中州大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院大學(xué)本科方案設(shè)計書.docx

1、河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計畢業(yè)設(shè)計題目：家用煤氣泄漏報警控制器硬件設(shè)計學(xué)生姓名：張艷偉學(xué)號：系別：專業(yè)班級：指導(dǎo)教師姓名及職稱起止時間 :摘 要當(dāng)今社會上，出現(xiàn)了許多煤氣報警器，而這些產(chǎn)品大都是針對煤氣的泄漏所做出的相應(yīng)的報警，即為家庭式。但是隨著社會的發(fā)展，煤氣報警器也在發(fā)展。微機(jī)控制技術(shù)、傳感器在工業(yè)控制、機(jī)電一體化、智能儀表、通信、家用電器等方面得到了廣泛應(yīng)用，顯著提高了各種設(shè)備的技術(shù)水平和自動化程度。因此對這些原理和結(jié)構(gòu)我們就需要很好的了解并掌握。煤氣報警系統(tǒng)采用了RCM5700為系統(tǒng)的CPU，通過單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計實(shí)現(xiàn)對家用煤氣的控制功能，由NG-CO-001電化學(xué)一氧化碳?xì)怏w傳感器對煤氣

2、進(jìn)行檢測，將所得的濃度值與設(shè)定濃度值相比較得到偏差。通過對偏差信號的處理獲得控制信號，去調(diào)節(jié)煤氣出氣閥的通斷，四個單元的煤氣濃度對應(yīng)模擬量利用A/D 轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并加入了鍵盤輸入，從而實(shí)現(xiàn)對家用煤氣漏氣的控制。整個系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計合理，性能安全可靠。關(guān)鍵詞： 電位器采樣報警臨界值煤氣濃度AbstractIn the current society, a lot of coal gas alarms have appeared, and these products are mostly to letting out corresponding alarms made of coal gas

3、 , it is family. But with the development of society, coal gas alarm develop too.Microcomputer control technology, sensors in the industrial control, mechatronics, smart instrumentation, communications, household appliances, etc. has been widely applied, significantly improved the technological leve

4、l of equipment and degree of automation. Thus the structure of these principles and we need to understand and grasp the good.Coal gas warning system adopt RCM5700 computer CPU of system,Design a realization through a single slice of machine system to the control function of household-use coal gas. T

5、he NG-CO-001 electricity chemistry carbon monoxide air spreads a feeling machine to carry on an examination to the coal gas and compares density value and enactment density value gaining to get deviation,the processing that passes to the deviation signal acquires control signal and regulate coal gas

6、 to give vent to anger the of valve break.four coal gas density corresponding analog quantity of unit utilize A/D person who changes figure into, and has joined key in,carry out the control that leaks air to the household-use coal gas thus.The hardware circuit of the whole system is reasonable in de

7、sign, performance is safe and reliable.Keyword: The electric potential device sampl目錄1、緒論 01.1 、課題研究的背景01.2 、課題研究的目的01.3 、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)11.4 、系統(tǒng)設(shè)計基本內(nèi)容32、系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)基礎(chǔ)42.1 、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案與選擇42.2 、MINI CORE 芯片選擇 62.3 、一氧化碳傳感器的選擇142.4 、儀表放大器的選擇202.5 、A/D 轉(zhuǎn)換器選擇 223、基于 RCM5700的系統(tǒng)電路設(shè)計233.1 、系統(tǒng)硬件電路總體設(shè)計233.2 、信號采集放大電路的設(shè)計2

8、53.3 、運(yùn)放電路及 A/D 轉(zhuǎn)換電路 273.4 、RCM5700內(nèi)置看門狗的利用293.5 、通信接口電路設(shè)計303.6 、電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計334、系統(tǒng)電路調(diào)試334.1、模塊的連通性調(diào)試 334.2、系統(tǒng)各硬件的檢測及控制性調(diào)試344.3、系統(tǒng)主控硬件的通信性能調(diào)試344.4、系統(tǒng)軟硬件綜合性能測試 354.5、系統(tǒng)誤差分析 35總結(jié) 36參考文獻(xiàn) 37致謝附錄3839家用煤氣泄漏報警控制器硬件設(shè)計徐向文1、緒論1.1 、課題研究的背景隨著我國燃?xì)獾淖兏锛拔鳉鈻|輸工程的進(jìn)行，煤氣或天燃?xì)庖殉蔀槎鄶?shù)家庭的燃料。每年，因煤氣泄露造成的煤氣中毒事故中，因使用熱水器不當(dāng)或產(chǎn)品本身的質(zhì)量問題，造

9、成的煤氣中毒事故，全國均有不少事例。有甚者，因室內(nèi)煤氣濃度過高，引起煤氣爆炸的事故也不少見。家用煤氣有時會因各種原因發(fā)生泄漏，煤氣的主要成分是甲烷，甲烷是一種可燃性氣體，遇到明火會發(fā)生燃燒甚至爆炸，所以如果在煤氣泄漏時打電話，使用家用電器的話，煤氣遇到電火花可能會發(fā)生爆炸事故。人呆在煤氣泄漏的空間內(nèi)，甲烷的不完全燃燒可能會生成一氧化碳，人體吸入有毒氣體一氧化碳后，一氧化碳將會迅速與血液中的紅細(xì)胞結(jié)合導(dǎo)致人體中毒昏迷，如果長時間吸入泄露的煤氣甚至?xí)l(fā)生中毒死亡。一氧化碳中毒屬內(nèi)科急癥，如不及時發(fā)現(xiàn)及治療，將會危及生命。近年來，我國部分地區(qū)非職業(yè)性一氧化碳中毒事件時有發(fā)生。特別是冬春季高發(fā)，據(jù)不完

