瓦斯传感器嵌入式信号处理电路的设计与实现.pdf

与图1相对应部分PLC显示驱动程序如图2 所示。 图2 PLC驱动程序梯形图 PLC程序运行中写输出的控制是在每个扫描 的结尾,把存在输出映象寄存器中的数据传送给数 字输出点。显示程序采取BCD码输出后下一个扫 描周期再输出选通控制的方法。因输出点频繁工 作,需选用晶体管输出类型的PLC型号,并且PLC 的扫描周期必须大于晶体管输出点的最大开通时 间,确保数据传送正确。 4 结语 以PLC为核心而实现的空气压缩机监测与保 护装置,可靠性高,结构简单。本文所给出的BCD 数据代码 “选通-锁存” 方式,具有抗干扰能力强、 节 约硬件支出等特点,并可在其它制造商生产的PLC 上使用,具有较好的推广价值。 参考文献 [1] 国家煤矿安全监察局.煤矿安全规程2001[M].北京 煤炭工业出版社,2001. [2] 杨家延.煤矿固定设备[ M].北京煤炭工业出版社, 1993 ,2. 收稿日期2002 - 07 - 03 作者简介周书颖,电气工程师,1988年毕业于中国矿业大学自动化 系,现在中国矿业大学电工电子教学实验中心工作。 文章编号1671 - 251X200206 - 0037 - 02 瓦斯传感器嵌入式信号处理电路的设计与实现 聂晓华, 姜建国 中国矿业大学信电学院,江苏 徐州 221008 中图分类号TP212 文献标识码B 摘要结合吸收光谱式光纤瓦斯传感器的设计原理及参数,采用单片机AT89C2051和其它串行工作方 式的A/ D采样、 存储、LCD显示、RS232器件,设计实现了瓦斯传感器嵌入式信号处理电路。 主题词瓦斯传感器;信号处理;电路;设计 1 传感器信号处理电路的数学模型 吸收光谱式光纤瓦斯传感器测量甲烷气体矿 井瓦斯中的主要成分浓度的计算公式 C 1 μL ln i0 i 1 μL -ln U0 U 1 式中C为甲烷浓度;μ为甲烷气体的吸收系 数;L为光通过甲烷气体的光程即气室长度 ; i0 和i分别为光通过瓦斯气体前后的光电流;U0和 U为检测放大电路输出的光通过瓦斯气体前后的 电压。 U0取 4V 即A/ D转换器的差分输入最大基准 电压 , μ 5. 610 - 6 ,气室长度L取0. 2m ,由式 1 , 得 C -0.893106ln U U0 2 要使式2中C 100 ,则Umin 1. 3V ,即U 的范围在1. 3～4V之间。采用8位A/ D转换器 256 位 , 则A/ D转换最小分辨电压为 ΔUAD 4/ 73瓦斯传感器嵌入式信号处理电路的设计与实现 聂晓华 姜建国 28 0. 015V/位。 A/ D转换器的采样信号电压范围为0～5V ,所 对应的采样数据范围为00H～FFH。LCD所要显 示的瓦斯浓度为0～100 ,所对应的A/ D转换器 的采样信号电压范围应该为1. 30～4. 00V ,因此采 样数据范围应该为53H～DAH。 2 硬件电路的组成 信号处理硬件电路如图1所示,设计中考虑到 了体积小,功耗低、 防爆等特点。 图1 硬件电路原理图 图1中,测量系统电路输出的电压信号输入至 A/D转换器TLC549经采样、 保持转换为数字量后, 串行输入至单片机AT89C2051进行信号处理,处理 后的显示值存储在E2PROM 24C16存储器中,同时 串行输出至LCD模块EDM - C002显示,当24C16 存储器满则经过串行RS232标准串行发送至检测 监视中心。由于电路的实时性要求不是很高,所有 部件都采用了串行工作方式。 1串行输入液晶显示器EDM - C002模块。 液晶显示器工作电压低,仅3～6V ,功耗又极小,每 平方厘米仅18～80μW ,同样的显示面积,其功耗比 LED显示器小几百倍,所以可与CMOS电路直接配 合,用于数字及图形显示,适用于便携式智能仪器。 本电路中,选用国产EDM - C002型八位串行输入 段码式模块,它体积小、 显示的段码较大、 接口管脚 少,特别适合于AT89C2051等管脚少、 嵌入式设计 的单片机使用。 2本设计采用RS - 232标准的MAX232芯 片串行发送通信,其特点不需要 12V电源供电, 单一的 5V供电;只需要4个1μF电容器,进一步 降低成本和减少印刷板空间;1个封装中2个驱动 器,2个接收器;保证120kbps数据传输速率;保证 3V/μs最小转换速率;不闭锁不同于双极型 ; 静电 放电ESD保护。 3 I2C总线是芯片间串行传输总线 ,它以2根 连线实现了完善的全双工同步数据传送,可以极方 便地构成多机系统和外围器件扩展系统。I2C总线 采用了器件地址的硬件设置方法,通过软件寻址完 全避免了器件的片选线寻址方法,从而使硬件系统 具有最简单而灵活的扩展方法。 本设计所使用的AT24C16是ATMEL公司推 出的带I2C接口系列的E2PROM器件,其容量为 20488。由于I2C总线接口均为开漏或开集电极 输出,故需加上拉电阻。利用AT89C2051的串行口 RXD、TXD ,模拟24C16总线的数据线、 时钟线 SDA、SCL。AT24C16存储程序的设计,关键是掌握 好其时序,调整时序中的时间间隔。 3 软件设计 单片机软件由9个部分组成初始化程序、 自检 程序、 采样子程序、 滤波子程序、 极限值校正、 查表子 程序、 存储子程序、 串行发送子程序、LCD显示子程 序。流程图如图2所示。 图2 主程序框图 4 结语 此电路经过调试,达到了预期目的。它为单片 机最小系统,全部采用了串行工作方式的器件,实现 了采样、 储存、 显示、 串行输出等功能。它具有体积 小、 结构紧凑、 通用性强、 功耗低、 性价比高等优点。 收稿日期2002 - 06 - 12 作者简介聂晓华1969 - ,男,工学硕士,工程师,现在中国矿业大 学信电学院攻读博士学位。 83 工矿自动化2002年第6期