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基于单片机的可燃气体红外探测控制器

作者:huqin   来源:原创   点击数:x  更新时间:2009年09月27日   【字体:

起讫日期:2009.5.10  ~  2009.6.14

设计地点:单片机实验室

   可燃气体红外线探测控制器设计是针对目前日常生活中危险性较高的可燃性气体进行的检测和控制。本设计主要详细介绍了可燃气体红外线传感器的工作原理、浓度采样电路的工作原理以及AT89C2051单片机在可燃气体红外线探测控制器中的应用。

   可燃气体红外线探测控制器设计是基于传统的可燃气体报警器研制而成的。以基础知识为引导,突出了技术的新发展。本设计采用普通的自激式开关电源供电,通过三端稳压块LM7805输出5V电压供给每一个电路。以浓度采样电路为特色,减小了传统气敏元件的不稳定状态。由单片机来完成可燃气体浓度超限、信号通道故障的判断。在设计过程中,对遇到的问题进行了归纳和总结,并给出了解决问题的方法。由于水平有限,时间仓促,在设计过程中难免会有错误,请专家给予指正。
 

1  引言
可燃气体广泛应用于日常生活中,给人们的生活带来了很多方便,但同时也存在着不安全隐患。空气中可燃气体达到了一定的浓度,很可能发生爆炸、人员中毒等严重后果。随着经济的飞速发展,近年来有关可燃气体爆炸的事件时有发生,特别是在石化、煤气站、油库等场所,泄露的可燃气体必须加以监控,防范于未“燃”。为了保障人民生命和财产的安全,对可燃气体应进行必要的检测和控制。本论文从实际角度出发,详细介绍了可燃气体红外线探测电路的实现和AT89C2051单片机在可燃气体探测控制器中的应用。
论文介绍了红外气敏元件传感器的工作原理和使用方法、可燃气体探测控制器的工作原理及软硬件设计,从而实现对可燃气体浓度超限、气敏元件故障的判断。可燃气体浓度超限、气敏元件短路或断路故障采用有明显区别的声、光报警。电路具有自检和输出控制功能。
基本功能以及技术要求:
1、开关电源:220V交流输入,5V直流输出。
2、设定可燃气体浓度报警值范围在1%~25%LEL之间。
3、运行正常时,绿灯闪烁,蜂鸣器不报警。
4、可完成声、光设置手动自检功能
5、可燃气体浓度超范围报警:实行声、光(红色指示灯)报警。
6、可控制电磁阀的通断。


4  元器件的选择
1.1  电源部分
采用开关电源供电,经整流滤波后,LM7805输入电压为+8V,输出为+5V支流电压。
开关电源的稳压原理均采用脉冲调宽式的稳压方式,开关电源效率高、电压适应范围宽本设计电路中加入了开关回路、电感、压敏电阻等以提高电源的抗干扰能力。
整流二极管流过的电流约0.3mA,直流电压约300V,工作频率大约50KHz,所以选用IN4007整流二极管、LM7805等器件。考虑功耗,R3、R4、R6、R7选用0.5W的电阻,其余电阻选用0.25W。C19、C20电容:CBB-400-100N-I