10、全統(tǒng)計，我國 2006 年因非職業(yè)性一氧化碳中毒，造成至少 3850 人中毒， 142 人死亡。 2007 年 3-5 月份，南匯區(qū)發(fā)生了 2 起非職業(yè)性一氧化碳中毒事件。1.2 、課題研究的目的人們面對燃?xì)庑孤┒斐傻姆N種事故威脅，就真的沒有一個徹底的解決辦法嗎？據(jù)有關(guān)專家介紹，使用燃?xì)鈭缶魇菍Ω度細(xì)鉄o形殺手的重要手段之一。燃?xì)鈱＜抑赋?，燃?xì)庑孤┗驈U氣排放而大量產(chǎn)生的一氧化碳是燃?xì)庵卸臼马憫?yīng)的根源，如采有用燃?xì)庑孤﹫缶骶湍艿玫郊皶r的警示。有關(guān)部門經(jīng)長期測試同樣得出結(jié)論，燃?xì)鈭缶鞣乐挂谎趸贾卸臼鹿拾l(fā)生的有效率達(dá)95%以上。計算機(jī)的普及和信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們己不滿足于傳統(tǒng)的居住環(huán)境，

11、對家庭及住宅小區(qū)提出了更高的要求，智能化被引入家庭，并迅速在世界各地發(fā)展起來。人們對居住環(huán)境要求的日見增高，體現(xiàn)在希望住宅不僅更便利、舒適而且更安全。單片機(jī)在日用電子產(chǎn)品中的應(yīng)用越來越廣泛，煤氣泄漏則是人們?nèi)粘Ｉ钪谐３Ｐ枰獪y量和控制的一個問題。單片機(jī)有利于為現(xiàn)代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的設(shè)施。為了防止中毒事件再次發(fā)生，提出利用單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行有效的預(yù)防對策。所以怎樣防止煤氣中毒與爆炸已成為人們的迫切需要。為此我們開發(fā)研制了智能煤氣報警系統(tǒng)。1.3 、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)民用可燃?xì)怏w報警器為居民家庭用的燃?xì)鈭缶鳎话惆惭b在廚房，遇燃?xì)庑孤r，報警器可發(fā)出聲光報警，或同時伴有數(shù)字

12、顯示，同時聯(lián)動外部設(shè)備。有的報警器可自動開啟排風(fēng)扇，把燃?xì)馀懦鍪彝?；有的報警器在報警時可自動關(guān)閉燃?xì)忾y門，以防燃?xì)饫^續(xù)泄漏8 。在應(yīng)用方面，目前最廣泛的是可燃性氣體氣敏元件傳感器，已普及應(yīng)用于氣體泄漏檢測和監(jiān)控，從工廠企業(yè)到居民家庭，應(yīng)用十分廣泛。僅以用于安全保護(hù)家用燃?xì)庑孤﹫缶鳛槔?，日本早?980 年 1 月開始實(shí)行安裝城市煤氣、液化石油氣報警器法規(guī)，1986 年 5 月日本通產(chǎn)省又實(shí)施了安全器具普及促進(jìn)基本方針。美國目前已有6 個州立法，規(guī)定家庭、公寓等都要安裝CO 報警器。報警器種類也相當(dāng)繁多，有用于一般家庭、集體住宅、飲食餐店、醫(yī)院、學(xué)校、工廠的各種氣體報警器和系統(tǒng)，有單體分離型報

13、警器、外部報警系統(tǒng)、集中監(jiān)視系統(tǒng)、遮斷連動系統(tǒng)、防止中毒報警防護(hù)系統(tǒng)等。結(jié)構(gòu)型式有袖珍型便攜式、手推式、固定式報警等；工業(yè)用固定式報警又有壁掛式、臺放式、單臺監(jiān)控式、多路巡檢式等。氣體檢測技術(shù)與計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了智能化、多功能化。美國工業(yè)科學(xué)公司（ ISC）一臺攜帶式氣體監(jiān)控儀可實(shí)現(xiàn) 4 種氣體監(jiān)測，采用了統(tǒng)一的軟件，只需要換氣體傳感器，即可實(shí)現(xiàn)對特定氣體監(jiān)測。美國國際傳感器技術(shù)（ IST ）公司應(yīng)用一種 “MegaCas"傳感器和微程序控制單元，可檢測 100 種以上毒性氣體和可燃性氣體，通過其 “氣體檢索 ”功能掃描，能很快確定是哪一種氣體。可燃?xì)怏w傳感器的發(fā)展也成為氣體檢

