一種新型高可靠性甲烷傳感器設(shè)計

根據(jù)該傳感器的多功能與高精度要求,A /D轉(zhuǎn)換電路采用TLC2543C,把測量模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。TLC2543C為10位開關(guān)電容逐次逼近的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。通過一個串行的3態(tài)輸出端與主處理器或其他外圍器件相連,減少了硬件走線。除了高速轉(zhuǎn)換和通用控制功能之外,器件具有11路的模擬輸入端,完全能夠滿足多路采樣和功能升級。器件的轉(zhuǎn)換器結(jié)合外部輸入的差分高阻抗基準(zhǔn)電壓,具有簡化比例轉(zhuǎn)換以及模擬電路與邏輯電路和電源噪聲隔離的特點。開關(guān)電容的設(shè)計還可以使在整個溫度范圍內(nèi)減小轉(zhuǎn)換誤差,提高系統(tǒng)的精度。

3.3 顯示電路和RS232串行口通信電路及硬件看門狗電路

為了適應(yīng)礦井環(huán)境,該傳感器采用帶背光的寬液晶顯示屏,增強(qiáng)視覺效果,并且?guī)в腥諝v、時間顯示功能。

與PC機(jī)進(jìn)行通信,存儲數(shù)據(jù),從而對礦井環(huán)境建立數(shù)據(jù)庫,對環(huán)境進(jìn)行分析,單片機(jī)的串行口加上MAX232電平轉(zhuǎn)換器,采用3線制與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送,波特率為9 600 bp s。單片機(jī)T1計數(shù)器作為串行口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的波特率發(fā)生器。采用XI2COR公司帶有串行接口( SP I) EEPROM的看門狗芯片X5045,在傳感器初始化時進(jìn)行設(shè)置,并且將其設(shè)置數(shù)據(jù)保存在EEPROM中。使整個系統(tǒng)的可靠性大大提高,而且最大程度的節(jié)省了系統(tǒng)的資源。

3.4 外遙控電路和放大電路

系統(tǒng)中也使用了紅外通信的模式。TOSH IBA的TC9148P紅外調(diào)制發(fā)射芯片,有單鍵發(fā)射功能和連續(xù)發(fā)射功能。遙控發(fā)射器的選擇、上調(diào)、下調(diào)三鍵均采用連續(xù)發(fā)射的模式。接收部分只采用了紅外接收頭,在單片機(jī)內(nèi)部實現(xiàn)了軟件解碼的功能。紅外遙控的使用使得操作方便、可靠。

采用數(shù)字電位器X9313 取代了模擬電位器。對傳感器的精度和靈敏度進(jìn)行調(diào)整,使得精度和準(zhǔn)確度提高。

4 軟件設(shè)計和算法實現(xiàn)

系統(tǒng)上電后,首先對單片機(jī)進(jìn)行初始化,然后對A /D進(jìn)行初始化,之后系統(tǒng)開始工作。首先采樣甲烷濃度并顯示,超過安全值報警; 然后采樣環(huán)境溫度并顯示; 最后顯示時間,循環(huán)采樣并實時顯示。

另一方面用外部中斷INT0等待鍵盤輸入,INT0中斷即進(jìn)入鍵盤設(shè)置程序,可調(diào)整日歷時間、設(shè)置安全報警值。其主程序與PC機(jī)和紅外線、鍵盤中斷程序流程圖如圖4所示。在系統(tǒng)工作的初始狀態(tài)設(shè)定完成之后,可以對甲烷傳感器進(jìn)行氣體的測定。

圖4 主程序與PC和紅外線、鍵盤中斷程序流程圖

5 誤差討論

5.1 工作電壓帶來的誤差

由傳感器測量電路輸出電壓推導(dǎo)公式可知,在對輸出電壓線性化時忽略了二次項,因此存在著非線性誤差,這個誤差可以在單片機(jī)中采用模糊數(shù)學(xué)補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行消除。在A /D ( TLC2543)轉(zhuǎn)換通道中,基準(zhǔn)電壓的波動可導(dǎo)致不可預(yù)測的誤差甚至錯誤結(jié)果。這種誤差的消除方法只有在基準(zhǔn)電壓輸入端采用精密電源芯片,使電壓值穩(wěn)定在準(zhǔn)確值2.5 V。

5.2 算法誤差

設(shè)計中乘除法采用4字節(jié)的定點算法,數(shù)字表示范圍是: 0～4 294 967 295。計算結(jié)果的相對誤差在0.9 ×10-4 ,所以計算精度可以得到保證。最終的相對誤差在0.3%以下。

6 結(jié)論

(1)處理芯片的升級,滿足0%～4%甲烷濃度測量。在此范圍之中測量誤差在0.3%以內(nèi)。甲烷濃度超出安全值準(zhǔn)確報警,同時可測量和顯示環(huán)境溫度。

(2)傳統(tǒng)儀表功能擴(kuò)展:日歷、時鐘顯示,紅外遙控芯片使用和硬件看門狗電路。

(3)測量儀表自動化程度高,無需大量手工操作?？膳cPC機(jī)進(jìn)行通信,為礦井環(huán)境數(shù)據(jù)庫的建立,從而分析井下環(huán)境走勢提供了必要條件。尤其是儀表的紅外芯片的使用方便了調(diào)試和使用。

(4)實現(xiàn)了低功耗,高可靠性,操作方便。正常工作情況下處于充電,備用電池在現(xiàn)場斷電情況下自動切換。

在目前的試用中,對該傳感器的設(shè)計反映很好,它能夠可靠、穩(wěn)定、安全的測量井下瓦斯,對于預(yù)防井下安全事故起到了重要作用,具有推廣應(yīng)用價值。