用于可燃气体信号采集的数字显示探头设计方案

    　可燃气体测量仪器是一种广泛用于石油化工、天然气、矿井、冶金、油库等众多易燃易爆场所的检测设备。该设备对可燃气体测量主要是通过单点或多点测量，但随着现代科技的进步已逐渐发展成通过计算机实现仪表数字化网络测量的监控系统。用这样的一个监控系统监控、采集被测现场的可燃或有毒气体，可以及时地把被测气体的浓度通过液晶显示出来。当气体浓度达到报警值时，就会发出声光报警，并记录下报警时间，以便事后的检查。而采集到的信号将被传送给计算机控制系统，通过关联的联动模块触动阀门以打开排气、排风设备，从而实现现场可燃气体的安全控制。因此设计一款能稳定并实时采集现场可燃气体信号的数字显示探头就尤为重要。

　　1 系统工作原理

　　可燃气体报警器由传感器检测电桥、直流放大器、A/D转换单元、零点、量程调整单元、单片机以及报警显示电路和输出电路等部分组成。系统框图如图1所示。首先，传感器送来的与可燃性气体浓度相对应的微小电压信号经过放大后，由A/D转换电路将其转换成数字信号后送入单片机。单片机再对该数字信号进行滤波处理，并对处理后的数据加以分析，以确认是否大于或等于某个报警值。若大于报警值则启动报警电路发出声光报警，反之则为正常状态。然后该数字信号被送到显示单元以显示相应的浓度值。

　　

　　2 硬件电路设计

　　2.1 可燃气体传感器

　　经过试验对比，该设计采用半导体金属氧化物可燃气体传感器TGS842。这种具有高稳定性的传感器需要在一定的高温下工作，以实现其氧化还原反应，所以必须要有电压来为其加热，而加热电压是由+5 V的电源提供。该传感器的测量方式为：由其构成惠斯登检测桥路，当含有可燃性的混合气体扩散到检测元件上时，在气敏元件表面将会发生氧化还原反应，使电阻阻值发生变化，打破电桥平衡，产生大小与可燃气体浓度成正比的微小电压差信号，从而达到检测可燃气体浓度的目的。过程如图2所示。

　　

　　2.2 信号调理电路

　　传感器输出的信号是微弱信号，需经过集成运算放大器OP07进行线性放大处理，以满足A/D转换电路对电平信号的要求。但在信号输入前，需加入一个具有 100个电阻值，并能对漂移信号进行精确调节的高精度数字电位器X9C103对输入漂移信号进行调零，使其不进入运算放大器OP07。具体流程为：电桥输出的信号一端经X9C103(P3.4控制)调零后;进入OP07的反相输入端(2脚)，而输出电压V。则通过电阻R9接到反相输入端(2脚)和调零端(1脚)以保证引入的是负反馈;另一端由同相输入端(3脚)引入放大器，经放大后由另一个X9C103(P3.5控制)实现量程的外部调节。

　　信号经过2个数字电位器到达A/D转换单元。A/D转换单元由TLC549芯片实现，它以8位开关电容逐次逼近的方法实现转A/D转换。模拟信号有ANVIN引入，它通过，CLOCK和DATA OUT与AT89C51通信。当变为低电平后，TLC549芯片被选中，同时前次转换结果的最高有效位MSB(A7)自DATA OUT端输出。接着CLOCK端输出8个外部时钟信号，前7个CLOCK信号的作用是配合TLC549输出前次转换结果A6～A0，并为本次转换做准备。在第4个CLOCK信号由高变低后，片内采样保持电路对输入模拟量采样开始。第8个CLOCK信号的下降沿使片内采样保持电路进入保持状态，并启动A/D 开始转换。

　　为了使电路能够可靠稳定的工作，采用X5045实现电路监视功能。X5045有一个可设定200 ms，600 ms，1.4 s或禁止的看门狗定时器。在本电路中X5045被设置为1.4 s的定时器。硬件电路如图2所示，在单片机程序中，每隔一定的时间间隔放置一条“喂狗”指令(即在P1.6输出一个下降沿)，该时间间隔应小于1.4 s，以保证程序正常运行时X5045不会溢出;当程序出现异常，该时间间隔将超过1.4 s导致X5045溢出，并通过RST引脚送出一个复位信号使单片机复位，重新开始运行程序。

　　2.3 输出单元

　　传感器的现场电压信号由电压/电流变换器转换成4～20 mA的标准电流信号后传送给上位机控制系统。为实现电压信号变换成4～20 mA标准电流信号，采用XTRl05精密电流变送器。它内含1个高精度的仪表放大器、1个电压/电流变换器和2个相同的O.8 mA精密恒流源基准。传感器的电压信号由13脚输入;3，4脚之间接滑动电阻以调节输出满幅值;1，2，14脚接电源，I/O脚接24 V电源正端(且是环流注入端);7脚通过负载电阻RL接电源负端(也是环流信号输出端);8，9脚外接BD235三极管，该三极管是4～20 mA电流回路的主要电流传导器件，能将外部电源电流与XTRl05的内部消耗严格地分开。