14、測系統(tǒng)的代表性標(biāo)志。近年來，由于在工業(yè)生產(chǎn)、家庭安全、環(huán)境監(jiān)測和醫(yī)療等領(lǐng)域?qū)怏w傳感器的精度、性能、穩(wěn)定性方面的要求越來越高，因此對氣體傳感器的研究和開發(fā)也越來越重要。隨著先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，氣體傳感器發(fā)展的趨勢是微型化、智能化和多功能化。深入研究和把握有機(jī)、無機(jī)、生物和各種材料的特性及相互作用，理解各類氣體傳感器的工作原理和作用機(jī)理，正確選擇各類傳感器的敏感材料，靈活運(yùn)用微機(jī)械加工技術(shù)、敏感薄膜形成技術(shù)、微電子技術(shù)、光纖技術(shù)等，使傳感器性能最優(yōu)化是氣體傳感器的發(fā)展方向。國外氣體傳感器發(fā)展很快，一方面是由于人們安全意識增強(qiáng)，對環(huán)境安全性和生活舒適性要求提高；另一方面是由于傳感器市場增長受到政府

15、安全法規(guī)的推動。因此，國外氣體傳感器技術(shù)得到了較快發(fā)展，據(jù)有關(guān)統(tǒng)計猜測，美國1996 年 2002 年氣體傳感器年均增長率為（2730）。目前，氣體傳感器的發(fā)展趨勢集中表現(xiàn)為：一是提高靈敏度和工作性能，降低功耗和成本，縮小尺寸，簡化電路，與應(yīng)用整機(jī)相結(jié)合，這也是氣體傳感器一直追求的目標(biāo)。如日本費(fèi)加羅公司推出了檢測（0.110）×106 硫化氫低功耗氣體傳感器，美國IST 提供了壽命達(dá)10 年以上的氣體傳感器，美國FirstAlert公司推出了生物模擬型（光化反應(yīng)型）低功耗CO氣體傳感器等。二是增強(qiáng)可靠性，實(shí)現(xiàn)元件和應(yīng)用電路集成化，多功能化，發(fā)展MEMS 技術(shù)，發(fā)展現(xiàn)場適用的變送器和智

16、能型傳感器。如美國GeneralMonitors 公司在傳感器中嵌入微處理器，使氣體傳感器具有控制校準(zhǔn)和監(jiān)視故障狀況功能，實(shí)現(xiàn)了智能化；還有前已涉及的美國IST 公司的具有微處理器的“MegaGas”傳感器實(shí)現(xiàn)了智能化、多功能化。氣敏元件傳感器作為新型敏感元件傳感器在國家列為重點(diǎn)支持發(fā)展的情況下，國內(nèi)已有一定的基礎(chǔ)。其現(xiàn)狀是：（ 1）燒結(jié)型氣敏元件仍是生產(chǎn)的主流，占總量90以上；接觸燃繞式氣敏元件已具備了生產(chǎn)基礎(chǔ)和能力；電化學(xué)氣體傳感器有了試制產(chǎn)品；（2）在工藝方面引入了表面摻雜、表面覆膜以及制作表面催化反應(yīng)層和修隔離層等工藝，使燒結(jié)型元件由廣譜性氣敏發(fā)展成選擇性氣敏；在結(jié)構(gòu)方面研制了補(bǔ)償復(fù)合

17、結(jié)構(gòu)、組合差動結(jié)構(gòu)以及集成化陣列結(jié)構(gòu)；在氣敏材料方面SnO2和 Fe2O3 材料已用于批量生產(chǎn)氣敏元件，新研究開發(fā)的Al2O3 氣敏材料、石英晶體和有機(jī)半導(dǎo)體等也開始用于氣敏材料；（3）低功耗氣敏元件（如一氧化碳，甲烷等氣敏元件）已從產(chǎn)品研究進(jìn)入中試；（4）國內(nèi)氣敏元件傳感器產(chǎn)量已超過“九五 ”初期的 400 萬支。產(chǎn)量超過20萬支的主要廠家有5 家，黑龍江敏感集團(tuán)、太原電子廠、云南春光器材廠、天津費(fèi)加羅公司（合資）、北京電子管廠（特種電器廠），其中前四家都超過100 萬支，據(jù)行業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，1998 年全國氣敏元件總產(chǎn)量已超過600 萬支?？偟目磥恚覈鴼饷粼鞲衅骷捌鋺?yīng)用技術(shù)有了較快進(jìn)展，

18、但與國外先進(jìn)水平仍有較大的差距，主要是產(chǎn)品制造技術(shù)、產(chǎn)業(yè)化及應(yīng)用等方面的差距，與日本比較仍要落后10 年。1.4 、系統(tǒng)設(shè)計基本內(nèi)容針對經(jīng)常發(fā)生的煤氣泄漏中毒事件，采用煤氣、甲烷、乙烷及一氧化碳等氣體傳感器、單片機(jī)、電磁閥和電鈴，設(shè)計一套有毒氣體檢測、報警電路，顯示室內(nèi)空氣質(zhì)量（分優(yōu)、良、中、好、差五級），用單片機(jī)模塊分路控制繼電器、發(fā)光二極管和電鈴。報警系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成。其中硬件部分由各報警感應(yīng)器、感應(yīng)器控制器、主控器等設(shè)備組成。軟件部分主要是報警系統(tǒng)控制程序。氣敏傳感器用來檢測空氣中煤氣的濃度，當(dāng)空氣中煤氣含量超過允許標(biāo)準(zhǔn)濃度后，感應(yīng)器所獲得的感應(yīng)信號均被感應(yīng)器控制器所接收，再

