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STM32 设计开发甲烷报警电路应用

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  CH4报警器以实现快速准确检测出环境中的低浓度CH4气体为基本功能,并且,
在环境中甲烷浓度达到一定值时向用户发出声光报警。甲烷报警器主要模块组成:
    1)甲烷气体传感器及驱动电路。通过甲烷传感器对CH4气体敏感的特性,对使
      用环境中的CH4气体浓度进行检测,配合传感器驱动电路为甲烷传感器提供正
      常工作所需的电压电流条件,保证传感器工作条件的稳定,将气体浓度信息转
      化为电信号,供后续信号处理电路采集。
    2)传感器信号调理电路。传感器信号调理电路主要完成对传感器输出信号的调
      理,将其转化成后续电路能够处理的电压信号。
    3)传感器信号处理单元和逻辑控制单元。该部分主要由微控制器完成,利用微
      控制器内部集成的AD转化器将经过信号调理电路调理的传感器输出信号数
      字化,作为报警器控制单元的输入,控制单元根据该输入,结合预先设定的报
      警逻辑算法,对环境中甲烷的浓度信息进行逻辑判断,并判断是否报警及产生
      相关报警动作。
    4)声光报警模块。该部分由语音芯片、扬声器及指示灯及相应的驱动电路组成。
      作为甲烷报警器的报警执行机构,当环境中甲烷浓度超过警戒值时,负责发出
      声光报警信息。
    5)系统电源模块。该模块主要负责为整个系统提供符合要求的工作电压,将220V
      市电转换成符合要求的低压直流电,保障报警器正常工作时的供电。
    另外考虑到对报警器的维护和升级,还可以包括诸如网络通信接口和数据存储等
扩展功能模块。


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沙发
wangjiahao88|  楼主 | 2019-11-6 15:55 | 只看该作者
    甲烷气体传感器和匹配的传感器驱动电路作为报警器的前端检测装置,将环境中
的甲烷浓度信息转换为电信号,供信号传感器信号调理电路进行调理,通过调节传感
器静态输出、信号放大等手段,去除由于传感器本身特性所产生的部分干扰,将传感
器输出的微弱信号转换成报警器主控单元可以接受的电压信号,作为系统报警逻辑判
断的输入。报警器主控模块主要由微控制器组成,实现传感器信号处理单元和逻辑控
制单元的功能,利用微控制器内部集成的AD转化器将经过信号调理电路输出信号数
字化,输入控制单元,并结合数字滤波等预先设定的报警逻辑算法,拟合出环境中甲
烷的浓度,判断甲烷浓度是否超过报警闽值,如果没有超过报警闽值,则绿灯保持常
亮状态,提示甲烷浓度正常。如果超过报警闽值,则系统绿色指示灯熄灭,红色指示
灯发出间断闪烁的同时语音报警模块发出报警语音提示,引起用户的注意,及时采取
措施,排除险情。这使得报警器的报警机制更加完善。

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板凳
wangjiahao88|  楼主 | 2019-11-6 15:55 | 只看该作者
    甲烷报警器的系统框图如图2.1所示。报警器系统以微控制器构成的主控单元为
核心,外围配合各种基本功能单元模块,实现对环境中甲烷气体浓度的采集、系统故
障自诊断、系统运行状态指示、浓度信息数据处理和报警逻辑判断以及声光报警等功
能。为了使系统能够实现对传感器工作状态的实时监测、对浓度数据的高速处理、两
级报警逻辑的功能设定、延时报警确认及智能声光报警等功能,系统核心应该采具备
高性能AD转换器的高速微控制器,这样可以保证系统在具备较好的工作稳定性、较
高的测量精度的同时,降低系统的功耗,保证系统的可靠性和稳定性,在选取其他外
围器件时,应选用体积小,成本低的元器件,这样可以减小系统的体积,增加系统的
便携性,同时提高系统的性价比。

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地板
wangjiahao88|  楼主 | 2019-11-6 15:55 | 只看该作者

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wangjiahao88|  楼主 | 2019-11-6 15:56 | 只看该作者
请问一下,这里的甲烷是需要专用的传感器吗?
希望有人可以指点迷津!

