可燃性气体探测装置设计

可燃性气体探测装置设计摘 要随着可燃性气体种类和应用范围的增加，其使用场所和贮气仓库内的泄漏、火灾、爆炸事故日益增多。一旦发生可燃气体的泄漏而未采取有效的措施，将会对人员对财产产生极大的影响，甚至会产生毁灭性的灾难。对可燃性气体泄漏做出预先判断，在事故未扩大之前采取措施，可以避免事故的发生。本文研制了以ARM微处理器为核心的可燃气体报警器，该报警器主要由检测电路、前置放大电路、微处理器、报警电路、显示电路和电源电路组成，能够实现对空气中可燃气体浓度的采集、显示和报警控制。在硬件研制方面，设计了传感器的供电电路、信号放大电路以及控制系统等。采用仪表放大器AD623设计了放大电路，有效的抑制了噪声；选用了集A/D转换、数据存储和处理于一体的嵌入式ARM处理器STM32F103ZE，不仅实现了可燃气体检测数字化、智能化，而且使系统结构简单、功耗降低。在软件开发方面，应用程序采用C语言编写，充分利用芯片本身的资源，提高了测量精度和代码执行效率。本文，最后对可燃性气体检测仪进行了调试，使其检测更加准确，最终测试结果符合要求。关键字：可燃性气体 ARM 气敏传感器 报警 Flammable gas detection device designAbstractWith the increase of the flammable gas type and range of applications, the use of the warehouse spaces and storage of gas leakage, fire, explosion, an increasing number. Of combustible gas leak but have not taken effective measures, will have a significant impact on the staff of the property, or even cause catastrophic damage. Prejudge the combustible gas leak before the accident did not expand to take measures to avoid accidents.Developed the ARM microprocessor core of the combustible gas alarm, the alarm detection circuit, the preamplifier circuit, a microprocessor, alarm circuit, display circuit and power circuit to achieve combustible gases in the airthe concentration of the acquisition, display and alarm control.In hardware development, design a power supply circuit of the sensor, the signal amplification circuit, and embedded systems. The AD623 instrumentation amplifier design the amplifier circuit, the effective suppression of noise; selected set of A / D conversion, data storage and processing in one of the STM32F103ZE of embedded ARM processor, not only combustible gas detection digital, intelligent, but also The system is simple, to reduce power consumption. In software development, applications, using C language to take full advantage of the resources of the chip itself, to improve the accuracy and efficiency of code execution.This article, the last of flammable gas detector commissioning, to make its detection more accurate, final test results meet the requirements.Key words: Flammable gas ARM Gas sensors Alarm 目 录 第一章 绪 论11.1论文研究来源、目的和意义11.1.1论文研究来源11.1.2论文研究目的和意义11.2可燃气体检测技术现状21.3本论文主要任务41.4 气体传感器介绍5第二章 可燃性气体检测系统总体设计方案82.1可燃性气体探测装置设计思路82.2 