19、由感應(yīng)器控制器對各感應(yīng)信號進(jìn)行相應(yīng)識別和處理，并將處理后的感應(yīng)信號通過串口送至主控器，由主控器對其采取相應(yīng)的警報動作。報警信號加至報警聲響電路的控制端后，報警聲響電路被觸發(fā)，發(fā)出報警聲，同時關(guān)閉總氣閥。本課題在硬件設(shè)計方面主要研究組成家用煤氣泄漏報警控制系統(tǒng)的單片機(jī)芯片、氣體傳感器總線的使用方法，同時研究電路設(shè)計思路、電路組成，包括控制芯片、氣體傳感器、單片機(jī)、顯示電路等的選用和設(shè)計，最后給出結(jié)構(gòu)框圖、電路原理圖。系統(tǒng)軟件設(shè)計方面的分析設(shè)計包括主機(jī)和從機(jī)程序設(shè)計分析等。2、系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)基礎(chǔ)微處理器的出現(xiàn)極大地促進(jìn)了生產(chǎn)力的發(fā)展，提高了人們生活的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)的現(xiàn)代化和自動化。Internet

20、 技術(shù)的飛速發(fā)展，使得基于分組交換技術(shù)的通信性能、通信質(zhì)量和可靠性得到穩(wěn)步提高?；? 位和 16 位單片機(jī)的嵌入式設(shè)備 ( 如儀器儀表、數(shù)據(jù)采集和顯示、過程控制、工業(yè)自動化等)的實(shí)時應(yīng)用、測控系統(tǒng)正在走向網(wǎng)絡(luò)智能化。這就要求企業(yè)從現(xiàn)場控制層到管理層能實(shí)現(xiàn)全方位的無縫信息集成，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程維護(hù)、智能診斷以及遠(yuǎn)程管理功能，提供一個開放的基礎(chǔ)構(gòu)架，并具有高可靠性、分散控制、集中監(jiān)視和管理的功能。2.1 、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案與選擇針對目前主要處理芯片的不同，本文提出了2 種實(shí)現(xiàn)方案，分別為基于8051 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)方案以及基于Rabbit RCM5700 實(shí)現(xiàn)方案。并最終選擇了一種方案進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。2.1.1

21、、基于單片機(jī)的實(shí)現(xiàn)方案基于 8051 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的煤氣報警器的具體方案如圖2.1 所示。該方案主要包括了可燃?xì)怏w傳感器、 A/D 轉(zhuǎn)換器、鍵盤控制電路、 8051 單片機(jī)電路、晶振、蜂鳴器以及 LED 顯示電路 1 。可燃?xì)怏w傳感器輸出為模擬量，需要利用A/D 轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送給8051 單片機(jī)；晶振和鍵盤控制作為8051 單片機(jī)的外圍輸入電路，蜂鳴器作為報警用的8051 單片機(jī)的外圍輸出電路；顯示電路采用了LED 顯示，由8051 單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)顯示。圖 5.1基于 8051 單片機(jī)的實(shí)現(xiàn)2.1.2 、基于Mini Core的實(shí)現(xiàn)方案基于 Mini Core 實(shí)現(xiàn)的煤氣報警器的具

22、體方案如圖2.2 所示。該方案主要包括了可燃?xì)怏w傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、鍵盤控制電路、Rabbit RCM5700 模塊電路、晶振、蜂鳴器以及LED 顯示電路。可燃?xì)怏w傳感器輸出為模擬量，需要利用A/D 轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送給 Rabbit RCM5700 模塊電路；晶振和鍵盤控制作為Rabbit RCM5700 模塊電路的外圍輸入電路，蜂鳴器作為報警用的Rabbit RCM5700 模塊電路的外圍輸出電路；顯示電路采用了LED 顯示，由 Rabbit RCM5700 模塊電路控制實(shí)現(xiàn)顯示。圖 6.1基于 Mini Core的實(shí)現(xiàn)2.1.3 、方案選擇方案 1 中采用的是 8051 單片

23、機(jī)實(shí)現(xiàn)煤氣報警器，該方案具有結(jié)構(gòu)化設(shè)計簡單，器件成本較低的特點(diǎn)，是一種較為廣泛采用的實(shí)現(xiàn)方案。方案2 中采用的是Rabbit RCM5700 模塊實(shí)現(xiàn)煤氣報警器，該方案基于Rabbit RCM5700 模塊進(jìn)行開發(fā)設(shè)計， Rabbit MiniCore 模塊用于加速嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)和實(shí)施。編程開發(fā)采用我們經(jīng)過業(yè)界廣為驗(yàn)證的Dynamic C 開發(fā)系統(tǒng), 一個包括編輯器、鏈接器、裝載器和編譯器在內(nèi)的C 語言集成開發(fā)環(huán)境。從你的計算機(jī)通過USB端口或串口下載程序，立即在目標(biāo)硬件上進(jìn)行調(diào)試 無需在線仿真器。這種開發(fā)環(huán)境減少了工作量，加速了軟硬件集成。Rabbit提供了廣泛的驅(qū)動函數(shù)庫和例程、免費(fèi)的T

24、CP/IP 及其源代碼。Rabbit MiniCore 系列產(chǎn)品采用超小型 mini PCI Express 接口，具有可互相兼容的以太網(wǎng)與 Wi-Fi 無線網(wǎng)兩個版本，除了擁有 Mini 的外型，使得產(chǎn)品的設(shè)計更加容易之外，它還配置了32 個通用輸入 / 輸出端口、 6 個串行端口和一臺Rabbit 5000 微處理器。這些特點(diǎn)使其成為超小型產(chǎn)品中最具成本效益的網(wǎng)絡(luò)連接解決方案，既可用于網(wǎng)絡(luò)連接也可用于控制。由于該模塊具有設(shè)計靈活，外圍擴(kuò)展功能強(qiáng)大的特點(diǎn)，可以構(gòu)成當(dāng)今體積最緊湊、成本最低的嵌入式解決方案，可以為系統(tǒng)方便可靠增加網(wǎng)絡(luò)連接。針對其應(yīng)用擴(kuò)展，本設(shè)計選擇了方案2，基于 Rabbit

