根據該傳感器的多功能與高精度要求,A /D轉換電路采用TLC2543C,把測量模擬信號轉換成數字信號。TLC2543C為10位開關電容逐次逼近的模數轉換器。通過一個串行的3態輸出端與主處理器或其他外圍器件相連,減少了硬件走線。除了高速轉換和通用控制功能之外,器件具有11路的模擬輸入端,完全能夠滿足多路采樣和功能升級。器件的轉換器結合外部輸入的差分高阻抗基準電壓,具有簡化比例轉換以及模擬電路與邏輯電路和電源噪聲隔離的特點。開關電容的設計還可以使在整個溫度范圍內減小轉換誤差,提高系統的精度。

3.3 顯示電路和RS232串行口通信電路及硬件看門狗電路

為了適應礦井環境,該傳感器采用帶背光的寬液晶顯示屏,增強視覺效果,并且帶有日歷、時間顯示功能。

與PC機進行通信,存儲數據,從而對礦井環境建立數據庫,對環境進行分析,單片機的串行口加上MAX232電平轉換器,采用3線制與PC機進行數據傳送,波特率為9 600 bp s。單片機T1計數器作為串行口發送和接收數據的波特率發生器。采用XI2COR公司帶有串行接口( SP I) EEPROM的看門狗芯片X5045,在傳感器初始化時進行設置,并且將其設置數據保存在EEPROM中。使整個系統的可靠性大大提高,而且最大程度的節省了系統的資源。

3.4 外遙控電路和放大電路

系統中也使用了紅外通信的模式。TOSH IBA的TC9148P紅外調制發射芯片,有單鍵發射功能和連續發射功能。遙控發射器的選擇、上調、下調三鍵均采用連續發射的模式。接收部分只采用了紅外接收頭,在單片機內部實現了軟件解碼的功能。紅外遙控的使用使得操作方便、可靠。

采用數字電位器X9313 取代了模擬電位器。對傳感器的精度和靈敏度進行調整,使得精度和準確度提高。

4 軟件設計和算法實現

系統上電后,首先對單片機進行初始化,然后對A /D進行初始化,之后系統開始工作。首先采樣甲烷濃度并顯示,超過安全值報警; 然后采樣環境溫度并顯示; 最后顯示時間,循環采樣并實時顯示。

另一方面用外部中斷INT0等待鍵盤輸入,INT0中斷即進入鍵盤設置程序,可調整日歷時間、設置安全報警值。其主程序與PC機和紅外線、鍵盤中斷程序流程圖如圖4所示。在系統工作的初始狀態設定完成之后,可以對甲烷傳感器進行氣體的測定。

圖4 主程序與PC和紅外線、鍵盤中斷程序流程圖

5 誤差討論

5.1 工作電壓帶來的誤差

由傳感器測量電路輸出電壓推導公式可知,在對輸出電壓線性化時忽略了二次項,因此存在著非線性誤差,這個誤差可以在單片機中采用模糊數學補償的方法進行消除。在A /D ( TLC2543)轉換通道中,基準電壓的波動可導致不可預測的誤差甚至錯誤結果。這種誤差的消除方法只有在基準電壓輸入端采用精密電源芯片,使電壓值穩定在準確值2.5 V。

5.2 算法誤差

設計中乘除法采用4字節的定點算法,數字表示范圍是: 0～4 294 967 295。計算結果的相對誤差在0.9 ×10-4 ,所以計算精度可以得到保證。最終的相對誤差在0.3%以下。

6 結論

(1)處理芯片的升級,滿足0%～4%甲烷濃度測量。在此范圍之中測量誤差在0.3%以內。甲烷濃度超出安全值準確報警,同時可測量和顯示環境溫度。

(2)傳統儀表功能擴展:日歷、時鐘顯示,紅外遙控芯片使用和硬件看門狗電路。

(3)測量儀表自動化程度高,無需大量手工操作。可與PC機進行通信,為礦井環境數據庫的建立,從而分析井下環境走勢提供了必要條件。尤其是儀表的紅外芯片的使用方便了調試和使用。

(4)實現了低功耗,高可靠性,操作方便。正常工作情況下處于充電,備用電池在現場斷電情況下自動切換。

在目前的試用中,對該傳感器的設計反映很好,它能夠可靠、穩定、安全的測量井下瓦斯,對于預防井下安全事故起到了重要作用,具有推廣應用價值。