可燃性气体检测系统的总体框图和工作原理82.3 设计要求92.3.1 硬件设计要求92.3.2 软件设计要求9第三章 可燃性气体检测装置的硬件设计103.1 信号模拟采集硬件电路设计103.1.1 催化燃烧式传感器原理简介103.1.2 放大电路143.1.3 滤波电路153.2 嵌入式最小系统电路设计173.3 蜂鸣器硬件电路设计193.4 LCD连接电路193.4.1 3.4.1 SPFD5420A的功能及电气特性193.4.2 LCD屏和STM32的硬件连接203.5 电源电路设计213.6 PCB原理图253.7 本章小结26第四章 可燃性气体检测装置的软件设计274.1 主程序的设计274.2 电路板初始化设计284.3 设置ADC参数的设计284.4 初始化TFT显示器的设计294.5 A/D转换及浓度显示的设计294.6 时间显示的设计304.7 蜂鸣器报警的设计314.8 本章小结31第五章 系统调试325.1 硬件调试325.1.1 电源电路的调试325.1.2 最小系统的调试325.1.3 设置参数325.2 软件调试335.2.1 确定A/D转换的输入引脚335.2.2 中文显示335.2.3 显示效果的调整345.3 系统调试355.4 本章小结36结 论37致 谢38参考文献39附 录41 本科毕业设计（论文）第一章 绪 论1.1论文研究来源、目的和意义1.1.1论文研究来源随着科技的发展，越来越多的可燃性气体作为能源应用于工业生产和人们的日常生活中。其中甲烷（天然气）的使用已经相当普遍，这种气体对人基本无毒，但浓度过高时，使空气中氧含量明显降低，使人窒息。为了人身安全，我们必须保证生存环境中甲烷的浓度在5%以下。因此，可燃性气体检测仪成为一个重要的研究课题。1.1.2论文研究目的和意义 可燃性气体通常指城市煤气、石油液化气、汽油蒸汽、酒精蒸汽、天然气以及煤矿瓦斯等。这些气体主要含有烷类、烃类、一氧化碳和氢气等烯类、醇类、苯类以及成分，易燃、易爆、贮存和使用这些气体过程中，如违反操作规程和设备密封不好，都有可能发生可燃气体泄漏现象，进而酿成火灾或爆炸事故，给国家和人民的生命财产造成损失。 可燃性气体探测报警装置是能够检测环境中的可燃性气体浓度并具有报警功能的仪器。该报警装置是石油化学工业、有可燃性气体泄漏可能的生产工厂及家庭防火防爆必备的仪器。可燃性气体报警器属于中华人民共和国强制检定的工作计量器具目录中第46项，它归类于物理化学计量器具。建筑设计防火规范(GBJ16-87)第10.3.2条明确规定“散发可燃气体、可燃蒸汽的甲类厂房和场所，应设置可燃性气体浓度检测报警装置。2003年12月，国家执行新的可燃性气体探测器标准(GB15322-200) 可燃气体探测器，2004年10月国家颁布可燃气体检测报警器规程JJG693-2004，研究新型、性能稳定、准确监测可燃性气体，并合乎国家相关规定的报警器具有极其重要得意义。 从社会发展形式看，对气体的检测报警越来越重要，而气体检测装置也都脱颖而出，但是很多装置都存在着某方面的弊端，例如，装置本身的使用耐久度、装置的灵敏度、报警明显度、设备的性价比、还有最大的弊端就是装置本身容易出现问题是否能及时发现和处理等等，这些是很值得考虑的。眼前，无论是公司、企业、或是家庭对装置的购买使用都会考虑装置寿命和性价比，所以理想的气体检测报警装置就首先必须满足这两点。可见，可燃性气体报警器具有十分广阔的市场前景。1.2可燃气体检测技术现状 矿工可能是最早意识到需要检测可燃气体的工人。矿井中甲烷有可能达到爆炸的浓度。由于甲烷无色无味，在工人认识到危险时甲烷可能积聚到了立即爆炸的浓度。任何火源的出现，比如工人的矿灯，都会引起爆炸事故。第一个可燃气体指示器，Davy的出现，就为工人的安全提供了保障。这种灯的变种现在仍然应用于矿井的安全检测领域。1927年，Oliver W.Johnson发明并提出了一种可燃气体在一个铂丝上催化燃烧机理的便携式可燃气体检测器。即使70多年后的今天，大多数密闭空间检测中用到的检测器仍然采用这种原理，当然已融入了更多的现在技术成分。随着计算机技术及传感器技术的发展，气体检测技术从原来的单方面应用一些化学反应发展为多方面、多科学交叉应用，在多方面获得了发展。从检测原理上分，目前运用比较多的主要有6种，下面逐一介绍。1利用电阻式气敏元件测量气体浓度。电阻式气敏元件经过一段时间的预热后，其阻值与周围气体浓度有着确定的关系，因此，只需测出运行状态下气敏元件的电阻值，便可推算出当前运行状态下待测气体的浓度。这是气体浓度测量中最常用的传统方法，在实际运用中，一般采用脉冲调制技术，即基于时间的比较方法，它利用标准时基信号，将与被测气体浓度有关的气敏传感器电阻的信息记录下来，转换成相应的模拟信号或数字信号，然后进行处理以达到测量目的。利用气敏元件测量气体浓度原理简单，操作也比较方便，但存在以下不足：(1)由于在检测仪中一般将气敏元件与标准元件组成测量电桥电路，因此电桥电路的非线性会影响测量精度；(2)电桥供电电压的大小对测量精度有很大影响；(3)检测时还需考虑现场温度、空气扰动等因素，需要串接上补偿电路。所以这种方法主要用在测量精度要求不高的场合。2超声波技术测量气体浓度。超声波在某种气体中的传播速度V与当前气体温度T和气体性质有一定的关系。