可燃氣體檢測-計算機控制系統(tǒng)課程設(shè)計

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　TGS813是一種可燃氣體傳感器，具有壽命長，成本低的特點。介紹了TGS813的工作原理和其與ATmega16單片機組成的測量系統(tǒng)在可燃氣體自動檢測以及自動報警中的具體應(yīng)用。</p><p>　　關(guān)鍵詞： TGS813 ATmega16 自動檢測</p><p><b>

2、;　　1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　本系統(tǒng)測量元件采用TGS813傳感器，該傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對甲烷、丙烷、液化氣等多種可燃氣體準(zhǔn)確測量，傳感器的輸出信號經(jīng)過調(diào)理之后送至AD轉(zhuǎn)換器進行采樣，單片機對采集到的數(shù)字量進行比較，當(dāng)該值達到預(yù)先設(shè)定時，發(fā)出聲光報警信號，驅(qū)動相應(yīng)的報警模塊工作，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。若能測出這種光譜便可對氣體進行定性、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)式氣體傳感器來檢測。</p><p>　　方案二：采用半導(dǎo)體式可燃氣體傳感器。半導(dǎo)體式傳感器的工作原理是基于可燃氣體在材料表面的吸附和緊隨著的表面反應(yīng)過程所引起的電導(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，一些原子會離開它的格點位置，留下了原子空位，形成點缺陷，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、點的原子會移至正常格點的間隙位置，成為離開格點的原子會移至正常格點的間隙位置，成為間隙原子，形成雜質(zhì)缺陷。</p><p>　　光學(xué)式傳感器測量范圍寬，但其價格高、抗震性較差。半導(dǎo)體式傳感器測量范圍雖不及光學(xué)式，但長期工作穩(wěn)定性良好、響應(yīng)迅速、壽命較長、價格低廉、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 單片機的選擇</p><

6、p>　　方案一 采用傳統(tǒng)的8位89c51單片機作為控制核心</p><p>　　傳統(tǒng)的51單片機具有價格低廉，使用簡單等特點，但其運算速度低，功能單一，RAM、ROM空間小等缺點。若采用89c51需要做RAM、ROM擴展，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ATmega16作為控制核心。ATmega16單片機是

7、ATMEL公司出品的精簡指令集8位高性能、低功耗單片機，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。該單片機的131條指令大多數(shù)為單周期指令，當(dāng)工作于16M晶振時性能高達16MIPS。</p><p>　　除此之外，ATmega16具有豐富的片上硬件資源，可以簡化外圍電路，增強系統(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、以使單片機在較為寬松的環(huán)境下完成工作，另外單片機還具有JTAG調(diào)試接口，簡化了程序的調(diào)試，提高了編程效率。</p><p>　　綜上所述，我們選用ATmega16單片機作為整個系統(tǒng)的控制核心，這樣可以充分利用單片機上豐富的I/O口和硬件資源，同時不顯得浪費。</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，具有片上時鐘，有轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出信號，數(shù)據(jù)交換時高位在前或在后可選。TLV2543是串行通信模式，節(jié)省單片機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：采用單片機內(nèi)部AD。由于ATmega16單片機

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)換時間65-260us,非線性度0.5LSB，最高分辨率是采樣率可達15kSPS，并且單片機內(nèi)部含有2.56V參考源。</p><p>　　綜上所述，外部AD轉(zhuǎn)換器的性能無疑超過了單片機內(nèi)部AD，不論是從精度還是轉(zhuǎn)換時間來看，外部AD都具有絕對優(yōu)勢，但是本方案對模擬量的測量精度和時間要求并不是特別高，而且，由于單片機將AD結(jié)成在其內(nèi)部，對電路設(shè)計和軟件

11、編程的簡化意義重大，更能節(jié)約成本，同時采用內(nèi)部AD也能體現(xiàn)出此款單片機的優(yōu)勢。所以，采用方案二。</p><p><b>　　3 硬件設(shè)計</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)的寬范圍可燃氣體傳感器，具有壽命長、成本低和安裝簡單等特點，能夠?qū)崿F(xiàn)對甲烷、丙烷、液化氣等多種可燃氣體準(zhǔn)確測量，廣泛用于家庭和工業(yè)現(xiàn)場的有害氣體檢測裝置中。</p><p>　　TGS813具有如下特點：對多種氣體敏感，對不檢測的氣體不敏感，屬于普敏氣體傳感器；對甲烷、一氧化碳、乙醇等多種氣體的靈敏度高，初始穩(wěn)定時間短、壽命長，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

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)存在檢知對象氣體時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中氣體濃度增大而增大。使用簡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應(yīng)的輸出信號。<

14、/p><p>　　上圖為TGS813的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，TGS813共有6個引腳，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電壓：加熱器電壓和回路電壓。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。則是用于測 定與傳感器串聯(lián)的負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 信號調(diào)理電路</p><p>　　TGS813傳感器輸出的是電流信號，經(jīng)過負載電阻進行電流電壓轉(zhuǎn)換之后，得到電壓信號，但這個電壓信號強度不夠，因此需要采用同相放大電路，將弱的電壓信號放大，同時進行阻抗轉(zhuǎn)換，使AD轉(zhuǎn)換器在采樣時的精度更高。</p&

16、gt;<p>　　本處運放采用通用運放LM324即可。</p><p>　　3.3 聲光報警電路</p><p>　　本題需要使用聲光報警電路，對提示內(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直流電壓源，蜂鳴器即可發(fā)出聲音，不需要單片機輸出特定頻率的方波。另外由于單片機的IO口驅(qū)動能力有限，所

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

18、lt;/b></p><p>　　本題的核心部分就是AD轉(zhuǎn)換器對模擬電壓進行采樣，由數(shù)字量的大小決定是否打開聲光報警裝置，所以此處對AD轉(zhuǎn)換器部分進行了仿真驗證，仿真方式為給定ATmega16單片機一個電壓信號，經(jīng)單片機測量后通過液晶顯示出來，仿真顯示，此程序編寫完好，能夠?qū)崿F(xiàn)對模擬電壓的測量。仿真圖如下所示。</p><p><b>　　6 小結(jié)</b><

19、;/p><p>　　通過本次課程設(shè)計，我深入的了解了氣體傳感器在可燃氣體檢測方面的原理與應(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ATmega16單片機進行了編程，并成功的將AD轉(zhuǎn)換功能進行了仿真驗證，事實證明此系統(tǒng)可以正常工作。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>

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

21、義 微型計算機原理 西安電子科技大學(xué)出版社</p><p>　　6、沙占友等 新編實用數(shù)字化測量技術(shù) 國防工業(yè)出版社</p><p>　　7、宋春榮等 通用集成電路手冊 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