(jìn)行線性放大處理，以滿足A/D轉(zhuǎn)換電路對(duì)電平信號(hào)的要求。但在信號(hào)輸入前，需加入一個(gè)具有 100個(gè)電阻值，并能對(duì)漂移信號(hào)進(jìn)行精確調(diào)節(jié)的高精度數(shù)字電位器X9C103對(duì)輸入漂移信號(hào)進(jìn)行調(diào)零，使其不進(jìn)入運(yùn)算放大器OP07。具體流程為：電橋輸出的信號(hào)一端經(jīng)X9C103(P3.4控制)調(diào)零后;進(jìn)入OP07的反相輸入端(2腳)，而輸出電壓V。則通過電阻R9接到反相輸入端(2腳)和調(diào)零端(1腳)以保證引入的是負(fù)反饋;另一端由同相輸入端(3腳)引入放大器，經(jīng)放大后由另一個(gè)X9C103(P3.5控制)實(shí)現(xiàn)量程的外部調(diào)節(jié)。

　　信號(hào)經(jīng)過2個(gè)數(shù)字電位器到達(dá)A/D轉(zhuǎn)換單元。A/D轉(zhuǎn)換單元由TLC549芯片實(shí)現(xiàn)，它以8位開關(guān)電容逐次逼近的方法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)A/D轉(zhuǎn)換。模擬信號(hào)有ANVIN引入，它通過，CLOCK和DATA OUT與AT89C51通信。當(dāng)變?yōu)榈碗娖胶?，TLC549芯片被選中，同時(shí)前次轉(zhuǎn)換結(jié)果的最高有效位MSB(A7)自DATA OUT端輸出。接著CLOCK端輸出8個(gè)外部時(shí)鐘信號(hào)，前7個(gè)CLOCK信號(hào)的作用是配合TLC549輸出前次轉(zhuǎn)換結(jié)果A6～A0，并為本次轉(zhuǎn)換做準(zhǔn)備。在第4個(gè)CLOCK信號(hào)由高變低后，片內(nèi)采樣保持電路對(duì)輸入模擬量采樣開始。第8個(gè)CLOCK信號(hào)的下降沿使片內(nèi)采樣保持電路進(jìn)入保持狀態(tài)，并啟動(dòng)A/D 開始轉(zhuǎn)換。

　　為了使電路能夠可靠穩(wěn)定的工作，采用X5045實(shí)現(xiàn)電路監(jiān)視功能。X5045有一個(gè)可設(shè)定200 ms，600 ms，1.4 s或禁止的看門狗定時(shí)器。在本電路中X5045被設(shè)置為1.4 s的定時(shí)器。硬件電路如圖2所示，在單片機(jī)程序中，每隔一定的時(shí)間間隔放置一條“喂狗”指令(即在P1.6輸出一個(gè)下降沿)，該時(shí)間間隔應(yīng)小于1.4 s，以保證程序正常運(yùn)行時(shí)X5045不會(huì)溢出;當(dāng)程序出現(xiàn)異常，該時(shí)間間隔將超過1.4 s導(dǎo)致X5045溢出，并通過RST引腳送出一個(gè)復(fù)位信號(hào)使單片機(jī)復(fù)位，重新開始運(yùn)行程序。

　　2.3 輸出單元

　　傳感器的現(xiàn)場(chǎng)電壓信號(hào)由電壓/電流變換器轉(zhuǎn)換成4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)后傳送給上位機(jī)控制系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)變換成4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，采用XTRl05精密電流變送器。它內(nèi)含1個(gè)高精度的儀表放大器、1個(gè)電壓/電流變換器和2個(gè)相同的O.8 mA精密恒流源基準(zhǔn)。傳感器的電壓信號(hào)由13腳輸入;3，4腳之間接滑動(dòng)電阻以調(diào)節(jié)輸出滿幅值;1，2，14腳接電源，I/O腳接24 V電源正端(且是環(huán)流注入端);7腳通過負(fù)載電阻RL接電源負(fù)端(也是環(huán)流信號(hào)輸出端);8，9腳外接BD235三極管，該三極管是4～20 mA電流回路的主要電流傳導(dǎo)器件，能將外部電源電流與XTRl05的內(nèi)部消耗嚴(yán)格地分開。

　　2.4 零點(diǎn)、量程調(diào)整及報(bào)警單元

　　本探頭的量程為O～100%LEL，可針對(duì)不同環(huán)境對(duì)零點(diǎn)及量程做適當(dāng)調(diào)整。按鍵電路采用霍爾元件A44，它可置于表頭內(nèi)部，提高了探頭的安全性，從而改進(jìn)了按鍵易受腐蝕，不利于裝置密封的缺點(diǎn)。在外磁場(chǎng)的作用下，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度超過導(dǎo)通閾值時(shí)，霍爾輸出管導(dǎo)通，輸出低電平。相反，則霍爾輸出管截止，輸出高電平。對(duì)于可燃?xì)怏w檢測(cè)儀，聲光報(bào)警部分必不可少。當(dāng)可燃?xì)怏w濃度小于安全值時(shí)綠燈亮，但可燃?xì)怏w濃度大于安全值時(shí)紅燈亮，同時(shí)伴隨蜂鳴器響。即當(dāng)檢測(cè)到可燃?xì)怏w在空氣中所占的比例超標(biāo)時(shí)，就發(fā)出聲光警報(bào)，防止由可燃?xì)怏w含量過高而發(fā)生意外事故。如圖3所示。