超声技术就是利用了这种关系，通过测量超声波在气体中的传播速度V以及当前气体温度T，推算出该气体的大概浓度。如果需要测出气体浓度的具体值，可以通过实验推算出V，T与气体浓度的对应关系。由分析和实验可知气体浓度S与声速V气体温度T间呈非线性二元函数关系，通过对不同浓度的某种特定气体(如氯气)作精确测量，并利用计算机对实测数据采用最小二乘法作统计处理和进行曲线拟合。3气相色谱法测量气体浓度。气相色谱法是基于不同的气体在通过色谱柱时速度不同的原理，主要适用于工厂生产现场的检测、设备检修过程中动力作业的安全检测。该方法对混合气体进行多次采样，注入色谱仪直至色谱峰值全部出现后再对其进行色谱分析，很多地方也称其为光谱测量法。不同浓度的混合气体的色谱存在明显差异，根据当前呈现的色谱便能分析出当前气体浓度的高低。这种检测方法测量方便、快捷、线形范围宽、灵敏度高、可靠性重现性好，在气体浓度检测中占有很重要的地位，但在测量中必须合理地选择色谱柱及载气流速等参数，只有进行多次重复实验后方能获得理想的测量效果。4载体催化燃烧法检测气体浓度。这种检测方法线性和稳定性较好。以爆炸下限百分体积浓度为单位的浓度标度方法能统一衡量各种可燃气体浓度所呈现的爆炸危险度，而且量程符合工业要求，故常被用于爆炸危险场所可燃性气体的测爆。该检测方法以催化载体型气敏元件作为浓度的传感器，该元件由在铂丝上烧结一层陶瓷载体后，再涂覆催化活性物(Ph、Pd等)构成。当铂丝中通以工作电流使之达到临界反应温度(320-350)时，可燃气就在元件表面催化燃烧，铂丝电阻增加，在完全燃烧且热辐射可忽略时，电阻增量R与可燃气体浓度C成正比，将R转换成电信号，即可用于检测可燃气体的浓度。检测中一般将催化元件(检知元件)及与之配对的参比元件组成的电桥，作为浓度信号采样单元。由于催化元件的气敏特性除了与可燃气体浓度有关之外还受到工作电流、环境的温度和湿度、气压的影响，所以在设计过程中应注意采用桥式单元或其他参比元件对其予以补偿。5示踪气体浓度衰减法测量气体浓度。示踪气体检测法是向被测空间中注入一定量的示踪气体，如CO2等，通风(包括自然通风)后使示踪气体的浓度得到稀释，通过测出示踪气体浓度的变化，间接地求出通风量和空气龄。该方法基于示踪气体质量守恒方程，常用于研究单一建筑物渗透通风的特性。利用示踪气体测量建筑物渗透通风特性在国外已有大约四十年的历史，并且发展出了各种不同的测量方法。在此所应用的示踪气体应具有可测、稳定(一般情况下不与空气及其他物质发生化学反应)、无毒的特性，并且在空气中含量较少。针对不同的研究目的，示踪气体法可以应用在不同的研究领域。6光干涉法测量气体浓度。光干涉法是一种创新的检测方法，它基于同一光源发出的光波会被平面镜分为两束光，经不同路线后又汇集成一束光，发生光干涉，产生干涉条纹的物理现象。光干涉式气体浓度测定器目前被广泛应用于煤矿井下空气中的甲烷、瓦斯等浓度，以及其他环境下各种气体浓度的测定；在实验室也往往采用这种测定仪器作为相对参考的仪器。用该方法测定气体浓度时，必须考虑到气体的温度、压力、含量、换算结果，以及光在该气体中的折射率等问题。检测环境的多样化增加了气体浓度检测仪器开发的难度。气体浓度检测技术在应用中还需要考虑很多额外的因素，国内外对其的研究虽多，有的甚至开发出了一定的成型装置，但是各种方法都有一定的缺陷，在本文中，根据测量环境及技术要求，我们采用了载体催化燃烧法来检测气体浓度。1.3本论文主要任务本篇论文是可燃性气体检测仪的设计，主要任务如下：1、 了解可燃性气体检测的原理，收集相关资料；2、根据要求设计出总体方案，确定完成功能的模块；3、设计出硬件电路图，包括信号采集放大模块、电源模块模块、处理器模块、电容过滤模块、蜂鸣器模块，并运用Altium Designer画原理图，制作PCB；4、软件设计，写出A/D转换、数据处理、LCD显示、时间显示、蜂鸣器报警的程序；5、对制作好的板子进行调试、检测。系统的调试分为硬件调试和软件调试两部 分，调试的成功与否直接关系到系统运行的可行性。首先排除明显的硬件错误，再和软件结合起来调试以进一步排除故障。1.4 气体传感器介绍由于传感器在本设计中起着举足轻重的作用，所以有必要对传感器知识做一简单介绍。(l)气体传感器的分类 气体感器种类繁多，从检测原理上可以分为三大类： (a)利用电化学性质的气体传感器：如电流型气体传感器、电势型气体传感器等。 (b)利用物理化学性质的气体传感器：如半导体气体传感器、接触燃烧气体传感器等。 (c)利用物理性质的气体传感器：如热导气体传感器、光干涉气体感器、红外传感器等。(2)气体传感器应满足的基本条件 一个气体传感器可以是单功能的，也可以是多功能的；可以是单一的实体，也可以是由多个不同功能传感器组成的阵列。但是，任何一个完整的气体传感器都必须具备以下条件： (a)能选择性地检测某种单一气体，不受其他共存气体的影响或者受影响较小； (b)对检测信号响应速度快，重复性好； (c)长期工作稳定性好； (d)对被测气体具有较高的灵触度，能有效地检测允许范围内的气体浓度； (e)使用寿命长； (f)制造成本低，使用与维护方便。(3)常见气体传感器简介 下面对工业常用的几种气体传感器作简单介绍。 (a)固体电解质气体传感器固体电解质气体传感器使用固体电解质气敏材料作为气敏元件，其原理是利用气敏材料在通过气体时产生离子，测量其形成电动势从而测量气体浓度。由于这种传感器电导率高，灵敏度和选择性好，因而得到了广泛的应用，几乎打入了石化、环保、矿业等各个领域，其产量仅次于半导体气体传感器。但这种传感器制造成本高，检测气体范围有限，在检测环境污染领域中有优势。 (b)半导体气体传感器 半导体气体传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的气体传感器，以及用单晶半导体器件制作的气体传感器。自1962年半导体金属氧化物气体传感器问世以来，由于具有灵敏度高、响应快、输出信号强、耐久性强、结构简单、价格便宜等诸多优点，得到了广泛的应用。该传感器己成为世界上产量最大、使用最广的气体传感器之一。按照敏感机理分类，可分为电阻型和非电阻型。 (c)高分子气体传感器 利用高分子气敏材料制作的气体传感器近年来得到很大的发展。高分子气敏材料在遇到特定气体时，其电阻、介电常数、材料表面声波传播速度和颇率、材料重量等物理性能发生变化。高分子气敏材料由于具有易操作性、工艺简单、常温选择性好、价格低廉、易与微结构传感器和声表面波器件相结合，在毒性气体和食品鲜度等方面的检测中具有重要作用。高分子气体传感器具有对特定气体分子灵敏度高，选择性好，且结构单，能在常温下使用，可以弥补其它气体传感器的不足。 (d)接触燃烧式传感器 当易燃气体接触这种被催化物覆盖的传感器表面时会发生氧化反应而燃烧，故得名接触燃烧式传感器。接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层），使用时将铂丝通电，保持300-400的高温，此时若与可燃性气体接触，可燃性气体就会在稀有金属催化层上然烧，因此铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升；通过测量铂丝的电阻值变化的大小，就知道可燃性气体的浓度。 (e)热传导传感器 热传导传感器与接触燃烧式传感器具有类似的结构形式，但是测量原理不同。它的测量原理是：将加热后的铂电阻线圈置于目标气体中，由于向目标气体传送热量造成温度降低，引起电阻值变化，传感器即测量电阻值的变化情况。温度的变化情况是目标气体热传导率的函数，而对于一种给定的气体或汽化物，热传导率是它固有的物理特性。 (f)电化学传感器电化学传感器由膜电极和电解液封装而成。气体浓度信号将电解液分解成阴阳带电离子，通过电极将信号传出。它的优点是：反映速度快、准确、稳定性好、能够定量检测，但寿命较短（大约两年）。它主要适用于毒性气体检测，目前国际上绝大部分毒气检测采用该类型传感器。(4)常见气体传感器可检测气体种类由于气体的种类繁多，一种类型的气体传感器不可能检测所有的气体，通常只能检测某一种或两种特定性质的气体。例如氧化物半导体气体传感器主要检测各种还原性气体，如CO、 H2、C2H50H、CH30H等。固体电解质气体传感器主要用于检测无机气体，如02、C02、H2、CL2、S02等。第二章 可燃性气体检测系统总体设计方案2.1可燃性气体探测装置设计思路可燃性气体的检测要完成检测空气中气体的浓度，在液晶屏显示并进行报警的功能。通过气敏元件检测气体，然后对这个微弱的电压信号进行放大与滤波，在对信号处理之前还要进行A/D转换，由模拟信号转换为数字信号，处理器再对这个数字信号进行处理显示在液晶屏上。同时将它同需报警的电压范围进行比较，若需报警发出报警信号。所以探测装置应包含信号采集放大模块、电源模块模块、处理器模块、显示模块、蜂鸣器模块。由于条件有限，本设计采用的打火机作为可燃性气体源进行测试。打火机气体的主要成分是丁烷（C4H10），是一种易燃，无色的气体，在生活中十分常见。2.2 可燃性气体检测系统的总体框图和工作原理信号采集液晶显示ARM电源电路蜂鸣器 图2-1 总体框图信号的采集运用的是mc113催化燃烧式气敏元件。这个元件在通电加热的状态下，对可燃气体具有吸附、脱附效应，使其电导率随着空气中的可燃气体浓度增加而增大，使电路将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。信号的变化幅值与被测可燃气体浓度成单值对应关系，这样就可以根据信号的幅值来算出气体浓度。由于输出的电压信号很微弱(mV级)，要经放大处理才能进行AD转换，这部分由差分放大器和三极管完成，并且差分放大器还能有效的抑制噪声。处理器采用STM32F103ZE，自身还有A/D转换功能，所以不用另加A/D转换了，直接将放大后的信号送到处理器。ARM STM32F103ZE是一个集A/D转换，数据存储和处理于一身的处理器，不仅可以让可燃性气体检测数字化、智能化，也可使系统结构简单、功率降低。处理后的信号一方面直接传入LCD，控制其显示；另一方面，将这个信号与已写入的处理器内部的报警范围进行比较，若需报警，则发出信号，让蜂鸣器发出报警声。电源电路为各个芯片提供所需的电源电压。采用LM7805将输入的+9V电压转换为稳定的+5V电压；ASM1117将得到的+5V电压转换为稳定的+3.3V电压；LM317MSTT3将+5V电压转换为+2.8V电压，供给MC113；REF30XX将+5V电压转换为+2.5V电压，作为AD623的基电压。