25、RCM5700 模塊實(shí)現(xiàn)煤氣報警器的方案。既基于 Mini Core 實(shí)現(xiàn)的家用煤氣報警系統(tǒng)，利用可燃?xì)怏w傳感器檢測某一環(huán)境中可燃?xì)怏w含量的指標(biāo)，對于可燃?xì)怏w的檢測，由于可燃?xì)怏w傳感器輸出量為模擬量，需要將其進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換后送給Rabbit RCM5700 模塊，當(dāng)其含量超過設(shè)定值時，由主芯片Rabbit RCM5700 模塊控制蜂鳴器進(jìn)行報警。2.2 、Mini Core芯片選擇2.2.1 、 RCM5700的簡介Mini Core RCM5700 是 Rabbit 半導(dǎo)體公司在2008 年 9 月 30 日推出的一款尺寸緊湊的經(jīng)濟(jì)型核心模塊，設(shè)計人員可以將其用于小尺寸、低價格、可實(shí)現(xiàn)控制

26、或采集且支持網(wǎng)絡(luò)功能的系統(tǒng)中去，是高性能低成本的嵌入式解決方案。典型應(yīng)用在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)記錄和上傳、儲罐監(jiān)控、自動抄表系統(tǒng)、遠(yuǎn)程能源管理等領(lǐng)域。Mini Core 芯片選擇了Rabbit RCM5700 模塊。 Rabbit 充分結(jié)合了易于使用和最大限度的降低產(chǎn)品成本提供可以構(gòu)成當(dāng)今體積最緊湊、成本最低的嵌入式解決方案。 Mini Core 系列也是 Rabbit 產(chǎn)品中體積最近湊和成本最低的嵌入式解決方案，設(shè)計人員可以為他們設(shè)計的系統(tǒng)方便可靠增加網(wǎng)絡(luò)連接 12 。Rabbit Semiconductor 公司專注于此，推出的產(chǎn)品在行業(yè)內(nèi)被廣泛應(yīng)用，十幾年來，以其產(chǎn)品質(zhì)量的高穩(wěn)定性、容易開發(fā)、資源豐

27、富、支持聯(lián)網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)獲得業(yè)界的高度認(rèn)可，譬如RCM3200、 LP3500 在工控和水利、電力領(lǐng)域已經(jīng)成為行業(yè)內(nèi)的經(jīng)典應(yīng)用。這里要介紹的是 Rabbit 公司新推出的一款全新產(chǎn)品 MiniCore RCM5700 核心模塊，它價格低廉、尺寸小、開發(fā)容易、支持網(wǎng)絡(luò)控制。新的 Mini Core RCM5700 模塊在體積極其緊湊的mini PCI Express 板型結(jié)構(gòu)內(nèi)集成了豐富的嵌入式功能，并且成本極低。另外的一個好處是，MiniCoreRCM5700 為任何嵌入式解決方案提供可極小的結(jié)構(gòu)尺寸。RCM5700 可以在任何客戶定制開發(fā)的母板上增加新的網(wǎng)絡(luò)連接。RCM5700 具備 Rabbit

28、 5000 微處理器，工作主頻可達(dá) 50.0 MHz, flash memory，兩個時鐘 (主晶振和時間晶振 ) 和為 Rabbit 5000 內(nèi)置實(shí)時時鐘 /片內(nèi) SRAM 提供后備電池所需的重啟 /管理電路。52-pin mini PCI Express 插槽式的板邊連接器引出了 RCM5700 的 I/O 總線，并行端口和串口到RCM5700 固定的母板上。圖 8.1通過客戶定制開發(fā)的母板，RCM5700 接收 +3.3 V 供電并和其它數(shù)字設(shè)備實(shí)現(xiàn)所有 CMOS 兼容的接口。主要特點(diǎn)：(1)微處理器為 Rabbit5000(內(nèi)含 128 KB 的 SDRAM) ，主頻為 50MHz

29、；(2)程序存儲器為1 MB 閃存；(3)32 個 GPIO(可配置 ) ；(4)6個(可配置 )CMOS兼容的串 El；(5)帶實(shí)時時鐘 (電池供電 )；(6)10個8位定時器， 10位和 l6位定時器各 1個；(7)有兩路觸發(fā)輸入和兩路正交解碼輸入；(8)帶有看門狗；(9)支持 10100BaseT 以太網(wǎng)功能；(10)接口為 Mini PCI Express 接口。Rabbit Core Mini Core 模塊用于加速嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)和實(shí)施。編程開發(fā)采用我們經(jīng)過業(yè)界廣為驗(yàn)證的Dynamic C 開發(fā)系統(tǒng)，一個包括編輯器、鏈接器、裝載器和編譯器在內(nèi)的C 語言集成開發(fā)環(huán)境。從計算機(jī)通過US

