可燃氣體測量儀器是一種廣泛用于石油化工、天然氣、礦井、冶金、油庫等眾多易燃易爆場所的檢測設備。該設備對可燃氣體測量主要是通過單點或多點測量，但隨著現(xiàn)代科技的進步已逐漸發(fā)展成通過計算機實現(xiàn)儀表數(shù)字化網(wǎng)絡測量的監(jiān)控系統(tǒng)。用這樣的一個監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控、采集被測現(xiàn)場的可燃或有毒氣體，可以及時地把被測氣體的濃度通過液晶顯示出來。當氣體濃度達到報警值時，就會發(fā)出聲光報警，并記錄下報警時間，以便事后的檢查。而采集到的信號將被傳送給計算機控制系統(tǒng)，通過關聯(lián)的聯(lián)動模塊觸動閥門以打開排氣、排風設備，從而實現(xiàn)現(xiàn)場可燃氣體的安全控制。因此設計一款能穩(wěn)定并實時采集現(xiàn)場可燃氣體信號的數(shù)字顯示探頭就尤為重要。

　　1 系統(tǒng)工作原理

　　可燃氣體報警器由傳感器檢測電橋、直流放大器、A/D轉(zhuǎn)換單元、零點、量程調(diào)整單元、單片機以及報警顯示電路和輸出電路等部分組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。首先，傳感器送來的與可燃性氣體濃度相對應的微小電壓信號經(jīng)過放大后，由A/D轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后送入單片機。單片機再對該數(shù)字信號進行濾波處理，并對處理后的數(shù)據(jù)加以分析，以確認是否大于或等于某個報警值。若大于報警值則啟動報警電路發(fā)出聲光報警，反之則為正常狀態(tài)。然后該數(shù)字信號被送到顯示單元以顯示相應的濃度值。

　　2 硬件電路設計

　　2.1 可燃氣體傳感器

　　經(jīng)過試驗對比，該設計采用半導體金屬氧化物可燃氣體傳感器TGS842。這種具有高穩(wěn)定性的傳感器需要在一定的高溫下工作，以實現(xiàn)其氧化還原反應，所以必須要有電壓來為其加熱，而加熱電壓是由+5 V的電源提供。該傳感器的測量方式為：由其構(gòu)成惠斯登檢測橋路，當含有可燃性的混合氣體擴散到檢測元件上時，在氣敏元件表面將會發(fā)生氧化還原反應，使電阻阻值發(fā)生變化，打破電橋平衡，產(chǎn)生大小與可燃氣體濃度成正比的微小電壓差信號，從而達到檢測可燃氣體濃度的目的。過程如圖2所示。

　　2.2 信號調(diào)理電路

　　傳感器輸出的信號是微弱信號，需經(jīng)過集成運算放大器OP07進行線性放大處理，以滿足A/D轉(zhuǎn)換電路對電平信號的要求。但在信號輸入前，需加入一個具有 100個電阻值，并能對漂移信號進行精確調(diào)節(jié)的高精度數(shù)字電位器X9C103對輸入漂移信號進行調(diào)零，使其不進入運算放大器OP07。具體流程為：電橋輸出的信號一端經(jīng)X9C103(P3.4控制)調(diào)零后;進入OP07的反相輸入端(2腳)，而輸出電壓V。則通過電阻R9接到反相輸入端(2腳)和調(diào)零端(1腳)以保證引入的是負反饋;另一端由同相輸入端(3腳)引入放大器，經(jīng)放大后由另一個X9C103(P3.5控制)實現(xiàn)量程的外部調(diào)節(jié)。

