专利名称：甲烷、一氧化碳组合传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种传感器，具体是一种甲烷、一氧化碳组合传感器。
背景技术：
在采矿等行业中，矿井中设有各种传感器，用以检测各种气体浓度，保证安全。目前，在线式检测传感器都是单一功能的，一个传感器只能检测一种气体，如中国专利ZL91111984.1公开了一种“用于监测甲烷浓度的装置”，该装置包括甲烷浓度检测桥，单片微机系统以及甲烷浓度超限声、光报警电路，甲烷浓度数字显示电路，甲烷浓度信号输出电路和断电控制输出电路。该装置能对甲烷浓度进行连续的检测，而一般矿中还需要对环境温度以及其它气体浓度进行的监测，所以就需要另外设置其他传感器等，不但增加了功耗，增加了成本，还不便于现场施工。此外，目前的甲烷检测元件在上电的时候，电流会对检测元件的探头造成冲击，冲击电流会使检测元件探头的使用寿命缩短，还造成传感器稳定性差，使传感器的工作点漂移，严重时还会使检测元件的探头损坏。而在断电的情况下需要对一氧化碳检测元件的电极进行短路保护，而目前采用的电磁继电器在动作的时候电流比较大，工作电流也较大，使整个传感器的工作电流增大，增加了功耗，传感器的信号的传输距离也受到限制。在检测的过程中，现场的工作人员不能及时了解现场传感器与监控站之间的通讯状态。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种能同时在线监测甲烷和一氧化碳的组合传感器。
本实用新型的进一步目的是提供一种应用于甲烷、一氧化碳组合传感器的、工作电流低的一氧化碳检测元件电极保护装置。
本实用新型的更进一步目的是提供一种应用于甲烷、一氧化碳组合传感器的、能使甲烷检测元件上的电压缓慢上升的上电缓冲电路。
本实用新型还有一个目的是提供一种应用于甲烷、一氧化碳组合传感器的、能在现场显示传感器和监控站之间通讯状态的通讯状态监测电路。
本实用新型的技术方案是一种甲烷、一氧化碳组合传感器，具有单片机，甲烷检测电路，放大电路，A/D变换器，甲烷信号显示电路，甲烷信号输出电路，声光报警电路，断电信号输出电路以及电源电路，所述的甲烷检测电路、放大电路和A/D变换器依次连接，所述的A/D变换器，甲烷信号显示电路，甲烷信号输出电路，声光报警电路和断电信号输出电路都与单片机相对应的端口连接；其特征在是还包括有一氧化碳检测电路，信号放大电路，A/D变换器，外部存储器，一氧化碳信号显示电路，一氧化碳信号输出电路，键盘和遥控接收电路；所述的一氧化碳检测电路、信号放大电路、A/D变换器依次连接，所述的A/D变换器、外部存储器、一氧化碳信号显示电路、一氧化碳信号输出电路、键盘和遥控接收电路都与单片机相对应的端口连接。
所述的一氧化碳检测电路的检测元件还连接有电极保护装置；所述的电极保护装置具有一光耦继电器，一氧化碳检测元件的参考极R和工作极S分别与光耦继电器的两输出端连接，光耦继电器的两控制端与电源电路连接；检测元件断电停止工作时，参考极R和工作极S通过光耦继电器短路导通。
所述的甲烷检测电路的检测元件还连接有上电缓冲电路。
所述的检测元件上电缓冲电路由运算放大器N2D，三极管Q1、Q2、电解电容C4～C6以及电阻R2～R6连接构成；电阻R2、R3串联后一端接地，另一端与电源电路的VB端连接，电阻R2、R3的连接处与运算放大器N2D的正向输入端连接，N2D的反相输入端通过电阻R4接地，运算放大器N2D的输出端与三极管Q2的基极连接有电阻R5，三极管Q2的发射极与单片机的一信号端连接，三极管Q2的集电极与三极管Q1的基极之间连接有电阻R6，三极管Q1的发射极与电源电路的VB端连接，三极管Q1的集电极为输出端VE端与检测元件探头连接，三极管Q1的发射极与基极之间还连接有电解电容C5；电解电容C4、C6的正极都与上电缓冲电路的输出端VE端连接，C4的负极与运算放大器N2D的反相输入端连接，C6的负极接地；检测元件在上电的时候，电容C4、C6经过反复充放电，使输出端VE端的电压缓慢上升，最后达到稳定状态。
