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可燃?xì)怏w紅外線探測(cè)控制器設(shè)計(jì)是針對(duì)目前日常生活中危險(xiǎn)性較高的可燃性氣體進(jìn)行的檢測(cè)和控制。本設(shè)計(jì)主要詳細(xì)介紹了可燃?xì)怏w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(jī)在可燃?xì)怏w紅外線探測(cè)控制器中的應(yīng)用。
可燃?xì)怏w紅外線探測(cè)控制器設(shè)計(jì)是基于傳統(tǒng)的可燃?xì)怏w報(bào)警器研制而成的。以基礎(chǔ)知識(shí)為引導(dǎo)，突出了技術(shù)的新發(fā)展。本設(shè)計(jì)采用普通的自激式開關(guān)電源供電，通過三端穩(wěn)壓塊LM7805輸出5V電壓供給每一個(gè)電路。以濃度采樣電路為特色，減小了傳統(tǒng)氣敏元件的不穩(wěn)定狀態(tài)。由單片機(jī)來完成可燃?xì)怏w濃度超限、信號(hào)通道故障的判斷。在設(shè)計(jì)過程中，對(duì)遇到的問題進(jìn)行了歸納和總結(jié)，并給出了解決問題的方法。由于水平有限，時(shí)間倉促，在設(shè)計(jì)過程中難免會(huì)有錯(cuò)誤，請(qǐng)專家給予指正。
1 引言
可燃?xì)怏w廣泛應(yīng)用于日常生活中，給人們的生活帶來了很多方便，但同時(shí)也存在著不安全隱患。空氣中可燃?xì)怏w達(dá)到了一定的濃度，很可能發(fā)生爆炸、人員中毒等嚴(yán)重后果。隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，近年來有關(guān)可燃?xì)怏w爆炸的事件時(shí)有發(fā)生，特別是在石化、煤氣站、油庫等場(chǎng)所，泄露的可燃?xì)怏w必須加以監(jiān)控，防范于未“燃”。為了保障人民生命和財(cái)產(chǎn)的安全，對(duì)可燃?xì)怏w應(yīng)進(jìn)行必要的檢測(cè)和控制。本論文從實(shí)際角度出發(fā)，詳細(xì)介紹了可燃?xì)怏w紅外線探測(cè)電路的實(shí)現(xiàn)和AT89C2051單片機(jī)在可燃?xì)怏w探測(cè)控制器中的應(yīng)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?xì)怏w探測(cè)控制器的工作原理及軟硬件設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)可燃?xì)怏w濃度超限、氣敏元件故障的判斷�？扇�?xì)怏w濃度超限、氣敏元件短路或斷路故障采用有明顯區(qū)別的聲、光報(bào)警。電路具有自檢和輸出控制功能。
基本功能以及技術(shù)要求：
1、開關(guān)電源：220V交流輸入，5V直流輸出。
2、設(shè)定可燃?xì)怏w濃度報(bào)警值范圍在1％～25％LEL之間。
3、運(yùn)行正常時(shí)，綠燈閃爍，蜂鳴器不報(bào)警。
4、可完成聲、光設(shè)置手動(dòng)自檢功能
5、可燃?xì)怏w濃度超范圍報(bào)警:實(shí)行聲、光（紅色指示燈）報(bào)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(guān)電源供電，經(jīng)整流濾波后，LM7805輸入電壓為+8V，輸出為+5V支流電壓。
開關(guān)電源的穩(wěn)壓原理均采用脈沖調(diào)寬式的穩(wěn)壓方式，開關(guān)電源效率高、電壓適應(yīng)范圍寬本設(shè)計(jì)電路中加入了開關(guān)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(yùn)放AD8552，它的零點(diǎn)漂移小并且運(yùn)算精度高。紅外線探測(cè)頭TPS2534，發(fā)光源IRL715。這是本次設(shè)計(jì)的特色之處。它通過探測(cè)不同波段的波長可測(cè)量不同的氣體。
