基于单片机的液化气检测报警器设计(7)

信息科学与技术学院学士学位论文

所以只好从实物店购买一个来，购买的MQ-N5传感器功能稳定，性价比不错，里面还自带放大电路，液化气传感器的木块实物图如图3-4所示。

图3-4 液化气传感器模块实物图

3.4信号采集及前置放大电路

在许多检测技术的应用场合，传感器输出的信号比较弱，而且其中还包括了工频、静电和电磁耦合等共模干扰，对这种信号的放大就需要放大电路具有很好的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗。只有传感器输出的信号经过前置放大电路对其进行的放大、滤波、电平调整，才能满足单片机对输入信号的要求。

设计中采用LM393作为电路的运算放大器。LM393是价格便宜的带差动输入功能的高增益四运算放大器。LM393的静态功耗小、价格低廉，可在较宽电压范围内的单电源或双电源下工作，其电源电流很小且与电源电压无关，四个运放一致性好；其输入偏流电阻是温度补偿的，也不需外接频率补偿，可做到输出电平与数字电路兼容。

IC2A作为电压跟随器，通过滑动变阻器Rp2产生的参考电压Vref接入IC2B的反相输入端，从传感器输出的信号经过运算放大器LM393的同相输入端，为保证电路引入负反馈，在IC2B中，输出电压Vo通过电阻R22接到反相输入端，由此组成差分比例运算电路。该电路的反馈组态为电压串联负反馈。信号采集及前置放大电路的电路图如果3-5所示。

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图3-5 信号采集及前置放大电路图

设计中采用的信号放大电路有以下几个特点：

（1）由于电路不存在“虚地”现象，所以其两个输入端都有较高的共模输入电压，这对放大电路的稳定性和运算的精度都有影响。

（2）电电路中IC2A构成了的“电压跟随器”可以减少电路模块间由于阻抗引起的干扰。用来匹配阻抗用的，防止滑动变阻器输出电压受到影响。

（3）由于引入了深度电压串联负反馈，因此电路的输入阻抗很高，输出阻抗很低。高输入阻抗就可以减少放大电路对前端电路的影响，同时低输出阻抗也可以提高自身的抗干扰性，这显然有利于电路中其他模块的设计。

由于放大电路还增加入了参考电压，引入了零点调节功能，这样可以更方便地调整由于不同传感器导致的零点变化问题。它利用通过滑动变阻器Rp2产生的参考电压Vref和传感器的输出电压分别输入到运算放大电路的两个输入端，由此得到的输出电压Uo与两个输入端之差成正比而实现差分比例电路。所以调节滑动变阻器Rp2，就可以直接改变放大电路的参考电压值，使报警系统可以在可燃气体的不同浓度下工作，即用气敏传感器实现对不同气体浓度的测量。

3.5 A/D转换电路

在高精度的数字测量及输出电路中，A/D 或 D/A 转换器的精度都依赖于它的

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基准参考电压，基准源是一类专用的芯片。选择电压基准源时，应当针对系统的要求，综合考虑电压基准源的技术指标。电压基准源的技术指标很多，主要的指标是：初始精度、输出电压温度漂移、提供电流以及吸入电流的能力、静态电流、长期稳定性、输出电压温度迟滞、噪音等。

早期的稳压器件是齐纳二极管，尽管它在电路中可以作为稳压器件使用，但是要作为系统的基准源还是不行的，原因是它的温漂系数过大，达到2mV/℃，同时它的负载调整率也很差。通过一些补偿的方法，早期的设计人员还是设计出了一些齐纳式基准，比如国产的2DW7就是采用了双齐纳管反相串联的补偿方法，用硅二极管的正向-2mV/℃的温漂和齐纳击穿的正温漂进行补偿。还有NSC的LM393，是采用了90℃温度稳定的方法来设计基准源，

ADC0809是一种逐次逼近式8路模拟输入、8位数字量输出的A/D转换器。ADC0809的转换速度较快，完成一次的转换时间为100μs左右，可对0-5V的模拟信号进行转换。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。

ADC0809的主要引脚功能如下。

（1）IN0～IN7是8路模拟信号输入端。D0～ D7是8位数字量输出端。 （2）A,B,C分别是ALE控制8路模拟通道切换，A,B,C分别与三根地址线或数字线相连，三者编码对应8个通道地址口。C,B,A=000～111分别对应IN0～IN7通道地址。

（3）OE,START,CLK,EOC为控制信号端，OE为输出允许端，START为启动信号端，CLOCK为时钟信号输入端, EOC为转换结束信号端。

（4）Vref(+)和Vref(-)为参考电压输入端。

ADC0809虽然有8路模拟通道可以同时输入8路模拟信号，但每个瞬间只能转换一路，各路之间的切换由软件变换通道地址实现。地址锁存与译码电路完成对 A、B、C 3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连。ADC0809引脚图和内部逻辑结构图如图3-6所示。

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图3-6 ADC0809引脚图和内部逻辑结构图

A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。设计中采用中断方式进行数据传送。

扩展中地址锁存器使用74LS373。74LS373是八D锁存器，常应用在地址锁存及输出口的扩展中。其主要特点在于：控制端G为高电平时，输出Q0～Q7跟随输入信号D0～D7的状态;G下跳沿时，D0～D7的状态被锁存在Q0～Q7上。由于ADC0809片内无时钟，可利用AT89C51提供的地址锁存允许信号ALE经D触发器二分频后获得，ALE脚的频率是AT89C51单片机的时钟频率的1/6。由于单片机频率采用6MHz,则ALE脚的输出频率为1MHz，在经二分频后为500kHz，恰好符合ADC0809对时钟频率的要求。由于ADC0809具有输出三态锁存器，因此其8位数据输出引脚可直接与数据总线相连。

在单片机扩展连接ADC0809电路中，地址译码引脚A、B、C分别与地址总线的低三位A0,A1,A2相连，以选通IN0～IN7中的一路。将P2.7（地址总线A15）作为片选信号，在启动A/D转换时，由单片机的写信号和P2.7控制ADC的地址锁存和转换启动，由于ALE和START连在一起，因此ADC0809在锁存通道地址的同时，启动转换。在读取转换结果时，用低电平的读信号和P2.7脚经一级或非门后，产生的

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正脉冲作为OE信号，用以打开三态输出锁存器。转换结束信号EOC经反向后送到单片机的/INT0引脚，单片机读取A/D转换结果并将结果送P1端口显示。

ADC0809与单片机的接口电路图如图3-7所示。 液化气报警器模块U42627281234567910111216IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7STARTEOCOUTPUT ENABLECLOCKVCCVREF(+)VREF(-)ADC0809ADD AADD BADD CALE2 -1MSB2 -22 -32 -42 -52 -62 -72 -8LSBGND2524232221P0020P0119P0218P038P0415P0514P0617P0713 图3-7 ADC0809与单片机的接口电路图

3.6声音报警及消音键电路

电路通过三极管基极串连一个电阻与单片机P2.3端口连接从而达到控制蜂鸣器是否报警。报警装置采用电磁式无源蜂鸣器 HC-12075-B其参数特点如下：

额定电压：1.5V

额定电流：=<10mA～=<70Ma 声压电平：>=75～>=85 谐振频率：2048Hz 线圈电阻：6.5±1Ω～60±2Ω 重 量 ：1.5g

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