所述的甲烷信号输出电路和一氧化碳信号输出电路还连接有通讯状态监测电路；所述的通讯状态监测电路实时监测通讯线路的通信状态，并通过其显示电路在现场将通讯状态显示出来。
所述的通讯状态监测电路包括有光耦继电器及其发光二极管；光耦继电器的控制端分别与上述信号输出电路的输出端和负载线路连接，光耦继电器的输出端分别与单片机的一信号输出端和发光二极管连接，发光二极管由单片机控制其导通。
所述的单片机型号为STC89LE52RC。
所述的遥控接收电路具有型号为TL1838A2的遥控接收器。
所述的外部存储器是型号为X5045的带看门狗的外部存储器。
所述的A/D变换器型号为TLC1549。
本实用新型的上述技术方案相比现有技术具有以下优点(1)相对于分立的甲烷传感器和一氧化碳传感器，该组合传感器结构简单，能同时监测环境的甲烷和一氧化碳的浓度，仅通过一根多芯电缆进行电源的输送和信号的传输，降低了成本，减少了功耗，具有较高的性价比，现场施工简便。(2)甲烷检测元件上连接上电缓冲电路后，能使甲烷检测元件上的电压缓慢上升，有效保护甲烷检测元件探头，延长检测元件的使用寿命，提高了传感器的稳定性。(3)一氧化碳检测元件的电极保护装置采用微型光耦继电器替代传统的电磁继电器，体积小，检测元件的关断电流小，工作电流低，功耗小，增加了一氧化碳传感器的信号的传输距离，延长了一氧化碳检测元件的使用寿命。(4)设置了通讯状态监测电路后，可以使现场的工作人员能及时了解传感器与监控站之间的通讯状态。
为了使的内容更容易被清楚的理解，下面根据具体的实施例并结合附图，对作进一步详细的说明，其中图1为本实用新型原理框图；图2为实施例的电源电路的原理图；
图3为实施例的检测元件的上电缓冲电路的原理图；图4为实施例的甲烷检测电路以及对应的放大电路的原理图和一氧化碳检测电路以及对应的放大电路；图5为实施例的单片机、A/D转换器、键盘、遥控接收电路、外部存储器和显示电路的原理图；图6为实施例的声光报警电路和断电信号输出电路的原理图；图7为实施例的信号输出电路。
具体实施方式
见图1，本实施例的甲烷、一氧化碳的组合传感器具有单片机，甲烷检测电路，放大电路，A/D变换器，甲烷信号显示电路，甲烷信号输出电路，声光报警电路，断电信号输出电路以及电源电路，所述的甲烷检测电路、放大电路和A/D变换器依次连接，所述的A/D变换器，甲烷信号显示电路，甲烷信号输出电路，声光报警电路和断电信号输出电路都与单片机相对应的端口连接；还包括有一氧化碳检测电路，信号放大电路，A/D变换器，外部存储器，一氧化碳信号显示电路，一氧化碳信号输出电路，键盘和遥控接收电路；所述的一氧化碳检测电路、信号放大电路、A/D变换器依次连接，所述的A/D变换器、外部存储器、一氧化碳信号显示电路、一氧化碳信号输出电路、键盘和遥控接收电路都与单片机相对应的端口连接。电源电路为各电路提供工作电源。
见图2，电源电路由型号为LM2675-ADJ的集成电路N1、型号为78L05的稳压器N4以及外围的电容C1～C3、C8、C25、电阻R1、R31～R35、可变电阻W1、电感L1、二极管D1、D2、Q3、运算放大器N3D及接插件J1连接构成，插件J1与外部18V电源连接。电源电路为各电路提供所需的电源。
见图3、图4，甲烷检测电路包括有甲烷检测元件以及电阻R9、R11、可变电阻W2、接插件J5以及检测元件上电缓冲电路。其中，甲烷检测元件图中没有画出。接插件J5与甲烷检测元件连接，电阻R9、R11、W2与甲烷检测元件组成桥式电路。见图3，检测元件上电缓冲电路由运算放大器N2D，三极管Q1、Q2、电解电容C4～C6以及电阻R2～R6连接构成；电阻R2、R3串联后一端接地，另一端与电源电路的VB端连接，电阻R2、R3的连接处与运算放大器N2D的正向输入端连接，N2D的反相输入端通过电阻R4接地，运算放大器N2D的输出端与三极管Q2的基极连接有电阻R5，三极管Q2的发射极与单片机的信号端P1.1脚连接，三极管Q2的集电极与三极管Q1的基极之间连接有电阻R6，三极管Q1的发射极与电源电路的VB端连接，三极管Q1的集电极为输出端VE端与甲烷检测元件连接，三极管Q1的发射极与基极之间还连接有电解电容C5；电解电容C4、C6的正极都与上电缓冲电路的输出端VE端连接，C4的负极与运算放大器N2D的反相输入端连接，C6的负极接地；检测元件在上电的时候，电容C4、C6经过反复充放电，使输出端VE端的电压缓慢上升，最后达到稳定状态。
