家用天燃气报警器毕业设计方案.doc

东南大学
毕 业 论 文

毕业设计题目：家用天然气泄漏报警控制器
硬件设计
学生姓名： 李水明
系 别： 机电工程
专业班级： 班
指引教师 ：唐方红
起止时间： 年 1 月— 年 4月

摘 要

当今社会上，浮现了许多然气报警器，而这些产品大都是针对然气泄漏所做出相应报警，即为家庭式。但是随着社会发展，然气报警器也在发展。
微机控制技术、传感器在工业控制、机电一体化、智能仪表、通信、家用电器等方面得到了广泛应用，明显提高了各种设备技术水平和自动化限度。因而对这些原理和构造咱们就需要较好理解并掌握。
然气报警系统采用了RCM5700为系统CPU，通过单片机系统设计实现对家用燃气控制功能，由NG-CO-001电化学一氧化碳气体传感器对燃气进行检测，将所得浓度值与设定浓度值相比较得到偏差。通过对偏差信号解决获得控制信号，去调节然气出气阀通断，四个单元然气浓度相应模仿量运用A/D转换为数字量，并加入了键盘输入，从而实现对家用然气漏气控制。整个系统硬件电路设计合理，性能安全可靠。

核心词： 电位器采样 报警临界值 然气浓度

目 录
1、绪论 1
1.1、课题研究背景 1
1.2、课题研究目 1
1.3、国内外研究现状及发展动态 2
1.4、系统设计基本内容 4
2、系统设计技术基本 5
2.1、系统实现方案与选取 5
2.2、MINI CORE芯片选取 7
2.3、一氧化碳传感器选取 15
2.4、仪表放大器选取 21
2.5、A/D转换器选取 23
3、基于RCM5700系统电路设计 24
3.1、系统硬件电路总体设计 24
3.2、信号采集放大电路设计 26
3.3、运放电路及A/D转换电路 28
3.4、RCM5700内置看门狗运用 30
3.5、通信接口电路设计 31
3.6、电源转换电路设计 34
4、系统电路调试 34
4.1、模块连通性调试 34
4.2、系统各硬件检测及控制性调试 35
4.3、系统主控硬件通信性能调试 35
4.4、系统软硬件综合性能测试 36
4.5、系统误差分析 36
总结 37
参照文献 38
道谢 39
附录 40