2.3 设计要求2.3.1 硬件设计要求本设计的硬件电路要能够：检测气体爆炸下限以下的浓度值，即检测范围在0100%LEL；A/D转换前的模拟电路要包含过滤功能，滤除噪音，减小误差；拥有蜂鸣器，拥有报警功能；能承受9V左右的直流输入电压，且内部的供电电压应稳定。2.3.2 软件设计要求软件的设计应满足：当可燃性气体达到报警阈值时，可燃性气体报警器必须能够准确及时的做出报警动作；能够显示可燃性气体爆炸下限百分比浓度；具有实时时钟的功能，能够显示时间；对超出60%LEL的气体浓度进行报警。第三章 可燃性气体检测装置的硬件设计气体检测系统的整体的硬件系统，包括信号模拟采集硬件电路、以ARM STM32F103ZE的最小系统电路、蜂鸣器硬件电路、LCD连接电路和电源电路。可以将气体浓度转换为电压信号，对这个信号进行放大、过滤，再A/D转换采样，得到的数字信号进行处理，最后显示和判断是否报警。报警电路过滤电路AD623放大电路STM32F103ZE最小系统MC113传感器及桥式电路TFT-LCD液晶显示电路+5V、+3V、+2.8V、+2.5V电源 图3-1 整体硬件设计框图3.1 信号模拟采集硬件电路设计 此部分电路主要完成信号的采集，放大，滤波等功能，接口电路图如下 图 3-2 信号模拟采集电路3.1.1 催化燃烧式传感器原理简介MC113型催化元件，取样方式为扩散式。根据催化燃烧效应的原理工作，由检测元件和补偿元件配对组成电桥的两个臂，遇可燃性气体时检测元件电阻升高，桥路输出电压变化，该电压变量随气体浓度增大而成正比例增大，补偿元件起参比及温湿度补偿作用。如下是MC113的外形结构和基本测试电路： 图3-3 MC113的外形结构和基本测试电路 根据上图可知，MC113工作的测试电压为2.8V，接在一个桥式电路中。当刚开始测试之前，可以调节滑动变阻器，进行调零。它的作用是在不含可燃性气体时，调节可调电阻，把初始电压调为零，有效解决了更换不同阻值的探头或者因周围环境变化导致初始电压不为零的初始化问题。表3-1 MC113的技术指标如上图知，该传感器采用恒压供电,工作电压为(2.80.1)V,工作电流为（9010）mA。传感器输出线性度很好,在满足设计要求的前提下不需要作额外的传感器非线性补偿处理。根据图3-4，MC113不仅可以检测甲烷（CH4）,还可以检测液化石油气（LPG）、氢气（H2），输出都呈现出一个良好的线性度。其中，甲烷的线性斜率最低，即当以甲烷为标准，在检测到其他可燃气体发出报警声时，实际浓度还未达到要报警的浓度范围。这样设计也是十分安全的。图3-4 MC113灵敏度特性使用环境和储存环境，一般生活的运用也是满足的。MC113的测量范围是（0100）%LEL，其中，“LEL”是指爆炸下限，它是针对可燃气体的一个技术词语。可燃气体在空气中遇明火种爆炸的最低浓度，称为爆炸下限简称LEL。英文：Lower Explosion Limited。本文为可燃气体检测仪的设有一个报警点：“25%LEL”为报警点。所以，当可燃气体检测仪报警后并不意味着随时就会有危险，它离达到爆炸还有一定的距离。马上采取相应的措施，比如开启排气扇或是切断一些阀门或者开启喷淋系统等，爆炸的危险就不会出现。离真正有可能出现危险的爆炸下限还有很大一段差距进行报警，这样才会起到报警提示的作用。 图3-5 MC113的灵敏度特性本设计采用的是其中的5号气敏元件，根据图3-5 MC113的灵敏特性可知，气体浓度变化1%时，输出电压变化20mV ，则可导出输出电压与气体浓度的线性关系：V = 20 公式（3-1）其中，V表示输出电压浓度，单位为V；表示气体浓度。这样就把气体浓度信号变成了电压信号。 图3-6 MC113的长期稳定性 在空气中每年漂移小于2个 mV，在 1%CH 中每年漂移小于2个 mV。短期储存（两周内）30 分钟即可稳定，如长期储存（一年），则需老化 5小时才可稳定。 如图3-7，可燃性气体传感器与R3、R6和R2 构成电桥电路，其中R3用来调整零点。电桥是恒压供电，供电电压为2.8V，由LM317MSTT3提供。 图3-7 MC113的外接电路3.1.2 放大电路 仪表放大器选用的是AD623，它可以采用单电源供电，外接电阻后其增益最高可达1000倍，放大倍数与增益电阻的关系式为：G=1+100K/R。在AD623的输入端接入R4、R5、C1、C2和C3是用来滤除无线电频率干扰(radio frequencyinterference,RFI)，特别是在信号较弱时期作用更加明显，其中R4与R5，C1和C3应分别相同。 图3-8 AD623放大电路 根据公式（3-1），可知输入AD623的电压信号的范围在0到100mV，所以选择VOFF为100mV。由于AD623可以采用单电源供电，为了简化电路，我们也选用单电源供电，则吉电压不能选0V。AD623输出的信号将送到ARM的A/D转换接口PC4，但是这个接口最大只能转换3.6V的电压，所以要求基电压加上摆动电压不能超过3.6V。最终我们选取的是基电压为2.5V，供电压为+5V,放大倍数定为7倍，这样可以保证在采样范围0100%LEL内产生的电压都可以经过A/D转换。 