1.2  浓度采样电路元件选择
选用单运放AD8552,它的零点漂移小并且运算精度高。红外线探测头TPS2534,发光源IRL715。这是本次设计的特色之处。它通过探测不同波段的波长可测量不同的气体。
主要器件的选择:
探测器: TPS2534
红外线发射源:   IRL715
恒压源 : ADP3330
高精度零漂移双运算放大器:AD8552
双运算放大器:LMV358M
1.2.1  IRL715
IRL715红外线源5V ;115MA; 直径3.17mm,它被指定使用于以红外线为基础的气体探测中,可达到的波长范围从可见光的波长至4.4um。
红外线源特别适用于探测波长为4.6um左右的CO,因为在这个波段里玻璃透射性已经衰减了。
手工焊接和波峰焊接的最高温度为260度,停留时间不应超过10秒。
1.光谱数据
如图7所示为一个灯照射波长上的透视图,虽然这个曲线不像光谱发射强度曲线,但这对于我们了解气体吸收特定波长,是一个有用的参数,垂直线表明了气体吸收不同波段的位置。
图7
图7为厚度为1mm IRL715灯管的透射和选择气体吸收波段的位置图。
G1.G2等是perkinilmer ir (红外线)滤波标识符
2. 脉冲频率于调制深度的函数关系
如图8所示为当灯被可变频率5v 方波信号激励时的一个典型以4um IR 波长的交流电信号。曲线表示的是一个低通特性,从中可以得到热力时间常数为290MS。
图8
图8所示为:在波长为4.26um 时的调制深度与函数关系,这个信号源被可变频率5V方波信号驱动在相对输出为71%时(即3DB)确定了切口频率fco和时间常数(T=1/21nfco)。
3. 时效特征
如图9所示:是一个随时间变化而变化的曲线图。
下面是两种不同操作模式的测试。
以直流方式理论电压为5V的连续操作模式。
以脉冲信号方式:周期为1S,最大值为5V的方波操作模式。
在a)模式下运行了1500h后特性衰减到初始值的95%,之后接近于稳定不变。随后出现少量的增加。
在b)模式下发射强度在前1000h内几乎不变,只有长时间的操作才能够观察到明显的上升。
数据显示了在5V操作下IRL715的确出现了一次老化。所以我们考虑设计一个气体探测器时,更可取的操作模式是b)模式。在这种操作模式下通过选择一个较长的暂停信号时间可以延长发射强度的稳定输出时间。同时,减少电压将较大的延长最初的稳定时间。从灯的寿命来看,供给电压减少10%,即4.5V。在此情况下,允许老化的时间为4000h,将供给电压减少到4V将更能延长运行时间。
图9
1.2.2 TPS 2534
TPS2534带有两个光谱过滤器,用于气体探测的双热电堆传感器在TO-5中结构中有两个独立的带有不同红外线带通过率器。内部带有热敏电阻。
NDIR气体探测通过通道监控信号的强弱来实现。可以根据不同滤波器的组合实现不同的功能,标准滤波是在T1通道使用一个标准过滤器G20,在T2通道使用一个选择过滤器.
标准装置:TPS2534  T2  T1/device number
CO2:    标准气体:TPS 2534 G2 G20/3197
HC:  标准气体:TPS 2534 G5 G20/3196
CO: 标准气体:TPS 2534 G1 G20/3195:
CO,HC: 标准气体:TPS 2534 G1 G20/3198
CO2,NO: 标准气体:TPS 2534 G1 G5/3199
TPS2534有四个引脚:
1脚:接热敏电阻
2脚接:T2通道
3脚接:T1通道
4脚接:接公共地
1.产品的一般介绍
热电堆与红外线发射成正比,在传感器前面的红外线带通过滤器,对特殊气体很敏感。TPS2534热电堆大小与TO-5结构相似,单一传感器内带有两个独立的可选择的IR 窗口电堆片。所使用的热电堆各有一个1.2*1.2mm2红外线发射传感区域,传感器在工作窗口和4个管脚的TO-5包装有带通过滤器,内部的热敏电阻可以用作对周围环境的传感器和一个与红外线发射的常数f函数一样的输出电压,相当于一个低通特性的电压传感器和一个内阻有限的热电堆。
2.应用指导
TPS2534中有一定内阻的热电堆相当于一个电压产生器,它输出信号很小,所以需要放大。应选择一个低漂移放大器。推介类型如下:CL7650、LT1112/LT1114、AD8551、AD8552、AD8571、AD8572等。热敏电阻是连续可变的电阻,RV是用来确定通过热敏电阻电流不超过5uA的电压值,信号波动的产生取决于加热情况。图10 为TPS2534的基本应用电路
图10 基本应用电路
1.3  单片机
    本设计要求体积小,检测点和控制点不多,程序不长,因此选用ATMEL公司生产的51系列产品AT89C2051单片机。
该单片机为双列直插式DIP20封装,内带2K闪存ROM,有P1口、P3口,使用方便,指令与MCS-51系列兼容。片内程序存储器为电擦写型ROM,整体擦除时间仅为10毫秒,可写入/擦除1000次以上,数据保存10年。
该产品一般应用于室内可燃气体场合,外界干扰较少,从经济角度出发,单片机采用上电复位方式,复位时间由R8、C12决定,通常选200毫秒左右。考虑单片机的运行速度,选用常用的12M晶振频率。再此频率下,单片机一个机器周期为1微妙,运行速度较快。