家用燃 气泄漏报警控制器硬件设计

1、绪论
1.1、课题研究背景
随着国内燃气变革及西气东输工程进行，燃气或天燃气已成为多数家庭燃料。每年，因燃气泄露导致燃气中毒事故中，因使用热水器不当或产品自身质量问题，导致燃气中毒事故，全国均有不少事例。有甚者，因室内燃气浓度过高，引起燃气爆炸事故也不少见。
家用燃气有时会因各种因素发生泄漏，燃气重要成分是甲烷，甲烷是一种可燃性气体，遇到明火会发生燃烧甚至爆炸，因此如果在燃气泄漏时打电话，使用家用电器话，燃气遇到电火花也许会发生爆炸事故。人呆在燃气泄漏空间内，甲烷不完全燃烧也许会生成一氧化碳，人体吸入有毒气体一氧化碳后，一氧化碳将会迅速与血液中红细胞结合导致人体中毒昏迷，如果长时间吸入泄露燃气甚至会发生中毒死亡。一氧化碳中毒属内科急症，如不及时发现及治疗，将会危及生命。近年来，国内某些地区非职业性一氧化碳中毒事件时有发生。特别是冬春季高发，据不完全记录，国内因非职业性一氧化碳中毒，导致至少3850人中毒，142人死亡。3-5月份，南汇区发生了2起非职业性一氧化碳中毒事件。
1.2、课题研究目
人们面对燃气泄漏而导致种种事故威胁，就真没有一种彻底解决办法吗？据关于专家简介，使用燃气报警器是对付燃气无形杀手重要手段之一。燃气专家指出，燃气泄漏或废气排放而大量产生一氧化碳是燃气中毒事响应根源，如采有用燃气泄漏报警器就能得到及时警示。关于部门经长期测试同样得出结论，燃气报警器防止一氧化碳中毒事故发生有效率达95%以上。
计算机普及和信息技术迅猛发展，人们己不满足于老式居住环境，对家庭及住宅社区提出了更高规定，智能化被引入家庭，并迅速在世界各地发展起来。人们对居住环境规定日见增高，体当前但愿住宅不但更便利、舒服并且更安全。
单片机在日用电子产品中应用越来越广泛，燃气泄漏则是人们寻常生活中经常需要测量和控制一种问题。单片机有助于为当代人工作、科研、生活、提供更好更以便设施。为了防止中毒事件再次发生，提出运用单片机系统进行有效防止对策。因此如何防止燃气中毒与爆炸已成为人们迫切需要。为此咱们开发研制了智能燃气报警系统。
1.3、国内外研究现状及发展动态
民用可燃气体报警器为居民家庭用燃气报警器，普通安装在厨房，遇燃气泄漏时，报警器可发出声光报警，或同步伴有数字显示，同步联动外部设备。有报警器可自动启动排电扇，把燃气排出室外；有报警器在报警时可自动关闭燃气阀门，以防燃气继续泄漏[8]。
在应用方面，当前最广泛是可燃性气体气敏元件传感器，已普及应用于气体泄漏检测和监控，从工厂公司到居民家庭，应用十分广泛。仅以用于安全保护家用燃气泄漏报警器为例，日本早在1980年1月开始实行安装都市燃气、液化石油气报警器法规，1986年5月日本通产省又实行了安全器具普及增进基本方针。美国当前已有6个州立法，规定家庭、公寓等都要安装CO报警器。报警器种类也相称繁多，有用于普通家庭、集体住宅、饮食餐店、医院、学校、工厂各种气体报警器和系统，有单体分离型报警器、外部报警系统、集中监视系统、遮断连动系统、防止中毒报警防护系统等。构造型式有袖珍型便携式、手推式、固定式报警等；工业用固定式报警又有壁挂式、台放式、单台监控式、多路巡检式等。气体检测技术与计算机技术相结合，实现了智能化、多功能化。美国工业科学公司（ISC）一台携带式气体监控仪可实现4种气体监测，采用了统一软件，只需要换气体传感器，即可实现对特定气体监测。美国国际传感器技术（IST）公司应用一种“ megacas传感器和微程序控制单元，可检测100种以上毒性气体和可燃性气体，通过其“气体检索”功能扫描，能不久拟定是哪一种气体。
可燃气体传感器发展也成为气体检测系统代表性标志。
近年来，由于在工业生产、家庭安全、环境监测和医疗等领域对气体传感器精度、性能、稳定性方面规定越来越高，因而对气体传感器研究和开发也越来越重要。随着先进科学技术应用，气体传感器发展趋势是微型化、智能化和多功能化。进一步研究和把握有机、无机、生物和各种材料特性及互相作用，理解各类气体传感器工作原理和作用机理，对的选取各类传感器敏感材料，灵活运用微机械加工技术、敏感薄膜形成技术、微电子技术、光纤技术等，使传感器性能最优化是气体传感器发展方向。
国外气体传感器发展不久，一方面是由于人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒服性规定提高；另一方面是由于传感器市场增长受到政府安全法规推动。因而，国外气体传感器技术得到了较快发展，据关于记录猜测，美国1996年—气体传感器年均增长率为（27～30）％。
当前，气体传感器发展趋势集中体现为：一是提高敏捷度和工作性能，减少功耗和成本，缩小尺寸，简化电路，与应用整机相结合，这也是气体传感器始终追求目的。如日本费加罗公司推出了检测（0.1～10）×10－6硫化氢低功耗气体传感器，美国IST提供了寿命达以上气体传感器，美国FirstAlert公司推出了生物模仿型（光化反映型）低功耗CO气体传感器等。二是增强可靠性，实现元件和应用电路集成化，多功能化，发展MEMS技术，发呈现场合用变送器和智能型传感器。如美国GeneralMonitors公司在传感器中嵌入微解决器，使气体传感器具备控制校准和监视故障状况功能，实现了智能化；尚有前已涉及美国IST公司具备微解决器“MegaGas”传感器实现了智能化、多功能化。
气敏元件传感器作为新型敏感元件传感器在国家列为重点支持发展状况下，国内已有一定基本。其现状是：
（1）烧结型气敏元件仍是生产主流，占总量90％以上；接触燃绕式气敏元件已具备了生产基本和能力；电化学气体传感器有了试制产品；
（2）在工艺方面引入了表面掺杂、表面覆膜以及制作表面催化反映层和修隔离层等工艺，使烧结型元件由广谱性气敏发展成选取性气敏；在构造方面研制了补偿复合构造、组合差动构造以及集成化阵列构造；在气敏材料方面SnO2和Fe2O3材料已用于批量生产气敏元件，新研究开发Al2O3气敏材料、石英晶体和有机半导体等也开始用于气敏材料；
（3）低功耗气敏元件（如一氧化碳，甲烷等气敏元件）已从产品研究进入中试；
（4）国内气敏元件传感器产量已超过“九五”初期400万支。产量超过20万支重要厂家有5家，黑龙江敏感集团、太原电子厂、云南春光器材厂、天津费加罗公司（合资）、北京电子管厂（特种电器厂），其中前四家都超过100万支，据行业协会记录，1998年全国气敏元件总产量已超过600万支。
总看来，国内气敏元件传感器及其应用技术有了较快进展，但与国外先进水平仍有较大差距，重要是产品制造技术、产业化及应用等方面差距，与日本比较仍要落后。
1.4、系统设计基本内容
针对经常发生燃气泄漏中毒事件，采用燃气、甲烷、乙烷及一氧化碳等气体传感器、单片机、电磁阀和电铃，设计一套有毒气体检测、报警电路，显示室内空气质量（分优、良、中、好、差五级），用单片机模块分路控制继电器、发光二极管和电铃。
报警系统由硬件和软件两大某些构成。其中硬件某些由各报警感应器、感应器控制器、主控器等设备构成。软件某些重要是报警系统控制程序。气敏传感器用来检测空气中燃气浓度，当空气中燃气含量超过容许原则浓度后，感应器所获得感应信号均被感应器控制器所接受，再由感应器控制器对各感应信号进行相应辨认和解决，并将解决后感应信号通过串口送至主控器，由主控器对其采用相应警报动作。报警信号加至报警声响电路控制端后，报警声响电路被触发，发出报警声，同步关闭总气阀。
本课题在硬件设计方面重要研究构成家用燃气泄漏报警控制系统单片机芯片、气体传感器总线用法，同步研究电路设计思路、电路构成，涉及控制芯片、气体传感器、单片机、显示电路等选用和设计，最后给出构造框图、电路原理图。
系统软件设计方面分析设计涉及主机和从机程序设计分析等。