图3-2 AD623可达到的最高增益和不同的输入条件下的输出摆幅3.1.3 滤波电路 本电路由两阶RC滤波电路和同相比例放大电路组成，在集成运放输出到集成运放同相输入之间引入一个负反馈，在不同的频段，反馈的极性不相同，当信号频率ff0时（f0 为截止频率），电路的每级RC 电路的相移趋于-90，两级RC 电路的移相到-180，电路的输出电压与输入电压的相位相反，故此时通过电容c 引到集成运放同相端的反馈是负反馈，反馈信号将起着削弱输入信号的作用，使电压放大倍数减小，所以该反馈将使二阶有源低通滤波器的幅频特性高频端迅速衰减，只允许低频端信号通过。其特点是输入阻抗高，输出阻抗低。传输函数为： 公式（3-2）令 称为通带增益 称为等效品质因数 称为特征角频率 则 公式（3-3）上式为二阶低通滤波电路传递函数的典型表达式，电路图如下： 图3-9 滤波电路通过公式（3-3），计算出截止频率为1592Hz。然后，运用Multisim仿真，用bode分析仪分析，截止频率为1318Hz，如下图。图3-10 bode分析仪显示图3.2 嵌入式最小系统电路设计STM32F103ZE增强型系列使用高性能的ARM Cortex -M3 32位的RISC 内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器(高达512K字节的闪存和64K字节的SRAM)，丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。所有型号的器件都包含3个12位的ADC 、4个通用16位定时器和2个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C、3个SPI、2个I2S、1个SDIO、5个USART 、一个USB和一个CAN 。STM32F103ZE增强型系列工作于-40C至+105C 的温度范围，供电电压2.0V至3.6V，一系列的省电模式保证低功耗应用的要求。STM32F103ZE增强型微控制器适合于多种应用场合： 电机驱动和应用控制 医疗和手持设备 PC外设和GPS平台 工业应用：可编程控制器、变频器、打印机和扫描仪 警报系统，视频对讲，和暖气通风空调系统等 STM32F103ZE内的模数转换器，转换范围从0到3.6V。每个ADC共用多大21个外部通道，可以实现单次或扫描转换。在扫描模式下，在选定的一组模拟输入上的转换自动进行。如图3-11，这个最小系统包含复位电路、通信口电路、晶振电路及电源电路，可以保证处理器的启动。其中，VCC是+5V，VDD是+3V。图3-11 最小系统电路3.3 蜂鸣器硬件电路设计 声音报警电路图如下所示，本设计的R26选用100欧姆的电阻，这样可以是蜂鸣器发出的报警声更加响亮，适用于CH4报警器的报警声音源。当处理器STM32F103ZE的PE5脚置1时，三极管Q1导通，蜂鸣器报警。 图3-12 蜂鸣器电路3.4 LCD连接电路STM32F103ZE没有内置LCD驱动器， 选择的LCD屏为3.0寸的WQVGA（400x240）真彩屏，驱动芯片为SPFD5420A。该显示屏具有8bit和16bit两种总线模式，采用4个白色LED作为背光源，可以非常方便地和单片机通信。3.4.1 3.4.1 SPFD5420A的功能及电气特性SPFD5420A是一种262144色的片上系统驱动芯片（SOC），采用LSI的设计，中小尺寸TFT液晶显示屏能够支持的分辨率高达240RGB432，可以由指定图形数据的RAM实现。“720通道的有源驱动器具有真正的6位分辨率，通过内部的D / A转换产生64伽玛的修正值。SPFD5420A能与低达1.65V的IO口交互，纳入几个电荷泵生成各种电压等级，形成一个片上电源管理系统用于门电路驱动和源电路驱动。在SPFD5420A内置定时控制器可以支持几个中小尺寸便携式不同要求的接口显示。 SPFD5420A提供的通信接口，包括8-/9-/16-/18位并行接口和串行接口（SPI）通信接口不仅可以用来配置系统，他们也可以访问高速静态RAM显示画面。此外，SPFD5420A结合6、16和18位RGB接口显示运动图片。“SPFD5420A也支持八色模式和出于省电考虑的待机模式。SPFD5420A的逻辑电源电压为：2.53.6V其， I / O接口的电源电压（IO VCC）：1.653.6 V， 模拟电源电压（VCI）：2.53.6V。3.4.2 LCD屏和STM32的硬件连接SPFD5420A有8位和16位两种并行方式与STM32通信。STM32可以采用8080和6800两种模式与外部的LCD通信，这里采用16位并行方式，且SPFD5420A与8080方式兼容，其应用电路如图3-8所示。图3-13 SPFD5420A采用16位模式的典型应用电路在图3-8中，D0到D15为16位的并行数据总线，其余控制信号引脚的功能如表3-3所示。表3-3 SPFD5420A的控制信号线功能引脚名称NCSRSNWENOENRESETBACKLIGHTVCCGND功能片选信号数据或者命令信号总线写使用信号 总线写使能复位信号，低有效LCD背光控制3.3V的电源输入端地端STM32F103ZE自带FSMC（静态存储器控制器）单元，所以LCD的驱动芯片SPFD5420A应当挂在FSMC单元上。