电子技术项目说明样题1.docx

电子技术项目说明样题1.docx

《电子技术项目说明样题1.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电子技术项目说明样题1.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

电子技术项目说明样题1

便携式甲烷传感器及其管理系统

一、产品背景

甲烷是一种可燃气体。

新能源可燃冰的主要成分是甲烷，沼气的主要成分是甲烷，在煤矿叫瓦斯，其与空气混合具有爆炸的风险。

如果下水道甲烷含量高挤占了氧气，施工人员下去有窒息的危险。

检测工作环境的甲烷含量，是必需的，长期以来，也形成了规范的检测方法。

用于煤矿井下作业人员使用的用于安全生产环境监测的便携式甲烷传感器，采用催化燃烧传感探头，其需要定期对传感器灵敏度进行标定，以保证检测的准确性和可靠性。

催化燃烧传感检测探头的工作原理如下：

有两个相同的铂金电阻丝，一个涂上催化材料（黑元件），另外一个不涂催化材料（白元件），串联工作，使用时，电阻丝需要加热到一定温度，可以保证催化元件的工作效率。

当没有甲烷以及其他可燃性气体时，两个电阻丝具有相同的温度，其电阻值也相同，其中心连接点电位为中点电位，如果是一个电桥，相当于电桥平衡。

如果有甲烷气体存在，在催化作用下，黑元件发生无焰燃烧，温度升高，电阻增大，使得电桥再不平衡。

如果黑元件放在接地端，就是当甲烷气体浓度增加，黑元件温度升高，电阻变大，中点电位升高。

测量这个电压的变量，就可以得到甲烷浓度的信息。

一般在甲烷氛围工作一段时间，催化材料活性减弱，对于甲烷的反应减弱，探头的灵敏度下降，需要增加传感器后处理电路的比例系数，来保持传感器的灵敏度。

这就需要输入已知甲烷浓度的混合气体，调整比例系数，保证传感器的指示是给定的标准气体的浓度值。

这个过程就是标校过程。

便携式甲烷传感器由于采用电池供电，还有充电的需求，同时，在充电时检测电池的状况，及时剔出电池有问题的传感器，也是很有必要的。

二、系统组成

便携式甲烷传感器充电标校管理系统组成框图如下；

一个箱体内集中放置多台便携式甲烷传感器，在管理主机的主持下，分别进行充电、电池检测等操作。

在规定的标校周期，通过管理主机，控制气阀，分别以新鲜空气、标准甲烷含量混合空气等注入箱体内，在管理主机的主持下，便携式甲烷传感器分别进行调零、标校的操作。

今天现场的两个电路板，DZ140402和DZ140403，就是这个系统中的甲烷传感器和充电管理单元，我们用计算机代替管理主机，可以验证一些基本的功能。

这两个电路的原理图和装配图附在后面，DZ140403已经装配完成，没有附材料清单。

1.便携式甲烷传感器

电路包括电源及接口、单片机及存储、数码显示及亮度控制、按键、报警、探头供电及信号调理等部分组成。

本机采用锂电池供电，通过六线的接口，实现外部管理的充电、放电和数据通信。

在紧急情况下，使用普通的5伏充电器，也可对本机锂电池充电，其Q2内部的二极管导通电压0.7伏，可以限制充电电压不至于太高。

单片机采用C8051F410，其内部包括12位的ADC和12位的DAC，还包括一个实时时钟。

24C64用于存放调零参数和标校参数，同时还按照时间和传感器读数记录事件信息。

本机采用4位共阳七段显示数码管，配合单片机的DAC，可以实现亮度的变化。

两个按键，K1用于开关，K2用于选择显示内容。

长按K1可以关闭显示，也可以打开显示；按键K2用于循环选择显示内容，有四种内容显示，以C开头的，显示甲烷含量，以U开头的，显示电池电压，以A开头的，显示当前报警设置数值，时间显示24小时制，23.12代表晚上11点12分。

报警使用蜂鸣器和发光二极管。

探头供电采用LDO稳压，我们准备使用2.8伏90毫安的探头，因此选用2.8伏的LDO。

U7及外围组成差分放大电路，将探头输入的电压同R6、R7之间的电压进行差分放大，再送入单片机进行ADC采样。

由于R1的存在，R6R7之间的电压不等于探头的中点电压，我们通过改变DAC输出IDC1来平衡，也就是调零。

当探头中点电压不是1.4伏时，本机通过改变IDC1的输出，使得R6R7之间的电压等于探头的中点电压，实现调零。

这个IDC参数，就是调零参数，需要存放在24C64中，下次开机时，直接进入状态。

当前，IDC1电压可以从0—250mV，对应中点电压1.4伏，可以偏负40毫伏，偏正200毫伏，这个就是本机的调零范围，只要外接探头的不对称特性不劣于这个范围，就可以实现自动调零。

验证本机的调零范围，只需在外接模拟探头对正、对负连接电阻，使其中点电压偏离1.4伏一定的数值，比如正20毫伏，负20毫伏，本机能够实现调零操作，就表明调零范围由于±20mV。

