1、INSTITUDE OF TECHNOLOGY電路和電子技術(shù)【大作業(yè) 2電路設(shè)計(jì)】實(shí)時(shí)氫氣濃度安全系統(tǒng)學(xué)院：化學(xué)與化工學(xué)院專業(yè)：化工與制藥類班號(hào)：10021803學(xué)號(hào)：1120170901姓名：蘇莉玲任課：謝民2020 年 6 月 14 日電路和電子技術(shù)大作業(yè) 2電路設(shè)計(jì)與分析實(shí)時(shí)氫氣濃度安全系統(tǒng)一、系統(tǒng)簡介及應(yīng)用進(jìn)入各大化學(xué)化工實(shí)驗(yàn)和陸續(xù)開始大創(chuàng)項(xiàng)目后，“安全”成了所有實(shí)驗(yàn)最常掛在嘴上的要求。但僅憑經(jīng)驗(yàn)很難察覺一些潛在的隱患，尤其是使用一些易燃易爆或氣體時(shí)，更要時(shí)刻警惕安全事故的發(fā)生。2015年 12 月 18 日。做實(shí)驗(yàn)的博士后當(dāng)場化學(xué)系和添樓一間發(fā)生火災(zāi)事故，一名正在。經(jīng)，該博士當(dāng)時(shí)正使

2、用氫氣做化學(xué)實(shí)驗(yàn)，據(jù)此推測是實(shí)驗(yàn)中氫氣發(fā)生事故。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，氫氧按體積的范圍是 H2 5% 94.3%；氫氣和空氣按體積的范圍是 5% 73.5% ，又由于氫氣著火點(diǎn)只有 560，一般碰撞、摩擦、放電、明火、熱氣流、電磁輻射等都有可能引燃?xì)錃?空氣混合物。1因此，實(shí)時(shí)快速而又準(zhǔn)確地監(jiān)測氫氣濃度對(duì)于安全有很重要的意義。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要對(duì)的 H2 濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測并在設(shè)定時(shí)間間隔和所測數(shù)據(jù)，在達(dá)到設(shè)置的濃度上限值警。二、系統(tǒng)指標(biāo)要求數(shù)據(jù)刷新率：1 次/3 秒。人較多時(shí)不確定因素多、情況復(fù)雜，要提供較高的刷新率，實(shí)時(shí)氫氣濃度，才能保證氫氣的使用安全；數(shù)據(jù)：間隔 303600 秒可調(diào)；測量范圍：0 10

3、000 ppm，±2.5%F.S（1ppm = 0.0001%vol）；精度：25ppm;方式：聲光，高點(diǎn)可設(shè)置。2 / 8電路和電子技術(shù)大作業(yè) 2電路設(shè)計(jì)與分析三、系統(tǒng)功能劃分根據(jù)上述系統(tǒng)功能描述和指標(biāo)要求，將整個(gè)系統(tǒng)大致分為：供電系統(tǒng)、氫氣傳感器濃度監(jiān)測分系統(tǒng)（包括三級(jí)可控加熱電路）、數(shù)據(jù)分系統(tǒng)、分系統(tǒng)以及終端分系統(tǒng)。（1）供電系統(tǒng)供電系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)提供滿足系統(tǒng)各部分所需電流或電壓要求的電源。（2）氫氣傳感器濃度監(jiān)測分系統(tǒng)氫氣濃度監(jiān)測分系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣中的H2 濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，該分系統(tǒng)細(xì)分為以下模塊：氣敏半導(dǎo)體傳感器、三級(jí)可控加熱電(A/D)。路、模數(shù)轉(zhuǎn)換（3）