FSMC可以将AHB传输的数据信号转换到适应LCD接收的模式，且通过FSMC控制SPFD5420A的片选信号。图3-14 SPFD5420A与STM32的连接原理图+2.8V3.5 电源电路设计LM317MSTT3+9V电源LM7805ASM1117+3.3v+5VREF30XX +2.5V 图3-15 电源电路设计框图本设计中的ARM接口电路、声音报警电路、显示电路、按键控制电路等都需要有稳定的直流电源供电才能正常工作。系统中+9V电源为整体电路提供工作电压，之后再由稳压电路转换成各个部分所需电压值。表3-4 个电路所需电压电路电压总输入+9V蜂鸣器电路、AD623放大电路、滤波电路+5VJLINK接口电路、重启电路、LCD连接接口电路、电容滤波电路+3.3V信号采集桥式电路+2.8VAD623放大电路+2.5V 图3-16 +9V电压转换为+5V电压电路上图中，外接+9V直流电源，key是一个总开关，LM7805是一个三端稳压集成电路，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路（以下的转换电路同理），输入电压范围7V到20V，输出电压为+5V。LM7805两端的电容起着滤波的作用。图3-17 +5V电压转化为+3.3V电压电路 电路产生的+3.3V电压为通信接口和复位电路提供稳定的电源。 图3-18 +5V电压转换为+2.8V电压电路这个电路产生的+2.8V是提供给气敏元件MC113。其中，滑动变阻器R14用于调节使输出为+2.8V的。 图3-19 +5V电压转换为+2.5V电压电路这个+2.5V接入AD623的第5脚，作为基电压，使AD623的输出全为正值，利于后面的采集。 图3-20 实时时钟电源电路LI1220s是一个纽扣电池，用于在没有接通电源的情况下为实时时钟提供电源。3.6 PCB原理图图3-21 硬件原理图3.7 本章小结本章节主要介绍了气体检测系统的整体的硬件系统，根据设计指标要求选择各个元件，包括用mc113进行信号采集的信号模拟采集硬件电路、以嵌入式ARM STM32F103ZE的最小系统电路、蜂鸣器硬件电路、LCD连接电路和电源电路。根据整体的设计思路，对每个模块进行了主要的介绍。设计完成整个硬件电路后，对各模块进行了搭建电路测试，然后进行了PCB设计及制板，完成了硬件电路的功能性设计。本章节主要介绍了气体检测系统的整体的硬件系统，根据设计指标要求选择各个元件，包括用mc113进行信号采集的信号模拟采集硬件电路、以嵌入式ARM STM32F103ZE的最小系统电路、蜂鸣器硬件电路、LCD连接电路和电源电路。根据整体的设计思路，对每个模块进行了主要的介绍。设计完成整个硬件电路后，对各模块进行了搭建电路测试，然后进行了PCB设计及制板，完成了硬件电路的功能性设计。第四章 可燃性气体检测装置的软件设计根据可燃性气体检测仪的功能知道，可燃性气体检测仪的数据和信号的来源主要是气体浓度信号和实时时钟信号。处理数据过程有处理气体浓度信号。输出信号有输出报警信号、显示气体浓度信号和时间。根据以上信号处理的要点，对可燃性气体检测装置的软件进行设计。4.1 主程序的设计主程序的流程图如下所示。首先，对程序进行初始化，设置ADC的参数（比如：选择AD1，设置PC4为模拟输入等），初始化TFT显示器，A/D转换，浓度显示和蜂鸣器报警。开始报警是否超出报警限A/D转换初始化TFT显示器设置ADC参数电路板初始化时间显示浓度显示 Y N 图4-1 主程序流程图4.2 电路板初始化设计 电路板初始化框图如下。主要作用是配置内部Flash接口，初始化PLL，配置系统频率系统时钟缺省配置为72MHz。返回设置时基为1ms初始化按键变量GPIO输出寄存器的值为1初始化嵌入式闪存接口，PLL和更新SystemFrequency变量开始 图 4-2 电路板初始化程序框图4.3 设置ADC参数的设计 设计框图如下。主要功能是启用ADC1和GPIOC 时钟，配置PC4为模拟输入，对ADC1进行配置，比如：不用DMA选用软件触发，设置14脚的参数，启动ADC1复位寄存器等。开始启用ADC1和GPIOC时钟配置PC4为模拟输入配置ADC1返回图 4-3 ADC参数的程序设计框图4.4 初始化TFT显示器的设计设计框图如下。设计的功能就是初始化TFT显示器。开始配置LCD控制口线GPIO返回设置显示窗口WINDOWS初始化LCD，对LCD寄存器进行配置延时配置FSMC接口，数据总线图 4-4 初始化TFT显示器的设计框图4.5 A/D转换及浓度显示的设计设计框图如下图。本设计要完成对PC4脚模拟电压的转换，再将这个数字信号经过两个代数运算算出对应的气体浓度，进行显示。第一个运算是将这个信号转换为电压值。A/D转换器有12位，可以表达212种情况，即电压值=（采样值3600）/4096 公式（4-1）第二个运算是根据模拟电路的转换关系求出浓度。在没有浓度的情况下，AD623的输入电压差为零，基电压为2.5V，所以输出电压为2.5V。随后有个分压电路，使得进入PC4的电压为1025mv 。当有可燃性气体的输入时，电压的变化与浓度的变化关系公式（3-1），且AD623放大倍数为7倍，可得出转换关系式：浓度 = （电压值 - 1025）/（107） 公式（4-2）返回显示浓度值根据（电压值-1025）/（107）的浓度将采样值乘以3600后再除以4096，转换为电压值获取ADC采样值开始 图4-5 A/D转换及浓度显示的设计框图4.6 时间显示的设计 设计框图如下。