可燃氣體數字顯示探頭設計

可燃氣體測量儀器是一種廣泛用于石油化工、天然氣、礦井、冶金、油庫等眾多易燃易爆場所的檢測設備。該設備對可燃氣體測量主要是通過單點或多點測量，但隨著現代科技的進步已逐漸發(fā)展成通過計算機實現儀表數字化網絡測量的監(jiān)控系統(tǒng)。用這樣的一個監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控、采集被測現場的可燃或有毒氣體，可以及時地把被測氣體的濃度通過液晶顯示出來。當氣體濃度達到報警值時，就會發(fā)出聲光報警，并記錄下報警時間，以便事后的檢查。而采集到的信號將被傳送給計算機控制系統(tǒng)，通過關聯的聯動模塊觸動閥門以打開排氣、排風設備，從而實現現場可燃氣體的安全控制。因此設計一款能穩(wěn)定并實時采集現場可燃氣體信號的數字顯示探頭就尤為重要。

1 系統(tǒng)工作原理
可燃氣體報警器由傳感器檢測電橋、直流放大器、A／D轉換單元、零點、量程調整單元、單片機以及報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應的微小電壓信號經過放大后，由A／D轉換電路將其轉換成數字信號后送入單片機。單片機再對該數字信號進行濾波處理，并對處理后的數據加以分析，以確認是否大于或等于某個報警值。若大于報警值則啟動報警電路發(fā)出聲光報警，反之則為正常狀態(tài)。然后該數字信號被送到顯示單元以顯示相應的濃度值。

2 硬件電路設計
2．1 可燃氣體傳感器
經過試驗對比，該設計采用半導體金屬氧化物可燃氣體傳感器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，以實現其氧化還原反應，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。該傳感器的測量方式為：由其構成惠斯登檢測橋路，當含有可燃性的混合氣體擴散到檢測元件上時，在氣敏元件表面將會發(fā)生氧化還原反應，使電阻阻值發(fā)生變化，打破電橋平衡，產生大小與可燃氣體濃度成正比的微小電壓差信號，從而達到檢測可燃氣體濃度的目的。過程如圖2所示。

2．2 信號調理電路
傳感器輸出的信號是微弱信號，需經過集成運算放大器OP07進行線性放大處理，以滿足A／D轉換電路對電平信號的要求。但在信號輸入前，需加入一個具有100個電阻值，并能對漂移信號進行精確調節(jié)的高精度數字電位器X9C103對輸入漂移信號進行調零，使其不進入運算放大器OP07。具體流程為：電橋輸出的信號一端經X9C103(P3．4控制)調零后；進入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)和調零端(1腳)以保證引入的是負反饋；另一端由同相輸入端(3腳)引入放大器，經放大后由另一個X9C103(P3．5控制)實現量程的外部調節(jié)。
信號經過2個數字電位器到達A／D轉換單元。A／D轉換單元由TLC549芯片實現，它以8位開關電容逐次逼近的方法實現轉A／D轉換。模擬信號有ANVIN引入，它通過，CLOCK和DATA OUT與AT89C51通信。當變?yōu)榈碗娖胶?，TLC549芯片被選中，同時前次轉換結果的最高有效位MSB(A7)自DATA OUT端輸出。接著CLOCK端輸出8個外部時鐘信號，前7個CLOCK信號的作用是配合TLC549輸出前次轉換結果A6～A0，并為本次轉換做準備。在第4個CLOCK信號由高變低后，片內采樣保持電路對輸入模擬量采樣開始。第8個CLOCK信號的下降沿使片內采樣保持電路進入保持狀態(tài)，并啟動A／D開始轉換。
為了使電路能夠可靠穩(wěn)定的工作，采用X5045實現電路監(jiān)視功能。X5045有一個可設定200 ms，600 ms，1．4 s或禁止的看門狗定時器。在本電路中X5045被設置為1．4 s的定時器。硬件電路如圖2所示，在單片機程序中，每隔一定的時間間隔放置一條“喂狗”指令(即在P1．6輸出一個下降沿)，該時間間隔應小于1．4 s，以保證程序正常運行時X5045不會溢出；當程序出現異常，該時間間隔將超過1．4 s導致X5045溢出，并通過RST引腳送出一個復位信號使單片機復位，重新開始運行程序。
2．3 輸出單元
傳感器的現場電壓信號由電壓／電流變換器轉換成4～20 mA的標準電流信號后傳送給上位機控制系統(tǒng)。為實現電壓信號變換成4～20 mA標準電流信號，采用XTRl05精密電流變送器。它內含1個高精度的儀表放大器、1個電壓／電流變換器和2個相同的O．8 mA精密恒流源基準。傳感器的電壓信號由13腳輸入；3，4腳之間接滑動電阻以調節(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腳通過負載電阻RL接電源負端(也是環(huán)流信號輸出端)；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器件，能將外部電源電流與XTRl05的內部消耗嚴格地分開。