30、B 端口或串口下載程序，立即在目標(biāo)硬件上進(jìn)行調(diào)試，無需在線仿真器。這種開發(fā)環(huán)境減少了工作量，加速了軟硬件集成。Rabbit 提供了廣泛的驅(qū)動函數(shù)庫和例程、免費(fèi)的TCP/IP 及其源代碼。有兩種類型的開發(fā)包供用戶進(jìn)行開發(fā)和測試軟件。標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)包包括你設(shè)計基于該微處理器系統(tǒng)所需要的基本組件和完整的Dynamic C 軟件開發(fā)系統(tǒng)。RCM5700 開發(fā)包還包括你評測RCM5700 所需要的開發(fā)板。 Digital I/O 和串口板可以立即運(yùn)行Dynamic C 中的例程從而快速演示RCM5700的產(chǎn)品特點(diǎn)。你可以立即為RCM5700 模塊編寫和測試包括以太網(wǎng)和TCP/IP 應(yīng)用在內(nèi)的軟件。2.2.2

31、、 RCM5700的優(yōu)點(diǎn)1）使用完整設(shè)計和生產(chǎn)的，具有“運(yùn)行就緒/ 編程就緒”的微處理器模塊，能使您快速完成產(chǎn)品開發(fā)并投入市場。2）比購買和組裝單獨(dú)組件更具競爭力的價格。3）簡單的 C 語言程序開發(fā)和調(diào)試。用于下載經(jīng)編譯的Dynamic C.bin 文件的 Rabbit Field Utility 。4）能容納數(shù)萬行代碼大型程序并存儲豐富數(shù)據(jù)的大容量存儲器。5）參考設(shè)計使集成的以太網(wǎng)能利用無需特許權(quán)的TCP/IP 軟件實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接。2.2.3 、 RCM5700硬件組成RCM5700 標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)包包含了您使用RCM5700 模塊所必須的必備硬件。下述物品在開發(fā)包的標(biāo)準(zhǔn)版本中提供。RCM5700

32、模塊。配有支架 / 接頭的接口板。配有支架 / 接頭的應(yīng)用電路開發(fā)板。能通過接口板對RCM5700 進(jìn)行編程的 USB 線。2.2.4 、 RCM5700模塊接口定義接口板設(shè)計原理圖圖 10.1圖 11.1RCM5700 模塊接口包括了52 個接口，各個接口定義如圖12.1 所示。圖 12.1 RCM5700 模塊接口定義根據(jù) RCM5700 模塊接口定義可知， 52 個接口可以劃分為幾個主要部分：端口 Port A 、Port B、Port C、Port D、Port E、 Serial Port A 、RAM 、 Misc. I/O等，具體如圖 12.2 所示。圖 12.2 RCM5700

33、 模塊端口說明RCM5700模塊管腳功能及說明詳見表。表 13.1表 14.1表 15.12.3 、傳感器的選擇對于煤氣報警器的實(shí)現(xiàn)，感應(yīng)器的選擇也相當(dāng)?shù)闹匾?，是系統(tǒng)重要的組成部分之一，其性能對于系統(tǒng)的精確度和實(shí)現(xiàn)范圍有這相當(dāng)大的影響，也是體現(xiàn)煤氣監(jiān)控發(fā)展現(xiàn)狀的標(biāo)志。2.3.1 、一氧化碳傳感器的選擇市面上的煤氣感應(yīng)器多種多樣，特性價格也各有不同。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用和成本性價比，本設(shè)計一氧化碳?xì)怏w傳感器選擇了 NG-CO-001 型電化學(xué)一氧化碳?xì)怏w傳感器，其詳情如下 4 ：NG-CO-001 型電化學(xué)一氧化碳?xì)怏w傳感器屬工業(yè)級別產(chǎn)品，通過成熟的電極制備處理技術(shù)及傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計，使其具有長壽命、高靈

34、敏度、液體密閉性良好等技術(shù)特點(diǎn)。傳感器與外部電路連接部位通過接插元件完成，利于傳感器與電子線路圖 16.1的兼容與互換。產(chǎn)品組裝工藝簡化，有利的降低了產(chǎn)品成本。用途：工廠一氧化碳濃度檢測儀器；氣體計量器具；空氣質(zhì)量監(jiān)測器；氣體變送器；便攜式儀器配套元件等等。（1）NG-CO-001 電化學(xué)一氧化碳?xì)怏w傳感器基本原理電化學(xué)氣體傳感器由工作電極、參比電極、對電極構(gòu)成，根據(jù)外部恒電位電路，傳感器工作電極保持一個穩(wěn)定的工作電位，一氧化碳?xì)怏w傳感器基本工作原理如下面公式所示：UCTURE工作電極： CO+H2O=CO2+2H+2e-對電極：O2+4H +4e- =2H2O總反應(yīng)：2CO+O2=2CO2這

35、樣電化學(xué)氣體傳感器根據(jù)電化學(xué)反應(yīng)電子轉(zhuǎn)移，從而定性并定量的檢測出被測氣體。參比電極主要作用是保持工作電極維持電化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)定工作電壓，工作電極與對電極之間因電化學(xué)反應(yīng)形成的電流與被測氣體濃度成線性關(guān)系。此傳感器屬于三電極方式，具有檢出信號穩(wěn)定和線性關(guān)系良好等優(yōu)越性，在一般工業(yè)得到較為廣泛的應(yīng)用。圖 17.1 電化學(xué)傳感器原理圖（2）傳感器基本結(jié)構(gòu)：氣體傳感器由工作電極、對電極、參比電極、電解質(zhì)、液體保持材料、過濾干擾氣體物質(zhì)、貴金屬引線、接線柱等組成，使用的典型電極材料包括鉑、金、銀、銠、碳、釕、鈀等，傳感器信號通過引線傳導(dǎo)到外部電路，通過放大等處理進(jìn)行顯示。為了提高對被測氣體的選擇性，通常在