见图4，甲烷检测电路的信号输出端与其对应的放大电路连接，该放大电路由运算放大器N2A、N2B、N2C以及外围电阻R12～R19、R10、R68、可变电阻W3、电容C12连接构成。该放大电路将甲烷检测电路输出的信号放大，然后输出到对应的A/D转换器N9。见图5，A/D转换器N9的型号为TLC1549。A/D转换器对信号进行转换后将信号输出到单片机的I/O口进行数据采集。
见图4，一氧化碳检测电路包括有一氧化碳检测元件、接插件J6以及电极保护装置N5。一氧化碳检测元件图中没有画出，接插件J6与一氧化碳检测元件连接。一氧化碳检测元件采用的是电化学敏感元件，电极保护装置具有一光耦继电器N5，一氧化碳检测元件的参考极R和工作极S分别与光耦继电器N5的两输出端连接，光耦继电器N5的两控制端分别与电源电路的VA端和稳压器N4的输入端连接；检测元件断电停止工作时，参考极R和工作极S通过光耦继电器N5短路导通，实现参考极R和工作极S的贮存保护。
见图4，一氧化碳检测电路的输出端与其对应的放大电路连接，该放大电路由运算放大器N3A、N3B、N3C及其外围的电阻R20～R30、R62、可变电阻W4、W5、热敏电阻RT、电容C7、C9～C11、连接构成。该放大电路将一氧化碳检测电路输出的信号进行放大，然后输出到对应的A/D转换器N10。见图5，A/D转换器N10的型号为TLC1549。该A/D转换器N10对信号进行转换后将信号输出到单片机的I/O口进行数据采集。
见图5，单片机N11型号为STC89LE52RC。甲烷显示电路和一氧化碳显示电路由型号为BC7281A的数码管驱动器N12、型号为74LS164的串行移位寄存器N13、LED显示模块N14、N15以及外围的电阻R38、R39、R41、R42、R46～R53、电容C14、C23、C24、三极管Q5～Q10连接构成。显示电路采用动态扫描显示，由单片机N11的两个I/O口P0.0、P0.1输出串行信号到数码管驱动器N12，并由数码管驱动器N12和串行移位寄存器N13控制LED显示模块N14、N15完成显示。键盘包括开关按键S1～S6。使用键盘可进行复位，以及对零点，放大倍数、非线性补偿系数等系统参数进行设置。遥控接收电路由型号为TL1838A2的遥控接收器N7及外围电阻R7、R8、电容C17、电解电容C18连接构成。遥控接收器与遥控器配合使用，可对系统参数进行设置。外部存储器N8是型号为X5045的带看门狗的外部存储器。
见图6，声光报警电路由四个发光二极管LED1～LED4、电阻R73～R78、三极管Q4以及蜂鸣器连接构成。发光二极管与蜂鸣器并联连接。单片机N11的I/O口P2.2通过电阻R73和三极管Q4控制报警电路的开、关。当检测到的数值超过规定值时，单片机的I/O口P2.2输出高电平，Q4导通，发光二极管亮，蜂鸣器鸣叫。
见图6，断电信号输出电路由三极管Q11～Q13、电阻R56～R60、接插件J4连接构成。接插件J4作为输出端与通讯线路连接。在传感器检测到的值超出规定范围时，单片机N11的P2.5端输出高平信号，控制断电信号输出电路输出断电信号到监控站，监控站根据具体情况进行断电。
见图7，甲烷信号输出电路由三极管Q17～Q19以及电阻R61、R63～R65连接构成。甲烷信号输出电路由单片机N11的P0.5脚控制，单片机N11将检测到的甲烷浓度值(0～4％)换算成200～1000Hz的频率信号，由P0.5脚输出，当P0.5脚输出高电平时，Q17导通，使甲烷信号输出电路输出5mA的电流信号，该信号通过甲烷通讯状态检测电路的光耦继电器N6和接插件J2输出到监控站。