　　信號經(jīng)過2個數(shù)字電位器到達A/D轉(zhuǎn)換單元。A/D轉(zhuǎn)換單元由TLC549芯片實現(xiàn)，它以8位開關電容逐次逼近的方法實現(xiàn)轉(zhuǎn)A/D轉(zhuǎn)換。模擬信號有ANVIN引入，它通過，CLOCK和DATA OUT與AT89C51通信。當變?yōu)榈碗娖胶?，TLC549芯片被選中，同時前次轉(zhuǎn)換結(jié)果的最高有效位MSB(A7)自DATA OUT端輸出。接著CLOCK端輸出8個外部時鐘信號，前7個CLOCK信號的作用是配合TLC549輸出前次轉(zhuǎn)換結(jié)果A6～A0，并為本次轉(zhuǎn)換做準備。在第4個CLOCK信號由高變低后，片內(nèi)采樣保持電路對輸入模擬量采樣開始。第8個CLOCK信號的下降沿使片內(nèi)采樣保持電路進入保持狀態(tài)，并啟動A/D 開始轉(zhuǎn)換。

　　為了使電路能夠可靠穩(wěn)定的工作，采用X5045實現(xiàn)電路監(jiān)視功能。X5045有一個可設定200 ms，600 ms，1.4 s或禁止的看門狗定時器。在本電路中X5045被設置為1.4 s的定時器。硬件電路如圖2所示，在單片機程序中，每隔一定的時間間隔放置一條“喂狗”指令(即在P1.6輸出一個下降沿)，該時間間隔應小于1.4 s，以保證程序正常運行時X5045不會溢出;當程序出現(xiàn)異常，該時間間隔將超過1.4 s導致X5045溢出，并通過RST引腳送出一個復位信號使單片機復位，重新開始運行程序。

　　2.3 輸出單元

　　傳感器的現(xiàn)場電壓信號由電壓/電流變換器轉(zhuǎn)換成4～20 mA的標準電流信號后傳送給上位機控制系統(tǒng)。為實現(xiàn)電壓信號變換成4～20 mA標準電流信號，采用XTRl05精密電流變送器。它內(nèi)含1個高精度的儀表放大器、1個電壓/電流變換器和2個相同的O.8 mA精密恒流源基準。傳感器的電壓信號由13腳輸入;3，4腳之間接滑動電阻以調(diào)節(jié)輸出滿幅值;1，2，14腳接電源，I/O腳接24 V電源正端(且是環(huán)流注入端);7腳通過負載電阻RL接電源負端(也是環(huán)流信號輸出端);8，9腳外接BD235三極管，該三極管是4～20 mA電流回路的主要電流傳導器件，能將外部電源電流與XTRl05的內(nèi)部消耗嚴格地分開。

　　2.4 零點、量程調(diào)整及報警單元

　　本探頭的量程為O～100%LEL，可針對不同環(huán)境對零點及量程做適當調(diào)整。按鍵電路采用霍爾元件A44，它可置于表頭內(nèi)部，提高了探頭的安全性，從而改進了按鍵易受腐蝕，不利于裝置密封的缺點。在外磁場的作用下，當磁感應強度超過導通閾值時，霍爾輸出管導通，輸出低電平。相反，則霍爾輸出管截止，輸出高電平。對于可燃氣體檢測儀，聲光報警部分必不可少。當可燃氣體濃度小于安全值時綠燈亮，但可燃氣體濃度大于安全值時紅燈亮，同時伴隨蜂鳴器響。即當檢測到可燃氣體在空氣中所占的比例超標時，就發(fā)出聲光警報，防止由可燃氣體含量過高而發(fā)生意外事故。如圖3所示。

　　2.5 電源模塊設計

　　控制系統(tǒng)采用統(tǒng)一的24 V直流電源供電，但是AT89C51和TGS842傳感器需要+5 V電源，而OP07需要-5 V電源，這就需要電壓轉(zhuǎn)換單元?？捎肕C34063芯片來實現(xiàn)+24 V到+5 V的電壓轉(zhuǎn)換。MC34063芯片是單片式DC/DC變換器。圖4為采用MC34063芯片構(gòu)成的開關降壓電路。當芯片內(nèi)部開關管導通時，電流經(jīng) MC34063的1腳、2腳給電感L1，L2，電容G3和負載供電，同時電感L1，L2存儲能量;當內(nèi)部開關管斷開時，由電感L1，L2繼續(xù)給電容C3和負載供電，輸出+5 V電源電壓。如圖5所示。

