甄麗平 司紹偉

石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院信息工程系，石家莊 050031

武警石家莊指揮學(xué)院通信基礎(chǔ)教研室，石家莊 050006

具有無(wú)線收發(fā)功能的氣體檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

甄麗平 司紹偉

石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院信息工程系，石家莊 050031

武警石家莊指揮學(xué)院通信基礎(chǔ)教研室，石家莊 050006

設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種基于AT89S52的具有無(wú)線收發(fā)功能的可燃?xì)怏w檢測(cè)裝置，首先采用氣敏電阻傳感器TGS813，結(jié)合串行A/D轉(zhuǎn)換器TLC2543，實(shí)現(xiàn)了氣體信號(hào)的采集；AT89S52單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后通過(guò)無(wú)線收發(fā)芯片nRF905，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的開(kāi)路傳輸；此外，電路還設(shè)計(jì)了顯示模塊對(duì)測(cè)量值進(jìn)行顯示，當(dāng)氣體濃度超標(biāo)時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

TGS813；AT89S52；nRF905；氣體檢測(cè)

引言

氣體檢測(cè)在社會(huì)中有著廣泛的應(yīng)用，適用于石油、化工、冶金、等工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和家庭、商場(chǎng)、加油站等各種場(chǎng)所。如何快速、準(zhǔn)確地對(duì)易燃、易爆、有毒、有害氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)已成為當(dāng)前亟待解決的重要問(wèn)題。但有些場(chǎng)合由于環(huán)境復(fù)雜，線路敷設(shè)較困難，給氣體的檢測(cè)帶來(lái)巨大困難，增加了事故隱患。

在將氣體探測(cè)領(lǐng)域引入無(wú)線通信技術(shù)，可以解決惡劣環(huán)境（有毒氣體、高溫、低溫等）的遠(yuǎn)程監(jiān)控和無(wú)法布線環(huán)境下的氣體監(jiān)控難題，同時(shí)可以解決有線傳輸帶來(lái)的布線麻煩、出現(xiàn)故障檢查困難等缺點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的適應(yīng)性和檢測(cè)能力。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的可燃?xì)怏w檢測(cè)裝置是以高穩(wěn)定性、高測(cè)量精度，以及能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸為目的的。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

從機(jī)部分主要完成數(shù)據(jù)的采集和無(wú)線發(fā)送。系統(tǒng)工作過(guò)程如下：可燃?xì)怏w傳感器，采集氣體濃度信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行放大、穩(wěn)壓，再通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換電路送入單片機(jī)（從機(jī)）處理，處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線收發(fā)芯片nRF905發(fā)送。

主機(jī)部分主要完成接收數(shù)據(jù)、顯示和報(bào)警的功能。首先，單片機(jī)通過(guò)無(wú)線收發(fā)芯片nRF905接收數(shù)據(jù)，并用4位LED數(shù)碼管顯示氣體濃度，當(dāng)氣體濃度出現(xiàn)異常時(shí)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

2 信號(hào)采集及調(diào)理電路

2.1 氣敏電阻傳感器TGS813

TGS813是一款專門設(shè)計(jì)成針對(duì)于家庭應(yīng)用的氣體泄露報(bào)警器、工業(yè)用可燃?xì)怏w報(bào)警器以及便攜式氣體檢知器而開(kāi)發(fā)的氣敏電阻傳感器元件。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)測(cè)量電路如圖2所示，TGS813共有6個(gè)引腳, 其中管腳1、3、4、6為TGS813氣敏電阻傳感器的內(nèi)部電阻變化相關(guān)管腳，引腳1和引腳3傳感器外部短接，將短接端接入電橋電壓輸入端;引腳4和引腳6也在傳感器外部短接，短接后接入負(fù)載電阻端，作為氣敏電阻傳感器的信號(hào)輸出端。引腳2和引腳5是氣敏電阻傳感器加熱部分的輸入端，正常使用傳感器時(shí)，需要將引腳2和引腳5之間接入加熱電壓，用以給氣敏傳感器加熱，保證傳感器檢測(cè)目標(biāo)氣體時(shí)氣敏電阻部分處于正常的特定工作溫度。

因此，TGS813傳感器需要同時(shí)施加兩個(gè)工作電壓：加熱器電壓VH和回路電壓VC。VH施加在集成的加熱器上，用于維持敏感素子處于與對(duì)象氣體相適應(yīng)的特定溫度。VC則是用于測(cè)定與傳感器串聯(lián)的負(fù)載電阻RL上的兩端電壓VRL。

