可燃?xì)怏w檢測(cè)-計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　TGS813是一種可燃?xì)怏w傳感器，具有壽命長(zhǎng)，成本低的特點(diǎn)。介紹了TGS813的工作原理和其與ATmega16單片機(jī)組成的測(cè)量系統(tǒng)在可燃?xì)怏w自動(dòng)檢測(cè)以及自動(dòng)報(bào)警中的具體應(yīng)用。</p><p>　　關(guān)鍵詞： TGS813 ATmega16 自動(dòng)檢測(cè)</p><p><b>

2、;　　1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　本系統(tǒng)測(cè)量元件采用TGS813傳感器，該傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)甲烷、丙烷、液化氣等多種可燃?xì)怏w準(zhǔn)確測(cè)量，傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理之后送至AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣，單片機(jī)對(duì)采集到的數(shù)字量進(jìn)行比較，當(dāng)該值達(dá)到預(yù)先設(shè)定時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的報(bào)警模塊工作，給人以提示。系統(tǒng)原理框圖如下。</p><p><b>　　2 方案比較

3、</b></p><p>　　2.1 傳感器的選擇</p><p>　　方案一：采用光學(xué)式氣體傳感器。不同的氣體物質(zhì)由于其分子結(jié)構(gòu)不同、濃度不同和能量分布的差異而有各自不同的吸收光譜。這就決定了光學(xué)式氣體傳感器的選擇性、鑒別性和氣體濃度的唯一確定性。若能測(cè)出這種光譜便可對(duì)氣體進(jìn)行定性、定量分析。目前已經(jīng)開發(fā)發(fā)了流體切換式、流程直接測(cè)量式等多種在線紅外吸收式氣體傳感器。在汽車的尾

4、氣中，一氧化碳、二氧化碳和烴類物質(zhì)的濃度，以及工業(yè)燃燒鍋爐中的有害氣體都可采用光學(xué)式氣體傳感器來(lái)檢測(cè)。</p><p>　　方案二：采用半導(dǎo)體式可燃?xì)怏w傳感器。半導(dǎo)體式傳感器的工作原理是基于可燃?xì)怏w在材料表面的吸附和緊隨著的表面反應(yīng)過(guò)程所引起的電導(dǎo)變化。金屬氧化物半導(dǎo)體中原子排列與其晶體結(jié)構(gòu)模型并非完全一致，一些原子會(huì)離開它的格點(diǎn)位置，留下了原子空位，形成點(diǎn)缺陷，這些空位一般是金屬原子空位和氧原子空位。部分離開格

5、點(diǎn)的原子會(huì)移至正常格點(diǎn)的間隙位置，成為離開格點(diǎn)的原子會(huì)移至正常格點(diǎn)的間隙位置，成為間隙原子，形成雜質(zhì)缺陷。</p><p>　　光學(xué)式傳感器測(cè)量范圍寬，但其價(jià)格高、抗震性較差。半導(dǎo)體式傳感器測(cè)量范圍雖不及光學(xué)式，但長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性良好、響應(yīng)迅速、壽命較長(zhǎng)、價(jià)格低廉、體積小。所以采用本方案采用半導(dǎo)體式傳感器TGS813。</p><p>　　2.2 單片機(jī)的選擇</p><

6、p>　　方案一 采用傳統(tǒng)的8位89c51單片機(jī)作為控制核心</p><p>　　傳統(tǒng)的51單片機(jī)具有價(jià)格低廉，使用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，但其運(yùn)算速度低，功能單一，RAM、ROM空間小等缺點(diǎn)。若采用89c51需要做RAM、ROM擴(kuò)展，以適應(yīng)內(nèi)存需要，其硬件工作量必然大大增多。</p><p>　　方案二 采用ATMEL公司的AVR系列單片機(jī)ATmega16作為控制核心。ATmega16單片機(jī)是

7、ATMEL公司出品的精簡(jiǎn)指令集8位高性能、低功耗單片機(jī)，它既有雙列直插封裝，也有表面貼片封裝，增加了選擇的靈活性。該單片機(jī)的131條指令大多數(shù)為單周期指令，當(dāng)工作于16M晶振時(shí)性能高達(dá)16MIPS。</p><p>　　除此之外，ATmega16具有豐富的片上硬件資源，可以簡(jiǎn)化外圍電路，增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性，也可減少成本。它內(nèi)部含有16K的系統(tǒng)內(nèi)可編程FLASH，512字節(jié)的EEPROM，1K的片內(nèi)SRAM，這些資源可