主要功能是能够显示时、分、秒。配置RTC数据为0xA5A5从指定的数据备份注册读取数据开始NY设置秒数，初始化时间值Y根据状态启动或禁用指定的RTC中断无限循环显示时间清除复位标志通过Tample引脚进行RTC时钟输出将用户数据写入到指定的数据备份注册启用PWR和BKP时钟禁用Tample引脚 图4-6 时间显示的设计框图4.7 蜂鸣器报警的设计设计框图如下。当可燃性气体浓度超过报警设定值时，报警器会发出一种呜叫声，以提示操作人员采取安全对策或自动控制相关安全装置，从而保障生产安全，避免火灾或者爆炸事故的发生。设置选定的数据端口位读取处理后的浓度值开始清除选定的数据端口位是否超出60%LELNY 图4-7 蜂鸣器报警的设计框图4.8 本章小结本章阐述了可燃性气体探测装置中的软件设计，然后按照软件实现的功能，详细的设计并叙述了几个主要部分的软件流程图，包括：主程序设计流程图、电路板初始化流程图、A/D转换及浓度显示的设计流程图、报警子程序设计流程图等几个部分。第五章 系统调试开发过程中，从硬件设计到软件设计都需要做到准确无误。可见调试的工作量比较大。调试部分是系统设计中至关重要的部分。调试的成功与否直接关系到整个系统的可行性。硬件调试和软件调试是不能分开的，许多硬件错误是在软件调试中被发现和纠正的。但通常在排除明显的硬件错误后，在和软件结合起来进一步排除故障。可见硬件的调试是基础，如果硬件调试不通过，软件设计则是无从做起。5.1 硬件调试当硬件设计从布线到焊接安装完成之后，就开始进入硬件调试阶段，调试大体可分为以下几步。5.1.1 电源电路的调试在焊接过程中，应先焊接电源接口电路，如图3-16；然后通电，检查VCC是否为+5V，是否与地短路；再焊接其他电源转换电路，检查VDD是否为+3.3V，还有+2.8V和+2.5V的转换是否正常。若结果正常，则电源电路调试成功；若不正常，则要观察电路是否出现短信或断路的情况。这主要是通过万用表来完成。5.1.2 最小系统的调试 将最小系统的电路焊好后，通过J-LINK使电路板与电脑相连并连接好LCD，接通电源。然后将编译好的程序烧入板内，运行程序，观察液晶屏能否显示预设的界面。若能显示，这最小系统调试成功；若不能，则要检查最小系统的焊接，特别是STM32F103ZE的焊接，容易出现未焊接上或者短路的情况。5.1.3 设置参数电路中共有三个滑动变阻器，需调节达到想要的目的。第一个滑动变阻器如图3-18中，将万用表接在输出端，调节滑动器R14，使电路输出为+2.8V电压。第二个滑动变阻器在图3-7中，将万用表的两个输入端分别接在MC113+和MC113-，手动调节R3，使电桥输出差模电压小于1mV，本次调整R3后的差模电压为0.97mV 。第三个滑动变阻器见图3-8，如3.2.2中分析，最终选定放大倍数为7倍，在AD623的第二和第三脚输入两个压差在0到100mV范围内的信号，将输出端6脚的信号接到示波器上，调节R1，使放大倍数接近选定的倍数。但由于模拟信号受干扰的程度较大，最终根据多次测AD623的实际放大倍数求平均值得5.84 ，如下表：表5-1 AD623实际放大倍数测量结果序号输入信号电压差（mV）输出信号(mV)放大倍数1311585.1243.22606.03603766.34865846.85201005平均值5.845.2 软件调试软件调试主要采用keil软件调试编译程序。在这个过程中，通过J-Link将程序烧写进STM32F103ZE中，观察液晶屏显示情况进行调试。调试的内容在第四章中已有说明，这里有几个需要注意的也是我在调试过程中遇到的问题：5.2.1 确定A/D转换的输入引脚在main函数中，我们并不能看见A/D转换读取数据的引脚是哪个，只有GetADC()，所以容易让人忽略这个问题。在调试过程中就出现了不管怎么改变输入，转换后显示的值没有发生变化。查看ADC参数的设置函数ADC_Configuration（），发现模拟输入脚与信号输入脚不符。所以，改变模拟输入脚为PC4后，可正常读取信号的输入，进行A/D转换。5.2.2 中文显示程序设计要求在液晶显示屏显示中文，但是在调试过程中，中文显示部分是乱码。这主要是忘记了在显示之前将中文字库烧入flash内存中。运用J-Flash,将字库烧入内存中。其中，在烧入之前要进行起始地址的输入。STM32F103ZE的flash内存有512KB，分出300KB来存放中文字库。而内存将512KB等分为256个区，每个区有2KB，因此输入的起始地址必须为这个最小单位的倍数。最后，选定起始地址为08035000 。5.2.3 显示效果的调整液晶屏显示的内容有：仪器名称、设计者、可燃性气体测试浓度和时间。从美观的角度，需要对显示的位置和字体进行调整。但是芯片本身的没有调整字体大小的函数，则需要采用取膜软件，如图5-1，设置需要希望显示的字体和大小，生成代码，最后将这个代码写入程序中即可。本设计选定的字体为宋体，大小为3232 。采用这种方法，可只获取要显示的几个字的代码并写入程序中，这样可以减少工作量和内存。图5-1 汉字取膜另外出现了屏幕刷新