36、傳感器通氣孔位置設(shè)置過濾劑，以消除干擾氣體造成的不準(zhǔn)確信號。圖 17.2 電化學(xué)氣體傳感器典型構(gòu)造（3）電化學(xué)氣體傳感器優(yōu)點(diǎn)：1）對于氣體的濃度能夠線形輸出信號重現(xiàn)性好2）對被測氣體具有良好選擇性，不受溫濕度的影響3）空氣中的輸出值漂移小，可以獲得穩(wěn)定的輸出信號4）功耗低，電池即可驅(qū)動器工作5）體積小，重量輕，作為便攜式儀器首選6）本質(zhì)安全結(jié)構(gòu)，機(jī)械性能穩(wěn)定（4）電化學(xué)一氧化碳?xì)怏w傳感器基本特點(diǎn)：本質(zhì)特征： NG-CO-001 型電化學(xué)一氧化碳?xì)怏w傳感器屬工業(yè)級別產(chǎn)品，通過成熟的電極制備處理技術(shù)及傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計，使其具有長壽命、高靈敏度、液體密閉性良好等技術(shù)特點(diǎn)。傳感器與外部電路連接部位通過接

37、插元件完成，利于傳感器與電子線路的兼容與互換。產(chǎn)品組裝工藝簡化，有利的降低了產(chǎn)品成本。用途：工廠一氧化碳濃度檢測儀器；氣體計量器具；空氣質(zhì)量監(jiān)測器；氣體變送器；便攜式儀器配套元件等等。圖 18.1工作及保存條件：工作溫度 2050工作濕度 1590%RH保存環(huán)境溫度 020工作氣壓 1atm ±10%保存期限 6 個月以內(nèi)密閉容器檢知對象氣體一氧化碳測定范圍 01000ppm輸出電流 40±10nAppm重復(fù)性誤差±2%響應(yīng)時間 (t90)<30 秒基準(zhǔn)線位移 (-2050 ) <100ppm2.3.2 、氫氣傳感器的選擇TGS822TF 傳感器因裝有

38、活性炭過濾器，消除了雜質(zhì)氣體的影響，對有機(jī)溶劑或其他揮發(fā)性氣體的靈敏度低，而對氫氣和一氧化碳的靈敏度高，非常適合用于檢測人工煤制氣。在這里我們圖 18.2主要他對對氫氣的檢測功能能。右圖是典型的靈敏度特性，全部是在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)條件下得出的結(jié)果。縱坐標(biāo)以傳感器電阻比（Rs/Ro）表示， Rs， Ro 的定義如下：Rs 不同濃度氣體中的電阻值Ro 1000ppm 一氧化碳中的電阻值圖 19.1基本測試回路：此傳感器需要施加2 個電壓：加熱器電壓（ V H ）和回路電壓（ V C）。這個V H 用于維持敏感素子處于與對象氣體相適應(yīng)的特定溫度而施加在集成的加熱器上。 V C 則是用于測定與傳感器串聯(lián)的負(fù)載

39、電阻（RL）上的兩端電壓（V RL）。這種傳感器具有極性，所以V C 需用直流電源。只要能滿足傳感器的電性要求，V C 和 V H 可以共用同一個電源電路。為了將判定值水平最佳化，并使敏感素子的功耗（ PS）低于 15mW 的限度值，需要選擇RL 的值。管腳連接1 或 3：傳感器4 或 6：傳感器2 ：加熱器5 ：加熱器圖 19.2圖 20.12.3.3 、烷類傳感器的選擇TGS813 傳感器對甲烷、丙烷、丁烷的靈敏度高，對天然氣、液化氣的監(jiān)視也很理想。這種傳感器可檢知多種可燃?xì)怏w，所以是對各種應(yīng)用方式都很優(yōu)越的低成本傳感器。這里我們主要利用他對烷類氣體的檢測。右圖是典型的靈敏度特性，全部是在

40、標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)條件下得出的結(jié)果?？v坐標(biāo)以傳感器電阻比（ Rs/Ro）表示， Rs，Ro的定義如下：Rs 不同濃度氣體中的電阻值Ro 1000ppm 甲烷中的電阻值基本測試回路與上面的氫氣傳感器類似。圖 20.2圖 20.3圖 21.12.4 、儀表放大器的選擇AD623 是一個集成單電源儀表放大器，它能在單電源（+3V 到 +12V）下提供滿電源幅度的輸出。 AD623 允許使用單個增益設(shè)置電阻進(jìn)行增益編程，以得到更好的用戶靈活性，且符合 8 引腳的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)引腳配置 13。在無外接電阻條件下，AD623 被設(shè)置為單位增益（G=1），在接入外接電阻后， AD623 可編程設(shè)置增益，其增益最高可達(dá)100