8、以使單片機(jī)在較為寬松的環(huán)境下完成工作，另外單片機(jī)還具有JTAG調(diào)試接口，簡(jiǎn)化了程序的調(diào)試，提高了編程效率。</p><p>　　綜上所述，我們選用ATmega16單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，這樣可以充分利用單片機(jī)上豐富的I/O口和硬件資源，同時(shí)不顯得浪費(fèi)。</p><p>　　3.3 AD轉(zhuǎn)換器選型</p><p>　　方案一：采用外部串行AD轉(zhuǎn)換器TLV2543

9、。TLV2543是TI公司推出的CMOS工藝的12位分辨率AD轉(zhuǎn)換器，在正常工作溫度內(nèi)的轉(zhuǎn)換時(shí)間為10us，具有11路模擬輸入通道，內(nèi)置采樣保持器，最大線性誤差±1LSB，具有片上時(shí)鐘，有轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出信號(hào)，數(shù)據(jù)交換時(shí)高位在前或在后可選。TLV2543是串行通信模式，節(jié)省單片機(jī)IO口，且能保證通信速度，是一款性能較好的AD轉(zhuǎn)換器。</p><p>　　方案二：采用單片機(jī)內(nèi)部AD。由于ATmega16單片機(jī)

10、本身具有內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器是10位8通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間65-260us,非線性度0.5LSB，最高分辨率是采樣率可達(dá)15kSPS，并且單片機(jī)內(nèi)部含有2.56V參考源。</p><p>　　綜上所述，外部AD轉(zhuǎn)換器的性能無(wú)疑超過(guò)了單片機(jī)內(nèi)部AD，不論是從精度還是轉(zhuǎn)換時(shí)間來(lái)看，外部AD都具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，但是本方案對(duì)模擬量的測(cè)量精度和時(shí)間要求并不是特別高，而且，由于單片機(jī)將AD結(jié)成在其內(nèi)部，對(duì)電路設(shè)計(jì)和軟件

11、編程的簡(jiǎn)化意義重大，更能節(jié)約成本，同時(shí)采用內(nèi)部AD也能體現(xiàn)出此款單片機(jī)的優(yōu)勢(shì)。所以，采用方案二。</p><p><b>　　3 硬件設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　3.1 傳感器原理</b></p><p>　　3.1.1 TGS813性能</p><p>　　TGS813是FIGARO

12、公司生產(chǎn)的寬范圍可燃?xì)怏w傳感器，具有壽命長(zhǎng)、成本低和安裝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)甲烷、丙烷、液化氣等多種可燃?xì)怏w準(zhǔn)確測(cè)量，廣泛用于家庭和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的有害氣體檢測(cè)裝置中。</p><p>　　TGS813具有如下特點(diǎn)：對(duì)多種氣體敏感，對(duì)不檢測(cè)的氣體不敏感，屬于普敏氣體傳感器；對(duì)甲烷、一氧化碳、乙醇等多種氣體的靈敏度高，初始穩(wěn)定時(shí)間短、壽命長(zhǎng)，但易受外界溫度和濕度的影響；工作電壓范圍廣，5V、6V、12V均可，最大不超過(guò)

13、24V，加熱絲電壓為5V±0.2V。</p><p>　　3.1.2 TGS813原理</p><p>　　TGS813的探測(cè)原理是基于氣敏元件表面氣體的化學(xué)吸附作用與解吸附作用，TGS813氣體傳感器的氣敏素子，使用空氣中電導(dǎo)率低的二氧化錫。當(dāng)存在檢知對(duì)象氣體時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中氣體濃度增大而增大。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)化為該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。<

14、/p><p>　　上圖為TGS813的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，TGS813共有6個(gè)引腳，其中引腳1和引腳3短路后接回路電壓；引腳4和引腳6短接后接回路電壓；引腳4和引腳6短接后作為傳感器的信號(hào)輸出端；引腳2和引腳5為傳感器的加熱絲的兩端，外接加熱絲電壓。TGS813傳感器需要施加兩個(gè)電壓：加熱器電壓和回路電壓。用于維持敏感素子處于與對(duì)象氣體相適應(yīng)的特定溫度而施加在集成的加熱器上。則是用于測(cè) 定與傳感器串聯(lián)的負(fù)載電阻上的兩端電壓。只

15、要能滿足傳感器的電器特性要求，和可以共用一路電源。為了使敏感素子的功耗低于15mW的限度值，需要選擇適當(dāng)?shù)闹怠?lt;/p><p>　　3.2 信號(hào)調(diào)理電路</p><p>　　TGS813傳感器輸出的是電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)負(fù)載電阻進(jìn)行電流電壓轉(zhuǎn)換之后，得到電壓信號(hào)，但這個(gè)電壓信號(hào)強(qiáng)度不夠，因此需要采用同相放大電路，將弱的電壓信號(hào)放大，同時(shí)進(jìn)行阻抗轉(zhuǎn)換，使AD轉(zhuǎn)換器在采樣時(shí)的精度更高。</p&

