具有无线收发功能的气体检测装置设计

甄丽平 司绍伟

石家庄经济学院信息工程系，石家庄 050031

武警石家庄指挥学院通信基础教研室，石家庄 050006

具有无线收发功能的气体检测装置设计

甄丽平 司绍伟

石家庄经济学院信息工程系，石家庄 050031

武警石家庄指挥学院通信基础教研室，石家庄 050006

设计开发了一种基于AT89S52的具有无线收发功能的可燃气体检测装置，首先采用气敏电阻传感器TGS813，结合串行A/D转换器TLC2543，实现了气体信号的采集；AT89S52单片机对数据进行处理，然后通过无线收发芯片nRF905，实现了数据的开路传输；此外，电路还设计了显示模块对测量值进行显示，当气体浓度超标时，发出报警信号。

TGS813；AT89S52；nRF905；气体检测

引言

气体检测在社会中有着广泛的应用，适用于石油、化工、冶金、等工业现场和家庭、商场、加油站等各种场所。如何快速、准确地对易燃、易爆、有毒、有害气体进行监测预报已成为当前亟待解决的重要问题。但有些场合由于环境复杂，线路敷设较困难，给气体的检测带来巨大困难，增加了事故隐患。

在将气体探测领域引入无线通信技术，可以解决恶劣环境（有毒气体、高温、低温等）的远程监控和无法布线环境下的气体监控难题，同时可以解决有线传输带来的布线麻烦、出现故障检查困难等缺点，提高了系统的适应性和检测能力。

1 系统方案设计

本文设计的可燃气体检测装置是以高稳定性、高测量精度，以及能够实现数据实时传输为目的的。系统结构框图如图1所示。

图1 系统整体结构框图

从机部分主要完成数据的采集和无线发送。系统工作过程如下：可燃气体传感器，采集气体浓度信号，经信号调理电路进行放大、稳压，再通过A/D 转换电路送入单片机（从机）处理，处理后的数据通过无线收发芯片nRF905发送。

主机部分主要完成接收数据、显示和报警的功能。首先，单片机通过无线收发芯片nRF905接收数据，并用4位LED数码管显示气体浓度，当气体浓度出现异常时驱动扬声器发出报警信号。

2 信号采集及调理电路

2.1 气敏电阻传感器TGS813

TGS813是一款专门设计成针对于家庭应用的气体泄露报警器、工业用可燃气体报警器以及便携式气体检知器而开发的气敏电阻传感器元件。其内部结构和基础测量电路如图2所示，TGS813共有6个引脚, 其中管脚1、3、4、6为TGS813气敏电阻传感器的内部电阻变化相关管脚，引脚1和引脚3传感器外部短接，将短接端接入电桥电压输入端;引脚4和引脚6也在传感器外部短接，短接后接入负载电阻端，作为气敏电阻传感器的信号输出端。引脚2和引脚5是气敏电阻传感器加热部分的输入端，正常使用传感器时，需要将引脚2和引脚5之间接入加热电压，用以给气敏传感器加热，保证传感器检测目标气体时气敏电阻部分处于正常的特定工作温度。

因此，TGS813传感器需要同时施加两个工作电压：加热器电压VH和回路电压VC。VH施加在集成的加热器上，用于维持敏感素子处于与对象气体相适应的特定温度。VC则是用于测定与传感器串联的负载电阻RL上的两端电压VRL。

图2 TGS813基础测量电路

2.2 信号采集及调理电路

TGS813的基本原理是将气敏电阻传感器的电阻比——气敏输出特性转换成可以测量的电压信号，即通过气敏电阻RS的变化来检测可燃性气体浓度的。本系统中采用R0、R9、R10和TGS813的RS构成一个电桥，来实现电阻到电压的转换。LM324中的一个运算放大器A接成电压跟随器，和电阻R7、稳压管D1组成稳压电路，为电桥供电，以提高电桥激励电压的稳定性。电桥转换后的输出电压通过LM324的另外一个运算放大器B进行放大，放大倍数可通过电阻R11进行调节，以便于输出合适的电压供A/D 转换。

图3 气体浓度信号采集电路

3 A/D转换电路

本次采用的A/D芯片是TI公司的12位串行模数转换器TLC2543。由于89S52的I/O资源不是很丰富，采用串行输入结构，可以节省单片机很多I/O 资源。

A/D 转换接口电路如图4所示。TLC2543的I/O CLOCK、DIN和/CS端由单片机的P1.2、P1.3和P1.5提供。TLC2543转换结果的输出（DOUT）数据由P1.4接收。

单片机通过编程产生串行时钟，即由CLK先高后低的转变提供串行时钟；并按时序发送与接收数据位，完成通道方式/通道数据的写入和转换结果的读出；用累加器和带进位的左循环移位指令来合成SPI功能。

图4 A/D转换电路

4 无线通信模块

无线通信模块采用挪威Nordic VLSI公司推出的单片射频收发器nRF905。nRF905 工作电压为1.9～3.6V， 32 引脚QFN 封装，工作于433/868/915MHz三个ISM(工业、科学和医学)频道，频道之间的转换时间小于650us。nRF905可以自动完成处理字头和CRC(循环冗余码校验)的工作，可由片内硬件自动完成曼彻斯特编码/解码，使用SPI接口与微控制器通信，配置非常方便。

nRF905与MCU之间通过SPI接口进行数据和命令交互，为了降低硬件成本同时保证一定的传输距离，图5为典型的应用原理图，该电路天线部分使用的是50Ω单端天线我们采用50Q阻抗的天线。本无线射频收发电路是按照433MHz通信频率、工作电压3.3V来设计的，根据nRF905芯片的datasheet围配置电路参考表，来确定芯片外围电路的匹配电阻、电容和电感的取值。应用原理图如图5所示：

图5 nRF905应用原理图

5 显示和报警模块

主机部分单片机接收气体浓度信号后通过数码管进行显示，并且当浓度超过上限时驱动扬声器报警。本系统选用了4位共阴数码管,采用动态显示。显示数据通过P0口送到数据锁存器，送到数码管。P2.0、P2.1、P2.2、P2.3四个口作为控制端，分时轮流控制各个LED数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示。报警电路由单片机P2.5引脚产生报警信号驱动蜂鸣器报警。

6 总结

本文设计的具有无线传输功能的气体检测装置，采用性能优越的TGS813传感器，设计了无线收发模块对数据进行开路传输，并能实时显示测量值，当气体浓度超标时，发出报警信号。该系统可以实现可燃气体的远程监控，而且可以解决无法布线环境下的气体监控难题，解决了有线传输带来的布线麻烦、出现故障检查困难等缺点，提高了系统的适应性和检测能力。

[1] 张红剑,叶敦范,倪效勇.可燃气体传感器TGS813在多路数据采集电路中应用.国外电子元器件.2007(11):61-63

[2] 何立民.MCS51单片机实用接口技术.北京:航空航天大学出版社. 2001

[3] 赏星耀.射频芯片nRF905在无线测温系统中的应用.机电工程.2005(10)

[4]侯海岭，姚年春.无线收发芯片nRF905的原理及其在单片机系统中的应用.仪器仪表用户.NO.3，2006：70～71

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.09.098

甄丽平，讲师，硕士学位，研究方向：电子信息技术。