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毒剂监测仪pGas200-TD

简要描述:空气监测仪系统组成及工作原理
本系统功能由硬件和软件两大部分协调完成,硬件部分主要完成各种传感器信号的采集、转换、各种信息的显示等;软件主要完成信号的处理及控制功能等。其工作原理是89C51单片机一次查询各种传感器的输出信号,然后89C51对输入信号进行相应处理后通过显示模块44780输出,同时还可输出各种报警信号。
毒剂监测仪pGas200-TD

  • 产品型号:
  • 厂商性质:生产厂家
  • 更新时间:2023-05-24
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详细介绍

主控模块

系统采用AT89C51单片机,它带有4KB闪速存储器、128B内存,最大工作频率24MHz,同时,具有32条输入输出线,16定位时/计数器,5个中断源,1个串行口。

AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器(FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压、高性能CMOS 8位微处理器,俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMELAT89C51是一种高效微控制器,AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

传感器的选型

选用定电位电解式传感器。它是一种湿式电化学气体传感器,通过测定空气在某个确定电位电解时所产生的电流来测量气体浓度。传感器输出的是标准的4~20mA的信号,为了满足后续电路的需要采用两个运算放大器组成I/V转换电路,采用RCV420集成芯片。下图是RCV420与后续放大电路的原理图。

420mA电流输入对应05V电压输出时,要求电路的传输阻抗为: VOUT/IIN=5V/16mA=0.3125V/mA 为了得到期望的输出(4mA0V20mA5V),放大器的输出必须有一个偏置: VOS=4mA×(0.3125V/mA=1.25V 输入电流信号接至+IN端还是接至-IN端取决与信号的极性,并经过中心抽头CT返回地端。两个匹配的75Ω检测电阻Rs构成对称输入,可最程度地抑制CT脚的共模电压信号,消除不同输入端电流在差分电压转换时的不均衡。检测电阻将输入的电流信号经差分放大器放大,转换成一个与之成正比的电压。 位于放大器反馈通道中的T型网络节点用于产生所需要的-1.25V偏置电压。输入电阻网络提供了很高的输入阻抗,并将共模输入电压衰减至运算放大器的共模信号容限内。

电源和信号的连接 图3所示是RCV420电源和信号的正确接法。正负电源脚各接一个1μF的退耦电容,并尽能地靠近放大器。为避免由外部电路引入的增益和CMR误差,应按图示方法接地,并确保最小接地电阻。输入信号视其极性或接至+IN脚,或接至-IN脚,经中心抽头CT脚返回地端。电压基准的输出Ref OUT脚应接至Ref IN,以产生电平偏置。Ref IN脚不用时必须接地,以维持高共模抑制。    

增益调节 图4所示是RCV420的增益调节电路。在运放的反馈通道插入一个小电阻R1,可以增大增益。采用此方法增大增益将导致CMR下降,因此,增益调节应尽可能的小。例如,用一个125Ω电阻可使增益增大1%,但CMR将下降约6dB。 在检测电阻上并联匹配电阻RX,可以减小增益。增益值由下式表示: VOUT/IIN=0.315RX/RXRS) 并联7.5kΩ电阻可使增益减小1%。为了维持高共模抑制,并联电阻的匹配很重要。并联电阻的温度参数的任何不一致,都将引起增益误差和CMR的漂移。   偏置调零 有两个方法可对RCV420的输出偏置电压进行调零。一是用片内10V基准作电平移动,对电压基准的输出进行调整。二是采用图5电路,在Rcv Com脚外接低输出阻抗运放,这种方法可对输出偏置电压进行较大范围地调节。采用这个办法调零,Ref IN脚必须与Rcv Com脚相连,且要求Rcv Com脚对地端为低阻抗,以维持高共模抑制。

AD574A12位逐次逼近式A/D转换器,如图2所示。它转换速度快,12位精度一次转换时间为25us,转换功率为40MSPS。片内具有三态输出锁存缓冲期,全8位或16位微处理器接口,250us总线读取时间,与微处理器接口简单,非线性误差小于+-1/2LBS+-1LBS。在-55C~125C温度范围内满足线性要求。其管脚及接口电路如图所示。