2、系统设计技术基本
微解决器浮现极大地增进了生产力发展，提高了人们生活质量，实现了工业当代化和自动化。Internet技术飞速发展，使得基于分组互换技术通信性能、通信质量和可靠性得到稳步提高。基于8位和16位单片机嵌入式设备(如仪器仪表、数据采集和显示、过程控制、工业自动化等)实时应用、测控系统正在走向网络智能化。这就规定公司从现场控制层到管理层能实现全方位无缝信息集成，实现远程维护、智能诊断以及远程管理功能，提供一种开放基本构架，并具备高可靠性、分散控制、集中监视和管理功能。
2.1、系统实现方案与选取
针对当前重要解决芯片不同，本文提出了2种实现方案，分别为基于8051单片机实现方案以及基于Rabbit RCM5700实现方案。并最后选取了一种方案进行系统实现。
2.1.1、基于单片机实现方案
基于8051单片机实现燃气报警器详细方案如图2.1所示。该方案重要涉及了可燃气体传感器、A/D转换器、键盘控制电路、8051单片机电路、晶振、蜂鸣器以及LED显示电路[1]。
可燃气体传感器输出为模仿量，需要运用A/D转换器将模仿量转换成数字量送给8051单片机；晶振和键盘控制作为8051单片机外围输入电路，蜂鸣器作为报警用8051单片机外围输出电路；显示电路采用了LED显示，由8051单片机控制实现显示。

图5.1 基于8051单片机实现
2.1.2、基于Mini Core实现方案
基于Mini Core实现燃气报警器详细方案如图2.2所示。该方案重要涉及了可燃气体传感器、A/D转换器、键盘控制电路、Rabbit RCM5700模块电路、晶振、蜂鸣器以及LED显示电路。
可燃气体传感器输出为模仿量，需要运用A/D转换器将模仿量转换成数字量送给Rabbit RCM5700模块电路；晶振和键盘控制作为Rabbit RCM5700模块电路外围输入电路，蜂鸣器作为报警用Rabbit RCM5700模块电路外围输出电路；显示电路采用了LED显示，由Rabbit RCM5700模块电路控制实现显示。