见图7，甲烷信号输出电路的输出端还与对应的甲烷通讯状态检测电路连接，甲烷通讯状态检测电路由型号为TLP521-2的光耦继电器N6、发光二极管LED5、电阻R40、R66、R74、稳压二极管Q20连接构成。其中，电阻R66、R74、稳压二极管Q20连接组成检测部份。电阻R66、R74串联后一端与甲烷信号输出电路的输出端即三极管Q19集电极连接，另一端接地；稳压二极管Q20并联在电阻R74的两端且Q20的正极接地，电阻R66、R74的连接处作为该检测部分的输出端与单片机的P0.4脚连接，单片机的P2.7脚与光耦继电器N6的7脚连接，发光二极管LED5与电阻R40串联，LED5的正极与电源电路VB端连接，电阻R40与光耦继电器N6的6脚连接。甲烷信号输出电路的输出端还与光耦继电器N6的3脚连接，光耦继电器N6的2脚和4脚与接插件J2连接。甲烷信号输电路输出的信号经甲烷通讯状态检测电路后输出到监控站，其中，发光二极管LED5在单片机的控制下对通讯的状态进行显示，使现场的工作人员能了解传感器与监控站的通讯状态。
见图7，一氧化碳信号输出电路由三极管Q14～Q16、电阻R67、R69～R71连接构成。一氧化碳信号输电路由单片机的P0.3脚控制，单片机将检测到的一氧化碳浓度值(0～1000ppm)换算成200～1000Hz的频率信号，由P0.3脚输出，当P0.3脚输出高电平时，Q14导通，使一氧化碳信号输出电路输出5mA的电流信号，该信号通过一氧化碳通讯状态检测电路的光耦继电器N6和接插件J2输出到监控站。
见图7，一氧化碳信号输出电路的输出端与对应的一氧化碳通讯状态检测电路连接，一氧化碳通讯状态检测电路由型号为TLP521-2的光耦继电器N6、发光二极管LED6、电阻R79、R72、R73、稳压二极管Q21连接构成。其中，电阻R72、R73、稳压二极管Q21连接组成检测部份。电阻R72、R73串联后一端与一氧化碳信号输出电路的输出端连接，另一端接地；稳压二极管Q21并联在电阻R73的两端且Q21的正极接地，电阻R72、R73的连接处作为该检测部分的输出端与单片机的P0.6脚连接，单片机的P0.7脚与光耦继电器N6的5脚连接，发光二极管LED6与电阻R79串联，LED6的正极与电源电路VB端连接，电阻R79与光耦继电器N6的8脚连接。一氧化碳信号输出电路的输出端还与光耦继电器N6的1脚连接，光耦继电器N6的2脚和4脚与接插件J2连接。一氧化碳信号输电路输出的信号经一氧化碳通讯状态检测电路后输出到监控站，其中，发光二极管LED6在单片机的控制下对通讯的状态进行显示，使现场的工作人员能了解传感器与监控站的通讯状态。
在检测的时候，该甲烷、一氧化碳组合传感器可同时对环境中的甲烷和一氧化碳浓度进行检测，并将检测到的信号通过各自对应的显示电路进行显示，并可将信号通过各自的信号输出电路输出到监控站，当检测到的甲烷浓度或一氧化碳浓度超出规定范围时，声光报警系统发出报警信号，断电信号输出电路向监控站输出断电信号，请求断电保护。由于甲烷检测元件还连接有上电缓冲电路，可以有效保护甲烷检测元件探头，延长检测元件的使用寿命。此外，由于一氧化碳检测元件还连接有电极保护装置，在检测元件断电停止工作时，可对一氧化碳检测元件的电极进行贮存保护。两个信号输出电路上都连接有通讯状态监测电路，可监测传感器与监控站的通讯状态，并通过现场的指示灯进行显示，使现场的工作人员也能了解传感器与监控站的通讯状态。