主要器件的選擇：
探測(cè)器： TPS2534
紅外線發(fā)射源: IRL715
恒壓源 ： ADP3330
高精度零漂移雙運(yùn)算放大器：AD8552
雙運(yùn)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(chǔ)的氣體探測(cè)中，可達(dá)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(cè)波長為4.6um左右的CO，因?yàn)樵谶@個(gè)波段里玻璃透射性已經(jīng)衰減了。
手工焊接和波峰焊接的最高溫度為260度,停留時(shí)間不應(yīng)超過10秒。
1.光譜數(shù)據(jù)
如圖7所示為一個(gè)燈照射波長上的透視圖，雖然這個(gè)曲線不像光譜發(fā)射強(qiáng)度曲線，但這對(duì)于我們了解氣體吸收特定波長，是一個(gè)有用的參數(shù)，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(biāo)識(shí)符
2. 脈沖頻率于調(diào)制深度的函數(shù)關(guān)系
如圖8所示為當(dāng)燈被可變頻率5v 方波信號(hào)激勵(lì)時(shí)的一個(gè)典型以4um IR 波長的交流電信號(hào)。曲線表示的是一個(gè)低通特性，從中可以得到熱力時(shí)間常數(shù)為290MS。
圖8
圖8所示為：在波長為4.26um 時(shí)的調(diào)制深度與函數(shù)關(guān)系，這個(gè)信號(hào)源被可變頻率5V方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)在相對(duì)輸出為71%時(shí)(即3DB)確定了切口頻率fco和時(shí)間常數(shù)(T=1/21nfco)。
3. 時(shí)效特征
如圖9所示：是一個(gè)隨時(shí)間變化而變化的曲線圖。
下面是兩種不同操作模式的測(cè)試。
以直流方式理論電壓為5V的連續(xù)操作模式。
以脈沖信號(hào)方式：周期為1S，最大值為5V的方波操作模式。
在a)模式下運(yùn)行了1500h后特性衰減到初始值的95%，之后接近于穩(wěn)定不變。隨后出現(xiàn)少量的增加。
在b)模式下發(fā)射強(qiáng)度在前1000h內(nèi)幾乎不變，只有長時(shí)間的操作才能夠觀察到明顯的上升。
數(shù)據(jù)顯示了在5V操作下IRL715的確出現(xiàn)了一次老化。所以我們考慮設(shè)計(jì)一個(gè)氣體探測(cè)器時(shí)，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(gè)較長的暫停信號(hào)時(shí)間可以延長發(fā)射強(qiáng)度的穩(wěn)定輸出時(shí)間。同時(shí)，減少電壓將較大的延長最初的穩(wěn)定時(shí)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(shí)間為4000h，將供給電壓減少到4V將更能延長運(yùn)行時(shí)間。
圖9
1.2.2 TPS 2534
TPS2534帶有兩個(gè)光譜過濾器，用于氣體探測(cè)的雙熱電堆傳感器在TO-5中結(jié)構(gòu)中有兩個(gè)獨(dú)立的帶有不同紅外線帶通過率器。內(nèi)部帶有熱敏電阻。
NDIR氣體探測(cè)通過通道監(jiān)控信號(hào)的強(qiáng)弱來實(shí)現(xiàn)。可以根據(jù)不同濾波器的組合實(shí)現(xiàn)不同的功能,標(biāo)準(zhǔn)濾波是在T1通道使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)過濾器G20,在T2通道使用一個(gè)選擇過濾器.