图6.1 基于Mini Core实现
2.1.3、方案选取
方案1中采用是8051单片机实现燃气报警器，该方案具备构造化设计简朴，器件成本较低特点，是一种较为广泛采用实现方案。
方案2中采用是Rabbit RCM5700模块实现燃气报警器，该方案基于 Rabbit RCM5700模块进行开发设计，Rabbit MiniCore模块用于加速嵌入式系统开发和实行。编程开发采用咱们通过业界广为验证 Dynamic C开发系统，一种涉及编辑器、链接器、装载器和编译器在内C语言集成开发环境。从你计算机通过 USB端口或串口下载程序，及时在目的硬件上进行调试——无需在线仿真器。这种开发环境减少了工作量，加速了软硬件集成。Rabbit 提供了广泛驱动函数库和例程、免费TCP/IP及其源代码。
Rabbit MiniCore系列产品采用超小型mini PCI Express接口，具备可互相兼容以太网与Wi-Fi无线网两个版本，除了拥有Mini外型，使得产品设计更加容易之外，它还配备了32个通用输入/输出端口、6个串行端口和一台Rabbit 5000微解决器。这些特点使其成为超小型产品中最具成本效益网络连接解决方案，既可用于网络连接也可用于控制。由于该模块具备设计灵活，外围扩展功能强大特点，可以构成当今体积最紧凑、成本最低嵌入式解决方案，可觉得系统以便可靠增长网络连接。
针对其应用扩展，本设计选取了方案2，基于Rabbit RCM5700模块实现燃气报警器方案。
既基于Mini Core实现家用燃气报警系统，运用可燃气体传感器检测某一环境中可燃气体含量指标，对于可燃气体检测，由于可燃气体传感器输出量为模仿量，需要将其进行A/D转换后送给Rabbit RCM5700模块，当其含量超过设定值时，由主芯片Rabbit RCM5700模块控制蜂鸣器进行报警。
2.2、Mini Core芯片选取
2.2.1、RCM5700简介
Mini Core RCM5700是Rabbit半导体公司在9月30日推出一款尺寸紧凑经济型核心模块，设计人员可以将其用于小尺寸、低价格、可实现控制或采集且支持网络功能系统中去，是高性能低成本嵌入式解决方案。典型应用在远程数据记录和上传、储罐监控、自动抄表系统、远程能源管理等领域。
Mini Core芯片选取了Rabbit RCM5700模块。Rabbit充分结合了易于使用和最大限度减少产品成本提供可以构成当今体积最紧凑、成本最低嵌入式解决方案。Mini Core系列也是Rabbit产品中体积近来凑和成本最低嵌入式解决方案，设计人员可觉得她们设计系统以便可靠增长网络连接[12]。
Rabbit Semiconductor公司专注于此，推出产品在行业内被广泛应用，十几年来，以其产品质量高稳定性、容易开发、资源丰富、支持联网等长处获得业界高度承认，譬如RCM3200、LP3500在工控和水利、电力领域已经成为行业内典型应用。这里要简介是Rabbit公司新推出一款全新产品MiniCore RCM5700核心模块，它价格低廉、尺寸小、开发容易、支持网络控制。
新Mini Core RCM5700 模块在体积极其紧凑mini PCI Express板型构造内集成了丰富嵌入式功能，并且成本极低。此外一种好处是，MiniCore RCM5700为任何嵌入式解决方案提供可极小构造尺寸。RCM5700可以在任何客户定制开发母板上增长新网络连接。
图8.1
RCM5700具备Rabbit 5000微解决器，工作主频可达50.0 MHz，flash memory，两个时钟(主晶振和时间晶振)和为Rabbit 5000内置实时时钟/片内SRAM 提供后备电池所需重启/管理电路。52-pin mini PCI Express插槽式板边连接器引出了RCM5700 I/O总线，并行端口和串口到 RCM5700固定母板上。
通过客户定制开发母板，RCM5700 接受+3.3 V供电并和其他数字设备实现所有CMOS兼容接口。
重要特点：
(1) 微解决器为Rabbit5000(内含128 KBSDRAM)，主频为50MHz；
(2) 程序存储器为1 MB闪存；
(3) 32个GPIO(可配备)；
(4) 6个(可配备)CMOS兼容串El；
(5) 带实时时钟(电池供电)；
(6) 10个8位定期器，10位和l6位定期器各1个；
(7) 有两路触发输入和两路正交解码输入；
(8) 带有看门狗；
(9) 支持10／100Base—T以太网功能；
(10) 接口为Mini PCI Express接口。
Rabbit Core Mini Core模块用于加速嵌入式系统开发和实行。编程开发采用咱们通过业界广为验证 Dynamic C开发系统，一种涉及编辑器、链接器、装载器和编译器在内C语言集成开发环境。
从计算机通过 USB端口或串口下载程序，及时在目的硬件上进行调试 ，无需在线仿真器。这种开发环境减少了工作量，加速了软硬件集成。Rabbit提供了广泛驱动函数库和例程、免费TCP/IP及其源代码。
有两种类型开发包供顾客进行开发和测试软件。原则开发包涉及你设计基于该微解决器系统所需要基本组件和完整Dynamic C 软件开发系统。RCM5700开发包还涉及你评测RCM5700所需要开发板。Digital I/O 和串口板可以及时运营Dynamic C中例程从而迅速演示RCM5700产品特点。你可以及时为RCM5700模块编写和测试涉及以太网和TCP/IP应用在内软件。
2.2.2、RCM5700 长处
1）使用完整设计和生产，具备“运营就绪/ 编程就绪”微解决器模块，能使您迅速完毕产品开发并投入市场。
2）比购买和组装单独组件更具竞争力价格。
3）简朴 C 语言程序开发和调试。用于下载经编译 Dynamic C.bin 文献Rabbit Field Utility。
4）能容纳数万行代码大型程序并存储丰富数据大容量存储器。
5）参照设计使集成以太网能运用无需特许权 TCP/IP 软件实现网络连接。
2.2.3、RCM5700硬件构成
RCM5700 原则开发包包括了您使用 RCM5700 模块所必要必备硬件。下述物品在开发包原则版本中提供。
l RCM5700 模块。
l 配有支架/ 接头接口板。
l 配有支架/ 接头应用电路开发板。
l 能通过接口板对 RCM5700 进行编程 USB 线。
2.2.4、RCM5700模块接口定义
接口板设计原理图