圖2 TGS813基礎(chǔ)測(cè)量電路

2.2 信號(hào)采集及調(diào)理電路

TGS813的基本原理是將氣敏電阻傳感器的電阻比——?dú)饷糨敵鎏匦赞D(zhuǎn)換成可以測(cè)量的電壓信號(hào)，即通過(guò)氣敏電阻RS的變化來(lái)檢測(cè)可燃性氣體濃度的。本系統(tǒng)中采用R0、R9、R10和TGS813的RS構(gòu)成一個(gè)電橋，來(lái)實(shí)現(xiàn)電阻到電壓的轉(zhuǎn)換。LM324中的一個(gè)運(yùn)算放大器A接成電壓跟隨器，和電阻R7、穩(wěn)壓管D1組成穩(wěn)壓電路，為電橋供電，以提高電橋激勵(lì)電壓的穩(wěn)定性。電橋轉(zhuǎn)換后的輸出電壓通過(guò)LM324的另外一個(gè)運(yùn)算放大器B進(jìn)行放大，放大倍數(shù)可通過(guò)電阻R11進(jìn)行調(diào)節(jié)，以便于輸出合適的電壓供A/D 轉(zhuǎn)換。

圖3 氣體濃度信號(hào)采集電路

3 A/D轉(zhuǎn)換電路

本次采用的A/D芯片是TI公司的12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC2543。由于89S52的I/O資源不是很豐富，采用串行輸入結(jié)構(gòu)，可以節(jié)省單片機(jī)很多I/O 資源。

A/D 轉(zhuǎn)換接口電路如圖4所示。TLC2543的I/O CLOCK、DIN和/CS端由單片機(jī)的P1.2、P1.3和P1.5提供。TLC2543轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸出（DOUT）數(shù)據(jù)由P1.4接收。

單片機(jī)通過(guò)編程產(chǎn)生串行時(shí)鐘，即由CLK先高后低的轉(zhuǎn)變提供串行時(shí)鐘；并按時(shí)序發(fā)送與接收數(shù)據(jù)位，完成通道方式/通道數(shù)據(jù)的寫(xiě)入和轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀出；用累加器和帶進(jìn)位的左循環(huán)移位指令來(lái)合成SPI功能。

圖4 A/D轉(zhuǎn)換電路

4 無(wú)線通信模塊

無(wú)線通信模塊采用挪威Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發(fā)器nRF905。nRF905 工作電壓為1.9～3.6V， 32 引腳QFN 封裝，工作于433/868/915MHz三個(gè)ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué))頻道，頻道之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間小于650us。nRF905可以自動(dòng)完成處理字頭和CRC(循環(huán)冗余碼校驗(yàn))的工作，可由片內(nèi)硬件自動(dòng)完成曼徹斯特編碼/解碼，使用SPI接口與微控制器通信，配置非常方便。

nRF905與MCU之間通過(guò)SPI接口進(jìn)行數(shù)據(jù)和命令交互，為了降低硬件成本同時(shí)保證一定的傳輸距離，圖5為典型的應(yīng)用原理圖，該電路天線部分使用的是50Ω單端天線我們采用50Q阻抗的天線。本無(wú)線射頻收發(fā)電路是按照433MHz通信頻率、工作電壓3.3V來(lái)設(shè)計(jì)的，根據(jù)nRF905芯片的datasheet圍配置電路參考表，來(lái)確定芯片外圍電路的匹配電阻、電容和電感的取值。應(yīng)用原理圖如圖5所示：

圖5 nRF905應(yīng)用原理圖

5 顯示和報(bào)警模塊

主機(jī)部分單片機(jī)接收氣體濃度信號(hào)后通過(guò)數(shù)碼管進(jìn)行顯示，并且當(dāng)濃度超過(guò)上限時(shí)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器報(bào)警。本系統(tǒng)選用了4位共陰數(shù)碼管,采用動(dòng)態(tài)顯示。顯示數(shù)據(jù)通過(guò)P0口送到數(shù)據(jù)鎖存器，送到數(shù)碼管。P2.0、P2.1、P2.2、P2.3四個(gè)口作為控制端，分時(shí)輪流控制各個(gè)LED數(shù)碼管的COM端，就使各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示。報(bào)警電路由單片機(jī)P2.5引腳產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。

6 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的具有無(wú)線傳輸功能的氣體檢測(cè)裝置，采用性能優(yōu)越的TGS813傳感器，設(shè)計(jì)了無(wú)線收發(fā)模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行開(kāi)路傳輸，并能實(shí)時(shí)顯示測(cè)量值，當(dāng)氣體濃度超標(biāo)時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)可燃?xì)怏w的遠(yuǎn)程監(jiān)控，而且可以解決無(wú)法布線環(huán)境下的氣體監(jiān)控難題，解決了有線傳輸帶來(lái)的布線麻煩、出現(xiàn)故障檢查困難等缺點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的適應(yīng)性和檢測(cè)能力。

[1] 張紅劍,葉敦范,倪效勇.可燃?xì)怏w傳感器TGS813在多路數(shù)據(jù)采集電路中應(yīng)用.國(guó)外電子元器件.2007(11):61-63

[2] 何立民.MCS51單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù).北京:航空航天大學(xué)出版社. 2001

[3] 賞星耀.射頻芯片nRF905在無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)中的應(yīng)用.機(jī)電工程.2005(10)

[4]侯海嶺，姚年春.無(wú)線收發(fā)芯片nRF905的原理及其在單片機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用.儀器儀表用戶.NO.3，2006：70～71

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.09.098

甄麗平，講師，碩士學(xué)位，研究方向：電子信息技術(shù)。