標(biāo)準(zhǔn)裝置:TPS2534 T2 T1/device number
CO2: 標(biāo)準(zhǔn)氣體:TPS 2534 G2 G20/3197
HC: 標(biāo)準(zhǔn)氣體:TPS 2534 G5 G20/3196
CO： 標(biāo)準(zhǔn)氣體:TPS 2534 G1 G20/3195:
CO,HC: 標(biāo)準(zhǔn)氣體:TPS 2534 G1 G20/3198
CO2,NO: 標(biāo)準(zhǔn)氣體:TPS 2534 G1 G5/3199
TPS2534有四個(gè)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(chǎn)品的一般介紹
熱電堆與紅外線發(fā)射成正比，在傳感器前面的紅外線帶通過濾器，對(duì)特殊氣體很敏感。TPS2534熱電堆大小與TO-5結(jié)構(gòu)相似，單一傳感器內(nèi)帶有兩個(gè)獨(dú)立的可選擇的IR 窗口電堆片。所使用的熱電堆各有一個(gè)1.2*1.2mm2紅外線發(fā)射傳感區(qū)域，傳感器在工作窗口和4個(gè)管腳的TO-5包裝有帶通過濾器，內(nèi)部的熱敏電阻可以用作對(duì)周圍環(huán)境的傳感器和一個(gè)與紅外線發(fā)射的常數(shù)f函數(shù)一樣的輸出電壓，相當(dāng)于一個(gè)低通特性的電壓傳感器和一個(gè)內(nèi)阻有限的熱電堆。
2.應(yīng)用指導(dǎo)
TPS2534中有一定內(nèi)阻的熱電堆相當(dāng)于一個(gè)電壓產(chǎn)生器，它輸出信號(hào)很小，所以需要放大。應(yīng)選擇一個(gè)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(xù)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(hào)波動(dòng)的產(chǎn)生取決于加熱情況。圖10 為TPS2534的基本應(yīng)用電路
圖10 基本應(yīng)用電路
1.3 單片機(jī)
本設(shè)計(jì)要求體積小，檢測(cè)點(diǎn)和控制點(diǎn)不多，程序不長，因此選用ATMEL公司生產(chǎn)的51系列產(chǎn)品AT89C2051單片機(jī)。
該單片機(jī)為雙列直插式DIP20封裝，內(nèi)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(nèi)程序存儲(chǔ)器為電擦寫型ROM，整體擦除時(shí)間僅為10毫秒，可寫入/擦除1000次以上，數(shù)據(jù)保存10年。
該產(chǎn)品一般應(yīng)用于室內(nèi)可燃?xì)怏w場(chǎng)合，外界干擾較少，從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，單片機(jī)采用上電復(fù)位方式，復(fù)位時(shí)間由R8、C12決定，通常選200毫秒左右�？紤]單片機(jī)的運(yùn)行速度，選用常用的12M晶振頻率。再此頻率下，單片機(jī)一個(gè)機(jī)器周期為1微妙，運(yùn)行速度較快。
1.4 聲光報(bào)警
單片機(jī)AT89C2051的P1口、P3口低電平時(shí)的吸收電流可達(dá)20mA，不需要外接驅(qū)動(dòng)電路，可直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管。所以選用LED雙色（紅、綠）共陽極發(fā)光二極管BT311057，經(jīng)限流電阻直接連到單片機(jī)引腳。單片機(jī)高電平時(shí)，發(fā)光二極管不亮；低電平時(shí)點(diǎn)亮發(fā)光二極管。發(fā)光二極管的發(fā)光亮度強(qiáng)弱由流過它的電流決定，通常2mA以上就能保證發(fā)光二極管可靠發(fā)光，它的正常工作電流為8~10mA，發(fā)光二極管的壓降為1.5V。所以，選擇發(fā)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(jì)算：RL=（5-1.5）V/10mA=350Ω，取限流電阻為360Ω。
蜂鳴器用來作為報(bào)警指示，選用直流型FM12-5V型號(hào)。蜂鳴器工作電壓為+5V，工作電流在20mA以上。單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流不夠，不能直接驅(qū)動(dòng)，必須外接功率驅(qū)動(dòng)。因此，選用PNP型三極管9012作為蜂鳴器的功率驅(qū)動(dòng)，與基極相連的電阻取2K阻值，保證三極管工作在飽和狀態(tài)。
1.5 自檢電路
自檢電路通過按鈕觸點(diǎn)的閉合和松開來實(shí)現(xiàn)，按鈕選用不互鎖的KA8型號(hào)。按鈕常開觸點(diǎn)一端接電源+5V；另一端連到單片機(jī)輸入端并通過電阻接地。電阻值取100Ω，電阻兩端并聯(lián)電容是保證開關(guān)信號(hào)輸入的穩(wěn)定。因此，按鈕按下時(shí)接+5V，松開時(shí)接低電平。單片機(jī)通過對(duì)應(yīng)端的電平變化可檢測(cè)自檢電路的按鍵變化，通過程序完成自檢功能的實(shí)現(xiàn)。