权利要求1.一种甲烷、一氧化碳组合传感器，具有单片机，甲烷检测电路，放大电路，A/D变换器，甲烷信号显示电路，甲烷信号输出电路，声光报警电路，断电信号输出电路以及电源电路，所述的甲烷检测电路、放大电路和A/D变换器依次连接，所述的A/D变换器，甲烷信号显示电路，甲烷信号输出电路，声光报警电路和断电信号输出电路都与单片机相对应的端口连接；其特征在于还包括有一氧化碳检测电路，信号放大电路，A/D变换器，外部存储器，一氧化碳信号显示电路，一氧化碳信号输出电路，键盘和遥控接收电路；所述的一氧化碳检测电路、信号放大电路、A/D变换器依次连接，所述的A/D变换器、外部存储器、一氧化碳信号显示电路、一氧化碳信号输出电路、键盘和遥控接收电路都与单片机相对应的端口连接。
2.根据权利要求1所述的甲烷、一氧化碳组合传感器，其特征在于所述的一氧化碳检测电路的检测元件还连接有电极保护装置；所述的电极保护装置具有一光耦继电器，一氧化碳检测元件的参考极R和工作极S分别与光耦继电器的两输出端连接，光耦继电器的两控制端与电源电路连接；检测元件断电停止工作时，参考极R和工作极S通过光耦继电器短路导通。
3.根据权利要求1所述的甲烷、一氧化碳组合传感器，其特征在于所述的甲烷检测电路的检测元件还连接有上电缓冲电路。
4.根据权利要求2所述的甲烷、一氧化碳组合传感器，其特征在于所述的检测元件上电缓冲电路由运算放大器N2D，三极管Q1、Q2、电解电容C4～C6以及电阻R2～R6连接构成；电阻R2、R3串联后一端接地，另一端与电源电路的VB端连接，电阻R2、R3的连接处与运算放大器N2D的正向输入端连接，N2D的反相输入端通过电阻R4接地，运算放大器N2D的输出端与三极管Q2的基极连接有电阻R5，三极管Q2的发射极与单片机的一信号端连接，三极管Q2的集电极与三极管Q1的基极之间连接有电阻R6，三极管Q1的发射极与电源电路的VB端连接，三极管Q1的集电极为输出端VE端与检测元件探头连接，三极管Q1的发射极与基极之间还连接有电解电容C5；电解电容C4、C6的正极都与上电缓冲电路的输出端VE端连接，C4的负极与运算放大器N2D的反相输入端连接，C6的负极接地；检测元件在上电的时候，电容C4、C6经过反复充放电，使输出端VE端的电压缓慢上升，最后达到稳定状态。
5.根据权利要求1所述的甲烷、一氧化碳组合传感器，其特征在于所述的甲烷信号输出电路和一氧化碳信号输出电路还分别连接有通讯状态监测电路；所述的通讯状态监测电路实时监测通讯线路的通信状态，并通过其显示电路在现场将通讯状态显示出来。
6.根据权利要求5所述的甲烷、一氧化碳组合传感器，其特征在于所述的通讯状态监测电路包括有光耦继电器及其发光二极管；光耦继电器的控制端分别与上述信号输出电路的输出端和负载线路连接，光耦继电器的输出端分别与单片机的一信号输出端和发光二极管连接，发光二极管由单片机控制其导通。
7.根据权利要求1所述的甲烷、一氧化碳组合传感器，其特征在于所述的单片机型号为STC89LE52RC。
8.根据权利要求1所述的甲烷、一氧化碳组合传感器，其特征在于所述的遥控接收电路具有型号为TL1838A2的遥控接收器。
9.根据权利要求1所述的甲烷、一氧化碳组合传感器，其特征在于所述的外部存储器是型号为X5045的带看门狗的外部存储器。
10.根据权利要求1所述的甲烷、一氧化碳组合传感器，其特征在于所述的A/D变换器型号为TLC1549。
专利摘要本实用新型公开了一种甲烷、一氧化碳组合传感器，包括有单片机，依次连接的甲烷检测电路、放大电路和A/D变换器，与单片机对应端口连接的甲烷信号显示电路、甲烷信号输出电路，声光报警电路、断电信号输出电路、电源电路以及依次连接的一氧化碳检测电路、信号放大电路和A/D变换器，与单片机对应端口连接的外部存储器，一氧化碳信号显示电路，一氧化碳信号输出电路，键盘和遥控接收电路。该组合传感器结构简单，能同时监测环境的甲烷和一氧化碳的浓度，仅通过一根多芯电缆进行电源的输送和信号的传输，降低了成本，减少了功耗，具有较高的性价比，现场施工简便。
文档编号G01N27/00GK2884199SQ20062002273
公开日2007年3月28日 申请日期2006年1月24日 优先权日2006年1月24日
发明者傅裕刚, 陈进 申请人:傅裕刚