4、數(shù)據(jù)分系統(tǒng)數(shù)據(jù)分系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)在設(shè)定的時(shí)間間隔測得的 H2 濃度數(shù)據(jù)。（4）分系統(tǒng)分系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)當(dāng)測得H2 濃度達(dá)到/超過設(shè)置的上限值時(shí)啟動(dòng)蜂鳴及呼吸燈進(jìn)行聲光。（5）實(shí)時(shí)顯示分系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示分系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)所測 H2 濃度的實(shí)時(shí)顯示。（6）終端分系統(tǒng)終端分系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)各分系統(tǒng)的。終端分系統(tǒng)可采用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)平臺(tái)或單片機(jī)，通過各種類型接口與其他分系統(tǒng)對(duì)接。3 / 8電路和電子技術(shù)大作業(yè) 2電路設(shè)計(jì)與分析四、系統(tǒng)指標(biāo)分解和電子設(shè)備設(shè)計(jì)方案（1）實(shí)時(shí)性指標(biāo)H2 濃度監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)刷新率為每3 秒刷新一次數(shù)據(jù)。所采用的電子器件響應(yīng)時(shí)間都是毫秒級(jí)，所需時(shí)間最長的應(yīng)該是 H2 傳感器部分，求。能夠符合要（2

5、）供電系統(tǒng)H2 濃度監(jiān)測系統(tǒng)的供電電壓主要包括傳感器恒流10A、加熱電路 3.5V 和各種的 3.6V 三種需求。系統(tǒng)設(shè)計(jì)用 4V 鋰電池供電，為了保證各分系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，必須設(shè)計(jì)基于鋰電池的穩(wěn)壓電路和恒流電路。穩(wěn)壓采用 AMS1117-ADJ，恒流電路采用 LM334、二極管 1N457 或 1N4148 和電阻穩(wěn)壓模塊 (MS1117-ADJ)。圖 1 穩(wěn)壓電路如圖 1，穩(wěn)壓模塊的輸出電壓通過電阻 R1 和 R2 進(jìn)行設(shè)置，輸出電壓可近似𝑅1+𝑅2 ×𝑉,其中 𝑉是指 ADJ 端的電壓值。運(yùn)用兩個(gè) AMS1117-為

6、𝑉=𝑜𝑢𝑡𝑟𝑒𝑓𝑟𝑒𝑓𝑅1ADJ分別設(shè)置和的大小使輸出電壓為三級(jí)加熱電路的 3.5 V 以及R1R2STM32F103RB的 3.6 V。4 / 8電路和電子技術(shù)大作業(yè) 2電路設(shè)計(jì)與分析恒流模塊 (LM334)圖 2 恒流電路及其計(jì)算公式如圖 2，為該恒流手冊上給的典型應(yīng)用電路，此處我們只要了解其應(yīng)用方式即可。由公式 2（恒流計(jì)算公式）可知，恒流源輸出的大小由兩個(gè)電阻𝑉𝑅𝑉

7、𝑅+ 𝑉𝐷。R1 和R2 進(jìn)行設(shè)置。輸出電流為：𝐼=+𝑆𝐸𝑇𝑅1𝑅2（3）氫氣傳感器濃度監(jiān)測分系統(tǒng)分系統(tǒng)如圖 3，由氫氣傳感器、三級(jí)加熱電路、同相跟氫氣傳感器濃度隨器以及 16 位模數(shù)轉(zhuǎn)換等模塊。圖 3 氫氣傳感器濃度電路5 / 8電路和電子技術(shù)大作業(yè) 2電路設(shè)計(jì)與分析NMOS/PMOS主要用到其開關(guān)特性，一般通過調(diào)節(jié) Vg小于一定的值就會(huì)導(dǎo)通，適合用于源極接 VCC通斷。PMOS 的開關(guān)特性：Vgs時(shí)的情況（高端驅(qū)動(dòng)）。Vg 低電平導(dǎo)通；NMOS 的

8、開關(guān)特性：Vgs 大于一定的值就會(huì)導(dǎo)通，適合用于源極接地時(shí)的情況（低端驅(qū)動(dòng)）。Vg 高電平導(dǎo)通（Vgs=Vg - Vs 指的是柵極G 與源極 S 的電壓）。旁路電容電路中有很多旁路電容，起到隔直流通交流、降低外界干擾、保證信號(hào)純潔的作用。H2 傳感器金屬氧化物半導(dǎo)體材料吸附或解吸附氣體時(shí)會(huì)引起材料電導(dǎo)率的變化。傳感器采用 Co3O4-SnO2 納米復(fù)合材料3，它對(duì) H2 具有異常的 p 型響應(yīng)。取 Co/Sn 的摩爾比為 Co/Sn-10%，該摩爾比下半導(dǎo)體材料對(duì) H2 的響應(yīng)最好。同時(shí)在工作穩(wěn)定為 300時(shí)，響應(yīng)達(dá)到最大值。16 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADS1100)為了提高傳感器的穩(wěn)定性和能力，