1.6 繼電器輸出控制電路
繼電器是感性元件，驅(qū)動(dòng)電流較大，單片機(jī)不能直接驅(qū)動(dòng)，必須經(jīng)過電路的轉(zhuǎn)換。繼電器選用SRS-05DC-SL型號(hào)，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(guān)。繼電器的常開觸電一端接7805穩(wěn)壓電源的輸入端+8V，另一端接電磁閥。
單片機(jī)對(duì)應(yīng)引腳輸出低電平，三極管V3、V4導(dǎo)通，繼電器常開觸點(diǎn)吸合，供給外界電磁閥直流+8V電壓。接著，電磁閥動(dòng)作，電磁閥常開觸點(diǎn)閉合，關(guān)閉氣源。二極管D6選用IN4007型號(hào)，在電路中起續(xù)流作用，保護(hù)三極管不被繼電器反電勢(shì)擊穿。
電磁閥是感性元件，驅(qū)動(dòng)電流較大，電磁閥選用ExiBIIBT3型號(hào)，采用直流+8V電壓供電；D11選用IN4007型號(hào)，在電路中起續(xù)流作用。
2 軟件設(shè)計(jì)
2.1 軟件設(shè)計(jì)流程圖
2.2 軟件設(shè)計(jì)要求
（1）、整個(gè)程序延時(shí)地方較多，因此設(shè)立10ms、200ms延時(shí)子程序
（2）電磁閥的驅(qū)動(dòng)電壓采用脈沖驅(qū)動(dòng)方式。脈沖時(shí)間為20ms。
（3）、按鈕檢測(cè)中采用軟件延時(shí)方法執(zhí)行按鍵的去抖動(dòng)
（4）、正常工作時(shí)：秒循環(huán)顯示。1秒鐘內(nèi)，綠燈點(diǎn)亮600ms，熄滅400（綠燈顯示）。
（5）、可燃?xì)怏w濃度超限：秒循環(huán)顯示。1秒鐘內(nèi)，蜂鳴器報(bào)警750ms，不報(bào)警250ms（紅燈常亮）。
（6）、故障報(bào)警：200毫秒循環(huán)。200毫秒鐘內(nèi)蜂鳴器報(bào)警100ms，不報(bào)警100ms。（黃燈常亮）
結(jié)論
近二個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)很快就結(jié)束了，這是把自己三年來所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行綜合應(yīng)用。通過這次設(shè)計(jì)，不但鞏固了自己的所學(xué)知識(shí)，同時(shí)也學(xué)到了許多書本上無法學(xué)到的知識(shí)，提高了自己的設(shè)計(jì)能力和動(dòng)手能力，為自己走上工作崗位打下了扎實(shí)的基礎(chǔ)。
在設(shè)計(jì)中，查閱了許多資料，拓寬了自己的知識(shí)面，解決了許多設(shè)計(jì)中遇到的問題。比如，在設(shè)計(jì)中，碰到了元器件選型問題。以前的知識(shí)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(shù)之分，甚至有正溫度和負(fù)溫度系數(shù)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(shè)計(jì)，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(xué)過，有的學(xué)過也早忘記了。通過這次學(xué)習(xí)，又重新溫習(xí)了以前學(xué)過的知識(shí)，把丟了的部分重新?lián)炱饋�，明確了各種元器件的功能，加深了感性認(rèn)識(shí)。
總之，通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，自己學(xué)到了許多新知識(shí)，了解和掌握了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過程，使自己在質(zhì)和量上都得到了較大的提高。
致謝
本論文得以完成，首先應(yīng)該感謝黃馳老師。正是他們?cè)诒菊撐膶懽鬟^程中的悉心指導(dǎo)、熱情鼓勵(lì)，在繁忙的工作中抽出時(shí)間來為我修改論文，才能順利完成本次畢業(yè)設(shè)計(jì)論文。
作為泰州機(jī)電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校的一名畢業(yè)生，我更要感謝各位任課老師們。他們學(xué)識(shí)淵博、治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)無時(shí)不在影響著我。學(xué)習(xí)的時(shí)間是短暫的，但老師們的影響卻是終生受益。在此對(duì)我的老師們深表感謝！
在論文寫作過程中，好多同學(xué)、朋友也給了我巨大的幫助與鼓勵(lì)。在此一并感謝！
學(xué)校生活即將結(jié)束，我相信，在未來的日子里我會(huì)更加努力學(xué)習(xí)，充分利用所學(xué)知識(shí)，回報(bào)社會(huì)、師長。
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