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wangjiahao88|  楼主 | 2019-11-6 15:58 | 只看该作者
    甲烷报警器内部具有交直流稳压模块,可以直接接入到220V市电使用,将220V
市电转换为报警器可以使用的直流电。直流稳压电源模块一般一下模块组成:电源变
压器模块、全波整流电路模块、滤波电路模块等[f6l。其结构图如图3.1所示。市电网
提供的220V交流电经过报警器系统电源模块内部的变压器降压,得到电压值较低的
交流电,然后通过桥式整流电路进行全波整流,得到混有尖峰脉冲的直流电,最后通
过滤波电路将交流成分滤除,得到直流电。由于此时得到的直流电仍然有小幅度的波
动,这些小幅度的波动会影响报警器信号调理电路和AD转换模块的精度,降低报警
器的准确度,所以此时得到的直流电不能直接供给报警器系统使用,还需要经过一个
稳压电路得到最终满足使用要求的直流电。本论文中设计的甲烷报警器中的典型工作
电压有两种,分别为3.3V和2.5V,但是考虑到系统的工作电流较大,长时间工作,
系统电源发热等问题,为了降低单个稳压电路的功率,降低发热量,本设计中电源模
块直接为系统提供9V的直流电,然后分别通过一个SV, 3.3V和2.5V电源稳压芯片,
其中2.5V电源供传感器驱动电路使用,3.3V电源供系统其余部分使用,SV电源稳压
芯片用来分担功耗,防止其他电源稳压芯片功耗过大烧毁。

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wangjiahao88|  楼主 | 2019-11-6 15:58 | 只看该作者

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8
wangjiahao88|  楼主 | 2019-11-6 15:59 | 只看该作者
    接触燃烧式气体传感器主要利用可燃性气体与敏感材料接触发生氧化反应产生
燃烧热改变敏感元件电阻的原理检测可燃性气体的浓度。如果环境中存在可燃性气
体,当其与工期中的氧气接触时,会发生燃烧,放出反应热,这种热量将使以铂丝为
主的敏感材料温度升高,导致铂丝的电阻率变大,相应的其电阻值增大。通常情况下,
环境中的可燃性气体浓度不会超过10},在这样的浓度下,可燃性气体可以与氧气反
应完全,反应放出的热量与环境中的可燃性气体的浓度成正比,环境中可燃气体浓度
越高,反应放出的热量就越多,相应的铂丝温度上升的幅度就越大,导致其电阻值增
大值就越大。所以,敏感材料铂丝的电阻变化值(0 R)与空气中的可燃气体浓度成正相
关,只要测得这个电阻变化值,就可以通过一定的算法,拟合计算出环境中的可燃性
气体浓度[f}l。然而,由于工作时器件经常燃烧发热,选用单纯的铂丝线圈作为敏感元
件其寿命较短。所以,实际应用时往往选用表面涂有氧化物触媒的铂丝圈作为敏感元
件,这样可以延长气敏元件的寿命[fgl

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wangjiahao88|  楼主 | 2019-11-6 15:59 | 只看该作者

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wangjiahao88|  楼主 | 2019-11-6 15:59 | 只看该作者
    MC105是郑州威盛公司生产的一款催化接触燃烧式甲烷气体传感器,它由塑料外
壳、金属网罩、检测元件、补偿元件及金属管脚组成。实际使用时,传感器需要与电
桥配合使用,传感器的两个电极作为电桥的两个桥臂,当传感器与空气中的甲烷气体
接触时,在检测电极表面发生氧化反应,放出大量燃烧热,使检测电极温度升高,检
测电极采用涂有氧化物触媒的金属铂丝制作,当温度升高时,电阻率升高,电阻变大,
而补偿元件的温度基本保持不变,补偿元件起温湿度补偿作用,所以原有的电桥平衡
被打破,电桥输出的电压信号发生变化,这个变化的电压信号的变化程度和
大小与周围环境中甲烷浓度成正比,通过后续系统的处理,便可以得到环境中甲烷的
浓度大小。其外观及结构如图3.3所示。