　　ICL7660內(nèi)含四個模擬開關S1～S4，由內(nèi)部振蕩器控制、按一定順序通斷。兩個普通的電解電容C2和C3分別接到腳2和腳4以及腳5。當S1和S3 閉合，S2和S4斷開時，C2被充電至+5 V。過一段時間，當S1和S3斷開，S2和S4閉合時，C2上的電荷便向C3上轉(zhuǎn)移。數(shù)次循環(huán)后，C3上的電壓便等于-5 V，從而實現(xiàn)了正電壓到負電壓的變換。

　　3 軟件設計

　　系統(tǒng)的軟件功能主要包括：被檢測氣體濃度信號A/D轉(zhuǎn)換、防脈沖干擾平均值濾波、狀態(tài)指示燈及按鍵功能設置、用液晶顯示模塊顯示氣體濃度值和報警電路設計等。主程序流程如圖6所示。

　　3.1 報警電路的設計

　　報警程序的設計思想是首先將報警值輸入Xmax單元，然后獲取本次采樣值Xi與Xmax進行比較。若小于報警值，則本次采樣正常，可將正常值送入 RESULT單元，并置標志位O(表示正常)。若大于報警值，則轉(zhuǎn)入報警處理。進行報警處理時，首先判斷上一次采樣是否正常，如果正常，即可重新采樣，置允許檢測不正常次數(shù)N，然后在轉(zhuǎn)入報警處理程序;如果不正常，則檢測一下是否連續(xù)N次不正常。是，則報警;不是，則再把剩下的允許連續(xù)不正常的次數(shù)Z存入計數(shù)單元，然后再進行報警處理，置本次采樣不正常標志返回主程序。報警電路程序流程如圖7所示。

　　3.2 濾波電路的設計

　　工作環(huán)境的變化可能會使氣體傳感器在對氣體濃度采樣時遇到尖脈沖干擾。這種干擾一般持續(xù)時間短，峰值大。在對其進行數(shù)字濾波處理時，僅僅采用算術平均或移動平均濾波只能對脈沖干擾進行1/n處理，其剩余值仍然較大。最好的策略是去掉將受干擾信號的數(shù)據(jù)，即防脈沖干擾平均值濾波法。算法是：對連續(xù)的n個數(shù)據(jù)進行排序，去掉最大和最小的2個數(shù)據(jù)，將剩余數(shù)據(jù)求平均值。為了加快數(shù)據(jù)處理速度，n的取值為8。

　　但是該算法還存在一個不足之處，就是每采集一個數(shù)據(jù)就要進行一次排序，這樣會大量占用系統(tǒng)時間。解決的辦法就是在系統(tǒng)中用兩個變量來存儲當前n個數(shù)據(jù)的最大值和最小值在這個數(shù)組中的偏移量，只有被新輸入數(shù)據(jù)覆蓋的數(shù)據(jù)正好是當前的最大或最小值時，才會在下個數(shù)組中查找最大或最小值;這樣在其他情況下，只要將輸入數(shù)據(jù)與最大值和最小值比較就可以修改最大值和最小值了，而且不用進行數(shù)據(jù)排序。濾波電路軟件流程圖如圖8所示。

　　4 結(jié)語

　　本文所設計的可燃氣體數(shù)字顯示探頭具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、測量精度高、利于密封和可維護性好等特點。該儀器用LCD顯示可燃性氣體濃度，在其濃度達到設定濃度時發(fā)出聲光報警。具有的故障自診斷功能能快速重復檢測和延時報警。同時報警器還能與上位機控制系統(tǒng)進行通信，既可以實時傳送氣體濃度檢測數(shù)據(jù)給控制系統(tǒng)以記錄保存，也可以利用上位機控制系統(tǒng)實現(xiàn)遠程實時檢測和聯(lián)動裝置的控制等功能。