　　2.4 零点、量程调整及报警单元

　　本探头的量程为O～100%LEL，可针对不同环境对零点及量程做适当调整。按键电路采用霍尔元件A44，它可置于表头内部，提高了探头的安全性，从而改进了按键易受腐蚀，不利于装置密封的缺点。在外磁场的作用下，当磁感应强度超过导通阈值时，霍尔输出管导通，输出低电平。相反，则霍尔输出管截止，输出高电平。对于可燃气体检测仪，声光报警部分必不可少。当可燃气体浓度小于安全值时绿灯亮，但可燃气体浓度大于安全值时红灯亮，同时伴随蜂鸣器响。即当检测到可燃气体在空气中所占的比例超标时，就发出声光警报，防止由可燃气体含量过高而发生意外事故。如图3所示。

　　

　　2.5 电源模块设计

　　控制系统采用统一的24 V直流电源供电，但是AT89C51和TGS842传感器需要+5 V电源，而OP07需要-5 V电源，这就需要电压转换单元。可用MC34063芯片来实现+24 V到+5 V的电压转换。MC34063芯片是单片式DC/DC变换器。图4为采用MC34063芯片构成的开关降压电路。当芯片内部开关管导通时，电流经 MC34063的1脚、2脚给电感L1，L2，电容G3和负载供电，同时电感L1，L2存储能量;当内部开关管断开时，由电感L1，L2继续给电容C3和负载供电，输出+5 V电源电压。如图5所示。

　　

　　ICL7660内含四个模拟开关S1～S4，由内部振荡器控制、按一定顺序通断。两个普通的电解电容C2和C3分别接到脚2和脚4以及脚5。当S1和S3 闭合，S2和S4断开时，C2被充电至+5 V。过一段时间，当S1和S3断开，S2和S4闭合时，C2上的电荷便向C3上转移。数次循环后，C3上的电压便等于-5 V，从而实现了正电压到负电压的变换。

　　3 软件设计

　　系统的软件功能主要包括：被检测气体浓度信号A/D转换、防脉冲干扰平均值滤波、状态指示灯及按键功能设置、用液晶显示模块显示气体浓度值和报警电路设计等。主程序流程如图6所示。

　　

　　3.1 报警电路的设计

　　报警程序的设计思想是首先将报警值输入Xmax单元，然后获取本次采样值Xi与Xmax进行比较。若小于报警值，则本次采样正常，可将正常值送入 RESULT单元，并置标志位O(表示正常)。若大于报警值，则转入报警处理。进行报警处理时，首先判断上一次采样是否正常，如果正常，即可重新采样，置允许检测不正常次数N，然后在转入报警处理程序;如果不正常，则检测一下是否连续N次不正常。是，则报警;不是，则再把剩下的允许连续不正常的次数Z存入计数单元，然后再进行报警处理，置本次采样不正常标志返回主程序。报警电路程序流程如图7所示。

　　3.2 滤波电路的设计

　　工作环境的变化可能会使气体传感器在对气体浓度采样时遇到尖脉冲干扰。这种干扰一般持续时间短，峰值大。在对其进行数字滤波处理时，仅仅采用算术平均或移动平均滤波只能对脉冲干扰进行1/n处理，其剩余值仍然较大。最好的策略是去掉将受干扰信号的数据，即防脉冲干扰平均值滤波法。算法是：对连续的n个数据进行排序，去掉最大和最小的2个数据，将剩余数据求平均值。为了加快数据处理速度，n的取值为8。

　　但是该算法还存在一个不足之处，就是每采集一个数据就要进行一次排序，这样会大量占用系统时间。解决的办法就是在系统中用两个变量来存储当前n个数据的最大值和最小值在这个数组中的偏移量，只有被新输入数据覆盖的数据正好是当前的最大或最小值时，才会在下个数组中查找最大或最小值;这样在其他情况下，只要将输入数据与最大值和最小值比较就可以修改最大值和最小值了，而且不用进行数据排序。滤波电路软件流程图如图8所示。

　　

 

　　4 结语

　　本文所设计的可燃气体数字显示探头具有结构稳定、测量精度高、利于密封和可维护性好等特点。该仪器用LCD显示可燃性气体浓度，在其浓度达到设定浓度时发出声光报警。具有的故障自诊断功能能快速重复检测和延时报警。同时报警器还能与上位机控制系统进行通信，既可以实时传送气体浓度检测数据给控制系统以记录保存，也可以利用上位机控制系统实现远程实时检测和联动装置的控制等功能。