　　2.5 電源模塊設(shè)計(jì)

　　控制系統(tǒng)采用統(tǒng)一的24 V直流電源供電，但是AT89C51和TGS842傳感器需要+5 V電源，而OP07需要-5 V電源，這就需要電壓轉(zhuǎn)換單元。可用MC34063芯片來實(shí)現(xiàn)+24 V到+5 V的電壓轉(zhuǎn)換。MC34063芯片是單片式DC/DC變換器。圖4為采用MC34063芯片構(gòu)成的開關(guān)降壓電路。當(dāng)芯片內(nèi)部開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電流經(jīng) MC34063的1腳、2腳給電感L1，L2，電容G3和負(fù)載供電，同時(shí)電感L1，L2存儲(chǔ)能量;當(dāng)內(nèi)部開關(guān)管斷開時(shí)，由電感L1，L2繼續(xù)給電容C3和負(fù)載供電，輸出+5 V電源電壓。如圖5所示。

　　ICL7660內(nèi)含四個(gè)模擬開關(guān)S1～S4，由內(nèi)部振蕩器控制、按一定順序通斷。兩個(gè)普通的電解電容C2和C3分別接到腳2和腳4以及腳5。當(dāng)S1和S3 閉合，S2和S4斷開時(shí)，C2被充電至+5 V。過一段時(shí)間，當(dāng)S1和S3斷開，S2和S4閉合時(shí)，C2上的電荷便向C3上轉(zhuǎn)移。數(shù)次循環(huán)后，C3上的電壓便等于-5 V，從而實(shí)現(xiàn)了正電壓到負(fù)電壓的變換。

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的軟件功能主要包括：被檢測(cè)氣體濃度信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換、防脈沖干擾平均值濾波、狀態(tài)指示燈及按鍵功能設(shè)置、用液晶顯示模塊顯示氣體濃度值和報(bào)警電路設(shè)計(jì)等。主程序流程如圖6所示。

　　3.1 報(bào)警電路的設(shè)計(jì)

　　報(bào)警程序的設(shè)計(jì)思想是首先將報(bào)警值輸入Xmax單元，然后獲取本次采樣值Xi與Xmax進(jìn)行比較。若小于報(bào)警值，則本次采樣正常，可將正常值送入 RESULT單元，并置標(biāo)志位O(表示正常)。若大于報(bào)警值，則轉(zhuǎn)入報(bào)警處理。進(jìn)行報(bào)警處理時(shí)，首先判斷上一次采樣是否正常，如果正常，即可重新采樣，置允許檢測(cè)不正常次數(shù)N，然后在轉(zhuǎn)入報(bào)警處理程序;如果不正常，則檢測(cè)一下是否連續(xù)N次不正常。是，則報(bào)警;不是，則再把剩下的允許連續(xù)不正常的次數(shù)Z存入計(jì)數(shù)單元，然后再進(jìn)行報(bào)警處理，置本次采樣不正常標(biāo)志返回主程序。報(bào)警電路程序流程如圖7所示。

　　3.2 濾波電路的設(shè)計(jì)

　　工作環(huán)境的變化可能會(huì)使氣體傳感器在對(duì)氣體濃度采樣時(shí)遇到尖脈沖干擾。這種干擾一般持續(xù)時(shí)間短，峰值大。在對(duì)其進(jìn)行數(shù)字濾波處理時(shí)，僅僅采用算術(shù)平均或移動(dòng)平均濾波只能對(duì)脈沖干擾進(jìn)行1/n處理，其剩余值仍然較大。最好的策略是去掉將受干擾信號(hào)的數(shù)據(jù)，即防脈沖干擾平均值濾波法。算法是：對(duì)連續(xù)的n個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，去掉最大和最小的2個(gè)數(shù)據(jù)，將剩余數(shù)據(jù)求平均值。為了加快數(shù)據(jù)處理速度，n的取值為8。

　　但是該算法還存在一個(gè)不足之處，就是每采集一個(gè)數(shù)據(jù)就要進(jìn)行一次排序，這樣會(huì)大量占用系統(tǒng)時(shí)間。解決的辦法就是在系統(tǒng)中用兩個(gè)變量來存儲(chǔ)當(dāng)前n個(gè)數(shù)據(jù)的最大值和最小值在這個(gè)數(shù)組中的偏移量，只有被新輸入數(shù)據(jù)覆蓋的數(shù)據(jù)正好是當(dāng)前的最大或最小值時(shí)，才會(huì)在下個(gè)數(shù)組中查找最大或最小值;這樣在其他情況下，只要將輸入數(shù)據(jù)與最大值和最小值比較就可以修改最大值和最小值了，而且不用進(jìn)行數(shù)據(jù)排序。濾波電路軟件流程圖如圖8所示。

　　4 結(jié)語

　　本文所設(shè)計(jì)的可燃?xì)怏w數(shù)字顯示探頭具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、測(cè)量精度高、利于密封和可維護(hù)性好等特點(diǎn)。該儀器用LCD顯示可燃性氣體濃度，在其濃度達(dá)到設(shè)定濃度時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警。具有的故障自診斷功能能快速重復(fù)檢測(cè)和延時(shí)報(bào)警。同時(shí)報(bào)警器還能與上位機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，既可以實(shí)時(shí)傳送氣體濃度檢測(cè)數(shù)據(jù)給控制系統(tǒng)以記錄保存，也可以利用上位機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)檢測(cè)和聯(lián)動(dòng)裝置的控制等功能。