0 引 言
甲烷检测报警仪由载体催化元件(黑白元件)、微处理器、显示器、时钟芯片和4.2 V锂电池组等组成。仪器的甲烷气体含量-电压信号转换是由催化元件(黑白元件)和电路中电阻组成的惠斯登电桥来实现。电桥输出电压信号的大小与甲烷浓度成正比，信号经运算放大器放大后输入微处理器内的A／D转换器，把模拟量转换为数字量，经过线性处理，显示出甲烷含量。仪器的报警电路是由蜂鸣器、发光二极管及驱动电路组成，当甲烷的浓度达到设定的报警点后，仪器发出报警。仪器的时间显示是通过微处理器读取时钟芯片内部值获取的。本文考虑到PIC16F873微处理器功耗低，可低压供电，非常适合在电池供电的便携式仪器仪表中应用。该报警仪是一种智能型检测仪表，具有半自动调零和非线性补偿等功能，以及精度高、稳定可靠、使用方便等特点。
1 PIC16F873微处理器结构及系统指标
PIC16F87X微处理器是美国微芯公司的中档产品。它采用14位RISC(精简指令集计算机)，仅有35条指令，在保持低价格的前提下，增加了10位A／D转换器、内部E2PROM存储器、比较输出、捕捉输入、PWM(脉宽调制)输出、USART(通用同步异步收发器)接口、模拟电压比较器和Flash存储器等功能。PIC16F873微处理器采用28脚封装，可以方便地在线编程和调试。它代表了微处理器发展的一种新趋势。 甲烷检测报警仪主要技术指标如下：测量范围为0～4％CH4；测量误差为0～1％CH4(δ≤0.1％CH4)，1％～2％CH4(δ≤0.2％CH4)，2％～4％CH4(δ≤0.3％CH4)；响应时间为小于30 s；报警方式为红色灯光闪烁，蜂鸣器断续鸣叫；工作电压为DC 4.5 V；工作电流为DC不大于110 mA。
2 硬件设计
图1是系统硬件的框图。系统采用PIC16F873微处理器，电压检测电路由电池电压分压后采样，经A／D转换后显示电池电压实际数值。欠压检测电路由MCP111电压检测器等组成，保证了批量生产电压检测性能的一致性。仪器检测到电池电压欠压时会显示欠压标志进行提示，数秒后自动关机。MCP604 运算放大器及外围电路组成双运放电路。对由惠斯登电桥产生的电压进行直流线性放大，确保A／D输入电压的动态变化范围覆盖整个有效的电压值区间。按键电路由"开／关"按钮、"模式"按钮、"+"按钮、"-"按钮等组成。报警仪输出读数为4位LED显示。
2.1 催化元件(黑白元件)
催化元件(黑白元件)与电路中的电阻组成惠斯登电桥。无甲烷气体时电桥处于平衡，其输出电压信号约为0。当催化元件置于有甲烷含量的环境中，载体催化元件表面产生无焰火燃烧，元件温度升高，其阻值增大，电桥失去平衡，即输出电压信号，在一定的甲烷浓度范围内，电桥输出的电压信号正比于甲烷浓度。
2.2 运算放大电路
运算放大电路见图2。电路由美国微芯公司的MCP604运算放大器等组成。MCP604可工作的电压范围为1.4 V～5.5 V，轨对轨输入／输出，Vin1和Vin2接惠斯登电桥的两臂。
输出电压为：
2.3 电源
仪器采用两路稳压供电。一路选用美国微芯公司带短路保护的MCP1700低压差线形调整器为PIC16F873微处理器供电，见图3。
MCP1700典型工作电流为1μA，典型压降最大300 mV。BT1为锂电池组，RBT为限流电阻。Cl、C2采用多层片状陶瓷电容。它不仅有较好的温度稳定性，并且有极小的等效串联电阻值。CDCZ为充电插座。另一路选用美国微芯公司的TC1187可关断低压差线形调整器为催化元件、运放电路、LED显示电路等供电，微处理器控制TC1187在关机时切断催化元件、运放电路、LED显示电路等电路的供电。使整机电流最小。
3 软件设计
考虑到不同催化元件电性能的离散性及同一催化元件随时间的增长，催化元件的灵敏度会发生变化。耍保证仪器的准确度，用户每隔一段时间就要用甲烷标准气体重新标定仪器。须标定的内容有甲烷气体的零点标定、甲烷气体满度标定。标定采用程序来实现，称为数字调零。标定后的参数会自动存储在PIC16F873微处理器内部E2PROM中。甲烷气体浓度的程序中包含乘法、除法、减法、不同数制的转换等常用算法。经A／D转换后的数据由滑动平均值滤波消除电路中的种种噪声和干扰。主程序流程见图4。
4 结束语
本文基于PIC16F873微处理器设计实现了空气中的甲烷含量的检测。检测结果采用4位LED数码显示。给出了详细的软、硬件设计方案。所设计的报警仪有很好的性价比，并且具有运行稳定、实时性好、抗干扰能力强等优点。本设计方案已在矿井中应用。
[1]
|