图10.1

图11.1

RCM5700模块接口涉及了52个接口，各个接口定义如图12.1所示。

图12.1 RCM5700模块接口定义

依照RCM5700模块接口定义可知，52个接口可以划分为几种重要某些：端口Port A、Port B、Port C、Port D、Port E、Serial Port A、RAM、Misc. I/O等，详细如图12.2所示。

图12.2 RCM5700模块端口阐明
RCM5700模块管脚功能及阐明详见表。
表13.1

表14.1

表15.1

2.3、传感器选取
对于燃气报警器实现，感应器选取也相称重要，是系统重要构成某些之一，其性能对于系统精准度和实现范畴有这相称大影响，也是体现燃气监控发呈现状标志。
2.3.1、一氧化碳传感器选取
市面上燃气感应器各种各样，特性价格也各有不同。依照实际应用和成本性价比，本设计一氧化碳气体传感器选取了NG-CO-001型电化学一氧化碳气体传感器，其详情如下[4]：
图16.1
NG-CO-001型电化学一氧化碳气体传感器属工业级别产品，通过成熟电极制备解决技术及传感器构造设计，使其具备长寿命、高敏捷度、液体密闭性良好等技术特点。传感器与外部电路连接部位通过接插元件完毕，利于传感器与电子线路兼容与互换。产品组装工艺简化，有利减少了产品成本。
用途：工厂一氧化碳浓度检测仪器；气体计量器具；空气质量监测器；气体变送器；便携式仪器配套元件等等。
（1）NG-CO-001电化学一氧化碳气体传感器基本原理
电化学气体传感器由工作电极、参比电极、对电极构成，依照外部恒电位电路，传感器工作电极保持一种稳定工作电位，一氧化碳气体传感器基本工作原理如下面公式所示：
UCTURE
工作电极：CO+H2O=CO2+2H++2e-
对电极： O2+4H++4e-=2H2O
总反映： 2CO+O2=2CO2
这样电化学气体传感器依照电化学反映电子转移，从而定性并定量检测出被测气体。参比电极重要作用是保持工作电极维持电化学反映稳定工作电压，工作电极与对电极之间因电化学反映形成电流与被测气体浓度成线性关系。此传感器属于三电极方式，具备检出信号稳定和线性关系良好等优越性，在普通工业得到较为广泛应用。

图17.1电化学传感器原理图
（2）传感器基本构造：
气体传感器由工作电极、对电极、参比电极、电解质、液体保持材料、过滤干扰气体物质、贵金属引线、接线柱等构成，使用典型电极材料涉及铂、金、银、铑、碳、钌、钯等，传感器信号通过引线传导到外部电路，通过放大等解决进行显示。为了提高对被测气体选取性，普通在传感器通气孔位置设立过滤剂，以消除干扰气体导致不精确信号。