9、電路中采用恒流方式供電。的氫氣傳感器電阻變化范圍為 50500 k，設(shè)計(jì)的恒流大小為 10 A，輸出電壓為0.5 5 V，將該信號(hào)進(jìn)行濾波、同相跟隨器處理后，進(jìn)入高精度 A/D (ADS1100)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，將數(shù)字信號(hào)輸入到單片機(jī)器 STM32F103RB 中。高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADS1100 基準(zhǔn)電壓為 3.3 V，其分辨率很高，可達(dá) 0.05 mV。根據(jù)設(shè)計(jì)的測量范圍(1 10000 ppm)和精度(25 ppm)計(jì)算所需分辨率：25× (5 0.5) = 11.25 𝑚𝑉 > 0.05 𝑚𝑉10000

10、0因此 ADS1100 的分辨率可以滿足要求。編碼區(qū)間個(gè)數(shù)：10000 0= 4002528 = 256 < 400 < 29 = 512因此模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADS1100 的量化位數(shù)是 9 位。6 / 8電路和電子技術(shù)大作業(yè) 2電路設(shè)計(jì)與分析三級(jí)可控加熱電路電路中還設(shè)計(jì)了一個(gè)三級(jí)可控加熱電路2，用于給傳感器中的陶瓷加熱板供電。其輸出電壓通過端 Heat-low 和 Heat-offNMOS/PMOS 的電平對(duì)加熱電壓進(jìn)行設(shè)置，有 0 V、3 V、3.5 V 三種電壓輸出方式。在進(jìn)試時(shí)，先采用 3.5 V 電壓加熱傳感器，使傳感器在較高溫度下解脫附一些吸附物，清潔傳感器的敏感層表面；然

11、后切換到 0 V 電壓，使傳感器快速降溫到正常工作溫度；再切換到 3 V 電壓輸出，使傳感器處于正常工作溫度。由上可見 Heat-Off 的電壓(能QP3)能該加熱電路是否有電壓輸出；在 QP3 導(dǎo)通的條件下，Heat-low 的電壓(能QP4)能該加熱電路的電壓輸出高低，從而使電路具有三級(jí)可控的加熱方式。（4）數(shù)據(jù)分系統(tǒng) (S25FL128)數(shù)據(jù) SPI 接口將數(shù)據(jù)存入 FlashMX25L1605、W25Q64 等型號(hào)。器，F(xiàn)lash器可以使用 S25FL128、（5）分系統(tǒng)系統(tǒng)的程序通過 USB TO UART 口輸入主，蜂鳴器和呼吸燈通過PWM 口與主器連接。當(dāng)測得的 H2 濃度值超過

12、設(shè)置值后，通過電平變化驅(qū)動(dòng)蜂鳴器和呼吸燈工作。7 / 8QP3QP4電壓輸出方式 /V斷x0通通3（在原R11 的兩端并聯(lián)入 R12，總電阻減小，分壓小，電壓稍微降低）通斷3.5電路和電子技術(shù)大作業(yè) 2電路設(shè)計(jì)與分析（6）實(shí)時(shí)顯示分系統(tǒng) (LCD1602)實(shí)時(shí)顯示分系統(tǒng)采用 LCD1602 顯示屏，通過 UART 口連接到主輸出端。的（7）終端分系統(tǒng) (STM32F103RB)終端分系統(tǒng)采用STM32F103RB，該具有多種接口可以滿足需求，與各分系統(tǒng)連接。總體結(jié)構(gòu)如圖 4：圖 4 總體結(jié)構(gòu)圖H2 傳感器采用恒流方式進(jìn)行供電，并通過信號(hào)調(diào)理電路和 16 位 A/D電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)發(fā)到單片機(jī)中；單片機(jī)器在傳感器數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)處理、到 Flash器中，并通過串口