多路转换开关4051及电路设计

4051是典型的八选一CMOS多路开关,它们用幅度为0~+VDD~-VEE的正负极性的模拟信号,4051的静态功耗最大为100uW,最大静态电流为10uA,开关延迟时间为720ns。其管脚及接口电路如图3所示。

2.5 44780显示模块

  本系统采用Fig3 4051 and interface clrcult 44780驱动的LCDHD44780KS0062)是用低功耗CMOS技术制造的大规模点阵LCD控制器(兼带驱动器),和4bit/8bit微处理器相连,它能使点阵LCD显示大小写英文字母、数字和符号等丰富的信息,同时又较强的通用性应用,使用方便,用户能用少量元件就可组成一个完整点阵LCD系统,送入相关的数据和指令即可实现所需的显示

   44780现实模块有8条数据线,3条控制线,可与微处理器或微控制器相连,通过送入数据和指令,就可使模块正常工作,44780显示模块和89C51单片机连接如图4所示。

2.6 抗干扰设计

   在危机测控系统中,系统抗干扰性能的好坏直接影响到整个系统工作的可靠性和安全性。因此,抗干扰设计师系统设计的一个主要内容,本系统采用的是由硬件和软件相结合的抗干扰措施。

2.6.1系统硬件抗干扰设计

1)滤波技术:1 将电源变压器的进线段加入滤波器,以消弱瞬变噪声干扰;2 在直流电源线和地线之间接滤波电容,以抑制电源噪声。

2)去藕电路:在印刷电路板的各个集成电路的电源线端与地线端之间配置去藕电容。

3)屏蔽技术:屏蔽技术主要由电场屏蔽,电磁场屏蔽和磁场屏蔽三类,本系统是电场和电磁场屏蔽的方法。主要使用低电阻材料作为屏蔽材料,把需要隔离的部分保卫起来。磁场屏蔽则应采用高导磁率的材料。

4)光电隔离:在I/O通道上采用光电隔离器,将单片机系统与各种传感器、开关从电器上隔离开来,很大一部分干扰可被阻挡。

2.6.2 系统软件抗干扰设计

对于微机测控系统,仅仅考虑硬件的抗干扰远远不够的,采取一定的软件抗干扰措施非常必要,它不仅能降低系统的硬件成本,又可以充分发挥软件的优势,使系统具有自我诊断,自我恢复的能力。本系统采用的软件抗干扰措施主要有以下几种:

1)数字滤波技术,采用数字滤波技术除去输入信号中所掺杂的各种随机干扰。

2)软件陷阱技术,当系统受到干扰,PC值发生变化,程序“乱飞"等情况,可以用软件陷阱和看门狗将程序拉回到复位状态。具体的讲,可以在RAM中埋一些标志,在每次程序复位时,通过这些标志,可以判断复位原因并根据不同的标志直接跳到相应的程序。这样可以使程序运行有连续性,用户在使用时也不易察觉到程序被重新复位过。

3软件设计

   该系统软件主要由主程序、中断子程序、数据采集与A/D转换子程序、显示子程序、报警子程序等六大模块组成,因为C语言编写的软件易于实现模块化,生成的机器代码质量高、可读性强、移植好,所以本系统的软件采用C语言编写,在KeilVision3 Demo版本的集成开发环境下进行编译连接。

3.1 主程序设计

   主程序主要完成硬件初始化、子程序调用等功能,主程序流程图如图5所示。

3.2 数据采集自程序设计

    数据采集与A/D转换子程序根据输入参数对相应的模拟信号进行采样、量化及处理,并将相应的信号的数值返回主程序

3.3 显示子程序设计

    显示子程序完成符号、数值的显示输出。

3.4 报警子程序

    主要实现异常情况下控制告警信号输出。如当室内甲醛升高到某一点时,或苯含量升高到某一规定值时,音频报警装置会发出不同频率的告警信号,同时相应的指示灯亮(点亮报警指示灯的任务由显示子程序完成),以引起工作人员的注意




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