图17.2电化学气体传感器典型构造
（3）电化学气体传感器长处：
1）对于气体浓度可以线形输出信号重现性好
2）对被测气体具备良好选取性，不受温湿度影响
3）空气中输出值漂移小，可以获得稳定输出信号
4）功耗低，电池即可驱动器工作
5）体积小，重量轻，作为便携式仪器首选
6）本质安全构造，机械性能稳定
（4）电化学一氧化碳气体传感器基本特点：
本质特性：NG-CO-001型电化学一氧化碳气体传感器属工业级别产品，通过成熟电极制备解决技术及传感器构造设计，使其具备长寿命、高敏捷度、液体密闭性良好等技术特点。传感器与外部电路连接部位通过接插元件完毕，利于传感器与电子线路兼容与互换。产品组装工艺简化，有利减少了产品成本。
图18.1
用途：工厂一氧化碳浓度检测仪器；气体计量器具；空气质量监测器；气体变送器；便携式仪器配套元件等等。
工作及保存条件：
工作温度 20—50℃
工作湿度 15—90%RH
保存环境温度 0—20℃
工作气压 1atm ± 10%
保存期限6个月以内密闭容器
检知对象气体 一氧化碳
测定范畴 0—1000ppm
输出电流 40±10nAppm
重复性误差 ±2%
响应时间(t90) <30秒
基准线位移(-20—50℃) <100ppm
2.3.2、氢气传感器选取
图18.2
TGS822TF传感器因装有活性炭过滤器，消除了杂质气体影响，对有机溶剂或其她挥发性气体敏捷度低，而对氢气和一氧化碳敏捷度高，非常合用于检测人工燃制气。在这里咱们重要她对对氢气检测功能能。

右图是典型敏捷度特性，所有是在原则实验条件下得出成果。
纵坐标以传感器电阻比（Rs/Ro）表达，Rs，Ro定义如下：
Rs ＝不同浓度气体中电阻值
Ro ＝1000ppm一氧化碳中电阻值
图19.1

基本测试回路：
此传感器需要施加 2 个电压：加热器电压（VH）和回路电压（VC）。这个VH用于维持敏感素子处在与对象气体相适应特定温度而施加在集成加热器上。VC则是用于测定与传感器串联负载电阻（RL）上两端电压（VRL）。这种传感器具备极性，因此VC需用直流电源。只要能满足传感器电性规定，VC和VH可以共用同一种电源电 路。为了将鉴定值水平最佳化，并使敏感素子功耗（PS）低于15mW限度值，需要选取RL值。
管脚连接
1或3：传感器
4或6：传感器
2 ：加热器
图19.2
5 ：加热器

图20.1
2.3.3、烷类传感器选取
图20.2
TGS813传感器对甲烷、丙烷、丁烷敏捷度高，对天然气、液化气监视也很抱负。这种传感器可检知各种可燃气体，因此是对各种应用方式都很优越低成本传感器。这里咱们重要运用她对烷类气体检测。
右图是典型敏捷度特性，所有是在原则实验条件下得出成果。
纵坐标以传感器电阻比（Rs/Ro）表达，Rs，Ro
定义如下：
Rs ＝不同浓度气体中电阻值
Ro ＝1000ppm 甲烷中电阻值
图20.3
基本测试回路与上面氢气传感器类似。

