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展成通過計算機實現儀表數字化網絡測量的監控系統。用這樣的一個監控系統監控、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，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出聲光報警，反之則為正常狀態。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生氧化還原反應，使電阻阻值發生變化，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。
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。當變為低電平后，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，并啟動A／D開始轉換。
為了使電路能夠可靠穩定的工作，采用X5045實現電路監視功能。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。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(且是環流注入端)；7腳通過負載電阻RL接電源負端(也是環流信號輸出端)；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。