1.4  声光报警
单片机AT89C2051的P1口、P3口低电平时的吸收电流可达20mA,不需要外接驱动电路,可直接驱动发光二极管。所以选用LED双色(红、绿)共阳极发光二极管BT311057,经限流电阻直接连到单片机引脚。单片机高电平时,发光二极管不亮;低电平时点亮发光二极管。发光二极管的发光亮度强弱由流过它的电流决定,通常2mA以上就能保证发光二极管可靠发光,它的正常工作电流为8~10mA,发光二极管的压降为1.5V。所以,选择发光二极管的正常工作电流为10mA,则它的限流电阻可由以下公式计算:RL=(5-1.5)V/10mA=350Ω,取限流电阻为360Ω。
蜂鸣器用来作为报警指示,选用直流型FM12-5V型号。蜂鸣器工作电压为+5V,工作电流在20mA以上。单片机的驱动电流不够,不能直接驱动,必须外接功率驱动。因此,选用PNP型三极管9012作为蜂鸣器的功率驱动,与基极相连的电阻取2K阻值,保证三极管工作在饱和状态。

1.5  自检电路
自检电路通过按钮触点的闭合和松开来实现,按钮选用不互锁的KA8型号。按钮常开触点一端接电源+5V;另一端连到单片机输入端并通过电阻接地。电阻值取100Ω,电阻两端并联电容是保证开关信号输入的稳定。因此,按钮按下时接+5V,松开时接低电平。单片机通过对应端的电平变化可检测自检电路的按键变化,通过程序完成自检功能的实现。

1.6  继电器输出控制电路
继电器是感性元件,驱动电流较大,单片机不能直接驱动,必须经过电路的转换。继电器选用SRS-05DC-SL型号,用直流+5V供电。三极管选用常用的PNP型9012、NPN型9013作为继电器的功率开关。继电器的常开触电一端接7805稳压电源的输入端+8V,另一端接电磁阀。
单片机对应引脚输出低电平,三极管V3、V4导通,继电器常开触点吸合,供给外界电磁阀直流+8V电压。接着,电磁阀动作,电磁阀常开触点闭合,关闭气源。二极管D6选用IN4007型号,在电路中起续流作用,保护三极管不被继电器反电势击穿。
电磁阀是感性元件,驱动电流较大,电磁阀选用ExiBIIBT3型号,采用直流+8V电压供电;D11选用IN4007型号,在电路中起续流作用。


2  软件设计
2.1  软件设计流程图

2.2  软件设计要求
(1)、整个程序延时地方较多,因此设立10ms、200ms延时子程序
(2)电磁阀的驱动电压采用脉冲驱动方式。脉冲时间为20ms。
(3)、按钮检测中采用软件延时方法执行按键的去抖动
(4)、正常工作时:秒循环显示。1秒钟内,绿灯点亮600ms,熄灭400(绿灯显示)。
(5)、可燃气体浓度超限:秒循环显示。1秒钟内,蜂鸣器报警750ms,不报警250ms(红灯常亮)。
(6)、故障报警:200毫秒循环。200毫秒钟内蜂鸣器报警100ms,不报警100ms。(黄灯常亮)


结论
  近二个月的毕业设计很快就结束了,这是把自己三年来所学的知识进行综合应用。通过这次设计,不但巩固了自己的所学知识,同时也学到了许多书本上无法学到的知识,提高了自己的设计能力和动手能力,为自己走上工作岗位打下了扎实的基础。
    在设计中,查阅了许多资料,拓宽了自己的知识面,解决了许多设计中遇到的问题。比如,在设计中,碰到了元器件选型问题。以前的知识仅局限于书本上,选何种元器件、取值多大等大都不考虑。以电阻为例,电阻有高精度和低精度之分,有金属膜和碳膜等材料之分,有功耗瓦数之分,甚至有正温度和负温度系数之分。以前,仅考虑它们的阻值,其它的因素不考虑。通过这次设计,知道了如何选电阻以及怎样选电阻。又如电磁阀、继电器、电容、二极管等,有的没有学过,有的学过也早忘记了。通过这次学习,又重新温习了以前学过的知识,把丢了的部分重新捡起来,明确了各种元器件的功能,加深了感性认识。
总之,通过这次毕业设计,自己学到了许多新知识,了解和掌握了产品设计的过程,使自己在质和量上都得到了较大的提高。

 
致谢
   本论文得以完成,首先应该感谢黄驰老师。正是他们在本论文写作过程中的悉心指导、热情鼓励,在繁忙的工作中抽出时间来为我修改论文,才能顺利完成本次毕业设计论文。
作为泰州机电高等职业技术学校的一名毕业生,我更要感谢各位任课老师们。他们学识渊博、治学严谨无时不在影响着我。学习的时间是短暂的,但老师们的影响却是终生受益。在此对我的老师们深表感谢!
在论文写作过程中,好多同学、朋友也给了我巨大的帮助与鼓励。在此一并感谢!
学校生活即将结束,我相信,在未来的日子里我会更加努力学习,充分利用所学知识,回报社会、师长。


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