图21.1
2.4、仪表放大器选取
AD623是一种集成单电源仪表放大器，它能在单电源（+3V到+12V）下提供满电源幅度输出。AD623容许使用单个增益设立电阻进行增益编程，以得到更好顾客灵活性，且符合8引脚工业原则引脚配备[13]。
在无外接电阻条件下，AD623被设立为单位增益（G=1），在接入外接电阻后，AD623可编程设立增益，其增益最高可达1000倍。
AD623通过提供极好随增益增大而增大交流共模抑制比（AC CMRR）而保持最小误差。线路噪声及谐波将由于共模抑制比（CMRR）在高达200Hz时仍保持恒定而受到抑制。AD623具备较宽共模输入范畴，它可以放大具备低于地电平150mV共模电压信号，虽然AD623是按照工作于单电源方式进行
优化设计，但当它工作于双电源（±2.5V至±6.0V）时，依然能提供优良性能。低功耗（3V时1.5mW）、宽电源电压范畴、满电源幅度输出，使AD623成为电池供电应用抱负选取。在低电源电压下工作时，满电源幅度输出级使动态范畴达到最大。AD623可取代分立仪表放大器设计，且在最小空间内提供较好线性度、温度稳定性和可靠性。AD623浮现此前，仪表放大器性能都达不到如此水平[13]。
重要特点：
便于使用，性能优于分立设计，单电源或双电源工作，满电源幅度输出输入电压范畴扩展至低于地150mV（单电源），低功耗，最大575μA电源电流。
单个外接电阻增益设立：增益范畴1（无外接电阻）到1000。
高精度DC性能：
0.1%增益误差（G=1）
0.35%增益误差（G>1）
25ppm增益漂移（G=1）
200μV最大输入失调电压（AD623A）
2μV /℃最大输入失调漂移（AD623A）
100μV最大输入失调电压（AD623B）
图22.1
1μV /℃最大输入失调漂移（AD623B）
25nA最大输入偏置电流
噪声：35nV/ Hz 针对输入端（RTI）噪声@1kHz（G=1）
良好AC特性：
最小90dB共模抑制比（CMRR）（G=10）
最小84dB共模抑制比（CMRR）（G=5）
（@60Hz，1k非平衡信号源）
800kHz带宽（G=1）
到终值0.01%建立时间20μs（G=10）
引脚排列
极限参数如下：
电源电压 ±6V
内部功率耗散 650mW
差分输入电压 ±6V
输出短路持续时间 不拟定
储存温度范畴（N，R，RM） -65℃至+125℃
工作温度范畴： AD623A –40℃至+85℃
引脚温度范畴（焊接，10秒） +300℃
2.5、A/D转换器选取
本文A/D转换器选取了TLC2543，该芯片是7LC2543是德州仪器公司(TI)新型模数转换器(ADC)，具备l2位辨别率，使用开关电容逐次逼近技术完毕AD转换过程，提供最大采样率为66KSPS，供电电流仅需1mA(典型值)。它除具备高速转换器和通用控制能力外，还具备通用灵活串行接口(SPI)。它被广泛运用于数据采集系统中[2]。
TLC2543是l2位开关电容逐次逼近型ADC 每个器件有三个控制输入端：片选(CS)、输入/输出时钟(I/O CLK)及地址数据输入端(DATA INPUT)。它还可以通过一种串行3态输出端(DATA OUT)与主解决器或其他外围串行口通讯，输出转换成果。通过编程器件DATA INPUT管脚串行输入8位通道/方式控制字节高4位(MSBs)，可选取11个模仿输入通道中任一种。可用同样办法选用此外三个测试电压[,,]用于转换器枝正或其他用途。通道／方式控制字节低四位(LSBs)用于选取输出数据长度(8、12或16位)、输出数据顺序(以MSB开始或LSB开始)和与否需要单极性(二进制)或双极性(二进制补码)格式。其特点有：
1) 12 bit辨别率A／D转换器；
2) 在工作温度范畴内10s转换时间；
3) 11个模仿输入通道；
4) 3路内置自测试方式；
5) 采样率为66 kb/s；
6) 线性误差+1LSB(max)；
7) 有转换结束(EOC)输出；
8) 具备单、双极性输出；
9) 可编程MSB或LSB前导；
10) 可编程输出数据长度。
3、基于RCM5700系统电路设计
3.1、系统硬件电路总体设计
系统工作原理是运用燃气传感器将燃气浓度变换为mV级模仿电流信号，放大器把信号放大后，经低通滤波滤掉干扰信号送到A/D转换器，变换成数字量送主控芯片进行数据分析。由于燃气泄漏出来气体重要性质可以分为毒性气体和可燃性气体2种，因此本设计中才用了3个性质不同传感器，对其进行分别解决。NG-CO-001型电化学一氧化碳气体传感器重要是对毒性并可燃一氧化碳气体进行精密单项检测。其她2种传感分别对其中2类可燃气体进行检测。
对RCM5700植入软件程序后，控制整个电路运营。
空气中气体浓度信号同步进入主芯片，主芯片对其进行分析，并输出信号到显示屏，控制其提示出“好、优、良、中、差”等5个级别空气质量提示。当感应信号达到设定任意一种危险区域（涉及可燃气体浓度危险区和毒性气体浓度危险区）值时，主控芯片将输出信号驱动报警，控制显示屏显示出相应空气质量级别即为“差”，驱动蜂鸣器发出声响，报警LED发光，同步控制电磁阀关闭。以让监控人员进行解决。故障排除后，报警完毕自动回到警戒状态，等待下一次报警。
CO传感器
蜂鸣器