41、0 倍。AD623 通過提供極好的隨增益增大而增大的交流共模抑制比（ACCMRR ）而保持最小的誤差。線路噪聲及諧波將由于共模抑制比（ CMRR ）在高達(dá) 200Hz 時仍保持恒定而受到抑制。 AD623 具有較寬的共模輸入范圍，它可以放大具有低于地電平 150mV 共模電壓的信號，雖然 AD623 是按照工作于單電源方式進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計，但當(dāng)它工作于雙電源（±2.5V 至± 6.0V）時，仍然能提供優(yōu)良的性能。低功耗（3V 時 1.5mW ）、寬電源電壓范圍、滿電源幅度輸出，使AD623 成為電池供電應(yīng)用的理想選擇。在低電源電壓下工作時，滿電源幅度輸出級使動態(tài)范圍達(dá)到最大。

42、AD623 可取代分立的儀表放大器設(shè)計，且在最小的空間內(nèi)提供很好的線性度、溫度穩(wěn)定性和可靠性。AD623 出現(xiàn)以前，儀表放大器的性能都達(dá)不到如此水平13 。主要特點(diǎn)：便于使用，性能優(yōu)于分立設(shè)計，單電源或雙電源工作，滿電源幅度輸出輸入電壓范圍擴(kuò)展至低于地150mV （單電源），低功耗，最大575A 電源電流。單個外接電阻增益設(shè)置：增益范圍1（無外接電阻）到 1000。高精度 DC 性能：0.1%增益誤差（ G=1）0.35%增益誤差（ G>1）25ppm 增益漂移（ G=1）200V 最大輸入失調(diào)電壓（ AD623A ）2V /最大輸入失調(diào)漂移（AD623A ）100V 最大輸入失調(diào)電壓（

43、 AD623B ）1V /最大輸入失調(diào)漂移（AD623B）25nA 最大輸入偏置電流圖 22.1噪聲： 35nV/ Hz 針對輸入端（ RTI）噪聲 1kHz（G=1）良好的 AC 特性：最小 90dB 共模抑制比（ CMRR ）（ G=10）最小 84dB 共模抑制比（ CMRR ）（ G=5）（60Hz， 1k 非平衡信號源）800kHz 帶寬（ G=1）到終值 0.01%的建立時間 20s（G=10）引腳排列極限參數(shù)如下：電源電壓±6V內(nèi)部功率耗散650mW差分輸入電壓±6V輸出短路持續(xù)時間不確定儲存溫度范圍（ N，R，RM ） -65至 +125工作溫度范圍：AD6

44、23A40至 +85引腳溫度范圍（焊接， 10 秒） +3002.5 、A/D 轉(zhuǎn)換器選擇本文 A/D 轉(zhuǎn)換器選擇了TLC2543，該芯片是7LC2543 是德州儀器公司 (TI)新型模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) ，具有l(wèi)2 位的分辨率，使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成AD 轉(zhuǎn)換過程，提供的最大采樣率為66KSPS，供電電流僅需1mA( 典型值 )。它除具有高速的轉(zhuǎn)換器和通用的控制能力外，還具有通用靈活的串行接口(SPI)。它被廣泛運(yùn)用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中2 。TLC2543 是 l2 位開關(guān)電容逐次逼近型ADC 每個器件有三個控制輸入端：片選 (CS)、輸入 /輸出時鐘 (I/O CLK) 及地址數(shù)據(jù)輸入

45、端(DATA INPUT) 。它還可以通過一個串行的3 態(tài)輸出端 (DATA OUT) 與主處理器或其它外圍的串行口通訊，輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。通過編程器件的DATA INPUT 管腳串行輸入的8 位通道 /方式控制字節(jié)的高4 位(MSBs)，可選擇 11 個模擬輸入通道中的任一個?？捎猛瑯拥姆椒ㄟx用另外三個測試電壓 VREF , VREF , VREFVREF/ 2 用于轉(zhuǎn)換器的枝正或其它用途。通道方式控制字節(jié)的低四位(LSBs)用于選擇輸出數(shù)據(jù)的長度(8、 12 或 16 位)、輸出數(shù)據(jù)的順序 (以 MSB 開始或 LSB 開始 )和是否需要單極性(二進(jìn)制 )或雙極性 (二進(jìn)制補(bǔ)碼 )格式。其特點(diǎn)

46、有：1)12 bit分辨率 A D 轉(zhuǎn)換器；2) 在工作溫度范圍內(nèi) 10s 轉(zhuǎn)換時間；3)11 個模擬輸入通道；4)3 路內(nèi)置自測試方式；5) 采樣率為 66 kb/s ；6) 線性誤差 +1LSB(max)；7) 有轉(zhuǎn)換結(jié)束 (EOC)輸出；8) 具有單、雙極性輸出；9) 可編程的 MSB或 LSB前導(dǎo)；10) 可編程的輸出數(shù)據(jù)長度。3、基于 RCM5700的系統(tǒng)電路設(shè)計3.1 、系統(tǒng)硬件電路總體設(shè)計系統(tǒng)的工作原理是利用煤氣傳感器將煤氣濃度變換為mV級模擬電流信號，放大器把信號放大后，經(jīng)低通濾波濾掉干擾信號送到A/D 轉(zhuǎn)換器，變換成數(shù)字量送主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。由于煤氣泄漏出來的氣體的主要性質(zhì)可以分為毒性氣體和可燃性氣體2 種，所以本設(shè)計中才用了3 個性質(zhì)不同的傳感器，對其進(jìn)行分別處理。