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wangjiahao88|  楼主 | 2019-11-6 16:00 | 只看该作者

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wangjiahao88|  楼主 | 2019-11-6 16:00 | 只看该作者
    MC105传感器具有良好的重复性、选择性、相应速度快。并且具有较好的长期稳
定性,是报警器设计中比较理想的选择,目前已经在甲烷气体报警及检测领域获得广
泛应用。

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wangjiahao88|  楼主 | 2019-11-6 16:00 | 只看该作者

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wangjiahao88|  楼主 | 2019-11-6 16:03 | 只看该作者

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wangjiahao88|  楼主 | 2019-11-6 16:03 | 只看该作者

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wangjiahao88|  楼主 | 2019-11-6 16:04 | 只看该作者

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wangjiahao88|  楼主 | 2019-11-6 16:04 | 只看该作者
    如图3.10所示,市电220V交流电,经过系统电压模块,获得9V直流电压,作
为整个系统的供电电压,考虑到芯片散热等问题,由9V电压转换得到SV电压。由
于传感器工作电压为2.5V,系统其余部分的工作电压为3.3V,且传感器工作过程中温
度始终保持在较高状态,这样传感器及其加热电路部分的功率就比较高,为了保证系
统其余部分不受传感器加热电路的影响,所以采用从SV电压经由2.5V稳压模块的方
式获得稳定的2.5V直流电压,作为传感器的加热电压。

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wangjiahao88|  楼主 | 2019-11-6 16:05 | 只看该作者
    如前所述,由于传感器MC 1 OS的工作原理是通过传感器与甲烷气体接触燃烧,
燃烧使检测元件温度升高引起电阻率变化,进而加热电压在两个元件上分压的方式将
环境中的甲烷浓度变化转换为传感器两个元件分压的改变,所以需要匹配合适的传感
器信号采样电路,考虑到信号的特点及报警器的性价比等因素,这里选用桥式电路作
为传感器信号采样电路。
    如图3.11所示,C, D是传感器的两个元件,C称为反应元件,表面涂有催化剂,
D称为补偿元件表面没有涂催化剂。传感器与三个阻值分别为2K欧姆、2K欧姆和500
欧姆的电阻串联,并且在传感器的两端加入2.5V的工作电压。其中,三个电阻的作
用是限制传感器与电阻串联回路的电流,保护传感器不因电流过大而烧坏。从A, B
两点引出信号,构成电桥,获取传感器的输出信号。在正常加热电压供电的情况下,
当传感器接触到甲烷气体时,反应元件表面会发生燃烧,使反应元件的温度升高,反
应元件的电阻率上升,电阻变大,从而在整个串联回路中对加热电压的分压变化大,
同时,由于补偿元件没有发生反应,温度不变,电阻率不变,电桥的输出电压发生变
化,此变化的电压直接反应了环境中甲烷气体的浓度大小,实现了将变化的甲烷浓度
信息向系统可以采集的电信号的转换。

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wangjiahao88|  楼主 | 2019-11-6 16:05 | 只看该作者

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wangjiahao88|  楼主 | 2019-11-6 16:06 | 只看该作者
      由于催化接触燃烧式甲烷传感器将采集到的甲烷浓度信息以微弱的电桥信号形
式输出,属于差分信号,而且传感器本身的静态输出电压会在一个OV左右上下漂移,
而以微控制器为核心的后续处理电路只能对0-3.3V内的模拟电压进行A/D转换,同
时微处理器内部集成A/D转换器的为12位,所以为了充分利用微处理器内部集成A/D
转换器对传感器输出信号进行有效的处理,需要设计一个信号调理电路,可以对传感
器输出信号进行放大的同时对其静态输出电压做出调整,同时,考虑到传感器使用过
程中可能出现的传感器故障,信号调理电路应该具有检测传感器故障的功能。
    综合上述考虑,本设计的信号调理电路由AD8251仪表放大器、MAX5481数字
电位器及LM3 5 8集成运算放大器组成。

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