RCM5700
A/D
信号放大器

报警灯
A/D
信号放大器
氢气传感器

显示屏
A/D
信号放大器
烷类传感器

电磁阀
晶振

电源

其她扩展
串口

图24.1系统原理框图
系统采用模块化设计。所谓模块化设计，简朴地说就是程序编写不是开始就逐条录入计算机语句和指令，而是一方面用主程序、子程序、子过程等框架把软件重要构造和流程描述出来，并定义和调试好各个框架之间输入、输出链接关系。
顾客端自动报警器内提供备用电源，在没有市电状况下，交直流供电自动切换，保证系统在停电时能继续工作。
3.2、系统硬件电路
系统硬件电路总体设计重要涉及了RCM5700模块电路设计、可燃气体传感器电路设计、A/D转换器电路设计以及通信接口电路设计。

图25.1 系统总体硬件原理图
使用Rabbit RCM5700芯片PB3接虚拟时钟线，运用PB5口线接虚拟数据线DATA。
可燃气体传感器输出模仿量通过放大电路放大后，再通过AD转换器转换后，数据采用串行方式与RCM5700模块连接，其中RCM5700模块中PA0、PA2、PA4、PC6分别与AD转换器CLK、DIN、DOUT、CS相连，以此实现可燃气体传感器和RCM5700模块相连，将可燃气体传感器输出送入RCM5700模块中解决。
串口通信重要运用RCM5700模块端口PB3和PB5作为串口通信端口，分别定义为TXD和RXD。
蜂鸣器则有RCM5700模块PD1输出端口实现控制。
使用 RCM5700模块PB2，并电阻连接 LED。
3.3、信号采集放大电路设计
由于气体传感器采集电信号普通很小，并且存在共模成分，需要通过放大电路放大，之后方可进行A/D转换。气体传感器输出信号幅度很小，存在着不同限度电磁干扰，因而在本设计中，放大电路采用仪表放大器AD623，对来自传感器信号经行精密放大，同步抑制共模成分提高信号质量[6]。AD623重要特点是：使用一只外接电阻设立增益G，计算公式为G=1+100kΩ/Rti，其中G可达1000，从而给顾客带来了极大以便。其输入共模范畴很宽，容许比地电压低150mV共模电压。单电源供电（+3.0~ +12V）能达到最佳性能。但双电源供电（±2.5～±6.0）也可以提供优良性能：低功耗、宽电源范畴和电源限输出特性非常适当电池供电应用场合；可取代分立器见构成仪表放大器，具备线性度优良、温度稳定性高和体积小、可靠性高等长处。
在本设计中，采用恒压供电方式为气体传感器供电，且在正常使用中采样电路输出为单极性输出，AD623REF端同TLC2543AD参照电压输入端在设计中同步接地即可。
图27.1信号采集放大电路
由AD623构成放大电路如图27.1所示。在图中接口J4为气体传感器接口，气体传感器与电阻R34、R35和R39构成电桥采集信号，直流+2.5电压用过LM324同相输入端获得一种稳定输出电压，Q1通断由LM324输出决定，由于Q1B极电源比较稳定，而B级电流决定三级管导通时放大倍数，因而通过CE极电压也比较稳定。Q1、LM324与LT1764-3.3构成恒压电路，为电桥提供恒压。AD623REF接地，OUTPUT端接入TLC2543AD模块引脚。
LM324系列器件为价格便宜带有真差动输入四运算放大器。与单电源应用场合原则运算放大器相比，它们有某些明显长处。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏电源下，静态电流为MC1741静态电流五分之一。共模输入范畴涉及负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件必要性。它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表达运放输出端Vo信号与该输入端位相反；Vi+（+）为同相输入端，表达运放输出端Vo信号与该输入端相位相似。LM324引脚排列见右图。

3.4、运放电路及A/D转换电路
从一氧化碳传感器输出信号为差分信号，该模仿信号需要通过运放后送入A/D转换器。本系统中运放采用了AD623仪用放大器实现，运放后信号送入A/D转换器。
图28.2TLC254
图28.2中AIN0—AIN10为模仿输入端；／CS为片选端；DIN为串行数据输入端；DOUT为A／D转换成果三态串行输出端；EOC为转换结束端；CLK为I／O时钟；REF+为正基准电压端；REF一为负基准电压端；VCC为电源；GND为地。
VCC：正电源端，普通接+5V。
GND：正电源地。
VREF+：正基准电压端，普通接+5V。
V -：负基准电压端，普通接地。
AIN0～AIN10：11路模仿量输入引脚。
CS：片选端，由高到低有效，由外部输入。
EOC：转换结束端，向外部输出。
I／O CLOCK：控制输入输出时钟，由外部输入。
DATA INPUT：控制字输入端，用于选取转换及输出数据格式。
DATA OUT：A／D转换成果输出端。
TLC2543工作过程分为两个周期:I/O周期和转换