2.充电管理单元

包括充电管理接口、系统通信接口、单片机、充电管理、放电管理、电池电压测量等部分。

为了便于在现场操作，本机增设了按键、工作状态指示灯。

（实际的系统中不用手动操作。

）

充电管理接口同便携式甲烷传感器相连，系统通信接口使用串口连接到管理主机（在本次比赛现场是连接到计算机）。

单片机使用C8051F330，其包括10位ADC和10位DAC。

充电管理是一个基于IDA电压输出的受控电流源，R15上电压反映充电电流。

放电管理是一个基于IDA电压输出的受控电流源，R16上电压反映放电电流。

电池电压测量采用运放的差分放大连接方式，通过六线接口，直接测量电池电压，避免接口接触电阻影响测量。

本单元电路有三个工作状态，通信转发状态，充电管理状态，放电管理状态。

上电开机时默认工作于通信转发状态，便携式甲烷传感器连接到管理主机（现场的计算机），可以通过计算机串口调试工具发送命令，使便携式甲烷传感器进行标校、设置工作。

充电管理状态，通过测量电池电压，调整充电电流，并将测量的电池电压通过串口发送给管理主机（现场计算机）。

当前的充电管理方式1,其电流调整的依据是，小于3.6伏，最大电流，3.6—3.8伏，中等电流，3.8-4.1伏，小电流，大于4.1伏，充电电流为零。

可以考虑充电管理方式2,可能更合理。

其电流调整依据为，小于3.0伏，小电流；3.0—3.8伏，最大电流，3.8伏—4.1伏，中电流，4.1—4.2伏，小电流，大于4.2伏，0电流。

3.模拟探头电路

为了便于验证和调试，在DZ140403电路板上，我们安排了模拟探头电路，用电阻通过杜邦插口连接实现中心电压的不平衡，模拟真实探头的平衡输出电压，用于实现调零、标校、报警等验证。

真实探头2.8伏90毫安，电阻是31欧姆，我们模拟探头采用两个33欧姆电阻串联，电流减小约一半，以适应现场的较小容量的锂电池。

真实探头有甲烷时，黑元件燃烧，电阻变大，中点电压上升；模拟探头模拟有甲烷时，并联在上方电阻，上半电阻减小，中点电压上升。

一个基本的标校，就是将甲烷传感器探头接口连接到模拟探头电路，通过计算机串口调试工具，发送调零命令Z，便携式甲烷传感电路将自动调零，调零完成以后，调零参数将自动保存，下次上电，也将显示0.00。

然后，连接2千欧电阻到模拟探头电路中，我们模拟甲烷含量为1.00的标准混合气体，发送标校命令C=1.00，甲烷传感器将显示1.00，并将按照这个比例处理探头的输入电压，这个参数也将自动保存。

比如，如果我们接入1千欧的电阻，电路将显示甲烷含量2.00。

现场电路板标校，以模拟探头接入，调零；2千欧接入，标校1.00；报警值1.80。

三、调试工具

1.USB转TTL串口线

赛场现场将发放一个USB转TTL串口线，用于连接充电管理单元到计算机，在通过计算机上参考文件目录中的串口调试工具，发送命令，进行设置及标校。

串口线有四根导线，其黑色为地，白色为计算机串口接收RXD，绿色为计算机串口发送TXD，红外为+5伏电源。

使用时，应该将计算机的发，连接到电路板上的收；将计算机的收，连接到电路板上的发。

在检查过连接正确，电路板没有短路过载情况下，DZ140403电路板可以由这根串口线供电。

USB串口线装入计算机是需要安装驱动程序的，在计算机的参考文件文件夹里，有USB串口驱动文件夹，内有PL2303_Prolific_DriverInstaller_v10518.exe文件，运行它，会有如下界面，单击下一步，完成安装。

2.串口调试工具

在参考文件夹内，有一个串口调试工具程序。

在安装了驱动以后，插入USB串口，再打开串口调试工具软件，界面如下。

我们需要注意上图中的六个地方。

一，串口号需要正确，根据该计算机以前安装使用串口的情况不同，本次USB串口的串口号可能会不同，比如上图中的情况，已经是串口13了。

二，波特率选2400。

三，使用时确保串口是打开的。

四和六，确保HEX没有打钩不使用十六进制格式。

五，在字符串输入框内输入字符，单击发送，即可将命令发送给电路板。

上图中发送的是时间命令T=02.42，表示设定时间为2点42分。

3.便携式甲烷传感器管理命令

调零命令：

Z

标校命令：

C=1.00

报警值设置：

A=1.60

时间设置：

T=12.20

4.充电和放电状态上报数据

四、热敏电阻温度传感适配电路（排除故障用）

DZ140401电路用于温度传感数据采集系统。

这是两路热敏电阻温度传感适配电路，JP2外接两个热敏电阻，2.5伏基准电压经过基准电阻与外接热敏电阻分压、运放放大，其输出反映热敏电阻的阻值，传送给采集系统，可以算出热敏电阻所处的温度。

这个电路供电电压为5伏。

这里使用负温度系数热敏电阻，温度越高，阻值越低。

我们以常见B=3950；标称值R25=10k的电阻为例，其25度时的阻值为10千欧，其他温度时的阻值有公式

JP1上连接了三个电阻，用于验证，其5.1千欧对应温度为41度，对应输出电压应0.83伏。

20千欧对应10.1度。

10千欧对应25度。

五、程序设计

《数据采集与控制》电路原理图

C8051F330D单片机编程和调试，使用keilC开发环境，UEC-6仿真和下载。

赛场计算机硬盘中参考文件中，包括了单片机的一些开发工具，芯片数据表文档，以及《便携式甲烷传感器充电管理单元》的参考程序。

其程序在前述电子产品装配和调试中可以验证。

六、材料清单、装配图、电路原理图

现场所涉及的三种电路，其材料清单、印制板元器件布局图、电路原理图如下；

装配注意；所有外接端子焊接单排针，使用杜邦线连接调试。

4x2k;4x330排阻，使用0603封装的单个电阻焊接，四个电阻当作一个排阻。

RXX1电阻装配在U1的位置，注意连接关系。

数据采集与控制电路板已经预先装配完成，因此此处不再提供元器件清单。