16、gt;<p>　　本處運(yùn)放采用通用運(yùn)放LM324即可。</p><p>　　3.3 聲光報(bào)警電路</p><p>　　本題需要使用聲光報(bào)警電路，對(duì)提示內(nèi)容要求較低，因此可以直接采用蜂鳴器和發(fā)光二極管來(lái)完成此任務(wù)。蜂鳴器采用有源蜂鳴器，其內(nèi)部包含多諧振蕩器，因此只需要給其通一個(gè)直流電壓源，蜂鳴器即可發(fā)出聲音，不需要單片機(jī)輸出特定頻率的方波。另外由于單片機(jī)的IO口驅(qū)動(dòng)能力有限，所

17、以需要在單片機(jī)控制IO口上接上三極管驅(qū)動(dòng)電路，防止燒壞單片機(jī)。聲光報(bào)警電路如下所示。</p><p><b>　　4 軟件流程</b></p><p>　　本系統(tǒng)的軟件比較簡(jiǎn)單，主要是對(duì)其內(nèi)部AD進(jìn)行操作，然后對(duì)讀取的數(shù)字量進(jìn)行比較，當(dāng)期大于預(yù)設(shè)值時(shí)，單片機(jī)輸出控制信號(hào)，讓聲光報(bào)警裝置工作。</p><p><b>　　5 仿真驗(yàn)證&

18、lt;/b></p><p>　　本題的核心部分就是AD轉(zhuǎn)換器對(duì)模擬電壓進(jìn)行采樣，由數(shù)字量的大小決定是否打開聲光報(bào)警裝置，所以此處對(duì)AD轉(zhuǎn)換器部分進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真方式為給定ATmega16單片機(jī)一個(gè)電壓信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)測(cè)量后通過(guò)液晶顯示出來(lái)，仿真顯示，此程序編寫完好，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)模擬電壓的測(cè)量。仿真圖如下所示。</p><p><b>　　6 小結(jié)</b><

19、;/p><p>　　通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，我深入的了解了氣體傳感器在可燃?xì)怏w檢測(cè)方面的原理與應(yīng)用，了解了不同類型傳感器的工作原理，并且最終選擇了合適的氣體傳感器。軟件方面，使用ICC編譯軟件對(duì)ATmega16單片機(jī)進(jìn)行了編程，并成功的將AD轉(zhuǎn)換功能進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，事實(shí)證明此系統(tǒng)可以正常工作。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>

20、;　　1、鄭學(xué)堅(jiān)，周斌 微型計(jì)算機(jī)原理與應(yīng)用 清華大學(xué)出版社</p><p>　　2、于海生 微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 清華大學(xué)出版社</p><p>　　3、沈美明，溫冬嬋 IBM-PC匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì) 清華大學(xué)出版社 </p><p>　　4、何立民 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 北京航空航天大學(xué)出版社</p><p>　　5、姚燕南，薛鈞

21、義 微型計(jì)算機(jī)原理 西安電子科技大學(xué)出版社</p><p>　　6、沙占友等 新編實(shí)用數(shù)字化測(cè)量技術(shù) 國(guó)防工業(yè)出版社</p><p>　　7、宋春榮等 通用集成電路手冊(cè) 山東科技出版社</p><p><b>　　源程序</b></p><p>　　#include<iom16v.h>#incl

22、ude <macros.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar table[]={'0','1','2','3','4','5','6','7','8','9'};uint adc

23、_val,dis_val;uchar i,cnt;void port_int(){ DDRA=0x7f; PORTA=0x00; DDRC=0XFF; PORTC=0XFF; DDRD=0XFF; PORTD=0XFF;} void adc_int() { ADCSRA=0XE3;ADMUX=0X00; } </p><p>　　void devices_int

24、()</p><p>　　{ port_int();adc_int();SREG=0x80; } uint adc_convert(){ uint temp1,temp2; temp1=(uint)ADCL; temp2=(uint)ADCH; temp2=(temp2<<8)+temp1; return (temp2);}uint conv(u

25、int i){ long x; uint y; x=(5000*(long)i)/1023; y=(uint)x; return y;}void delay(unsigned int k){ unsigned int i,j; for(i=0;i<k;i++) { for(j=0;j<570;j++); }} void write_com(u