江苏大学硕士学位论文 3．2系统硬件设计 能。
系统硬件设计原理图见附录A，下面介绍其主要组成部分以及它们实现的功 3．1系统电源
该系统系统电源电路图如图3．2所示，Vin是外部输入电源，采用的是12V／3A 的直流电源。c2，c4的作用是对LM317电压调节端(ADJ)的电压进行滤波，以提 高输出电压的稳定性；D1、D2起保护作用，当有意外情况使得LM317的Vin电压比 Vout电压还低的时候，防止从c3．C4上有电流倒灌入LM317；]起其损坏。整个系 统用电可以划分为两部分：HVCC是LED显示器模块、气体传感器加热、传感器信号 监测回路及A／D转换参考电源模块输入需要的9．58V3：作电压：VCC是单片机等集 成芯片需要5V的T作电压。
电源部分的核心器件是二端可调输出集成稳压器LM317。LM317是美国国家半
导体公_J的二端可调整流稳压器集成电路，输出电压范围是I．25v至37v，负载电 流最大为I．5A。它的使用非常简单，仅需两个外接电阻来设置输出电压，此外线 性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。内置过载保护、安全区保护等 多种保护电路。输出引脚3与调节引脚i之间保持1．25V的参考电压Vref，并且引 脚3为正端。当调节端接地时。输出端输出I．25V。由Vin端提供工作电压以后， 便可以保持Vout端(3脚)比ADJ端(1脚)的电压高I．25V。因此，只需要用极小的电 流来调整ADj端的电压，便可在Vout端得到比较大的输出电流，并且输出电压比 ADJ端电压高出恒定的I．25V。
LM317的输出电压=1．25x(I+ADJ端到地的电阻／AIU端到Vout端的电阻)。通过 调整接入ADJ端和Vout端电阻的比值，来改变输出电压。值得注意的是，LM317 有一个最小负载电流的问题，即只有负载电流超过某～值时，才能起到稳压作用。 这个电流随器件的生产厂家而有所差异，一般在3—8mA不等，可以通过在负载端
接一个合适的电阻来解决。依据LM317的输出电压计算公式，可以得到图3．2中LMI 的输出：
江苏大学硕士学位论文 ⅣVCC吲¨每@D 其中：v，。r：1．25V，Rl=1000Q，R2=150Q。数据代入上式得：HVCC=9．58V． 另外LM2的输出： VCC=啪+争(3．2)
其中：V。产I．25V，融=460Q，R4=150Q。数据代入公式得到：VCC=5．08V。 品1．一J2—3 I ；陌习3 缸P
图3．2系统电源电路田
3．2气体传感器加热及其信号采样
气体传感器加热及其信号采样电路图如图3．3所示，由LM317提供加热电压。
其中．HVCC是输入电压，vE是气体传感器的加热电压，VH是监测回路的工作电压， GND为气体传感器加热地，Vss为信号采样地，Rs为气体传感器的敏感体电阻，R。 为取样电阻。传感器加热电压高，加热丝的电阻值小，这样势必导致流经加热回 路的电流大；另外，为了方便测量，传感器探头电路与仪表数据处理电路不在同 一个电路扳上，而是用了比较长的数据线相连。如果采样地与加热地共用一条回 路，采样地就会流过较大的电流，这样就能在信号采样线上产生很大的压降，从 而导致采集的信号受信号采集线的长短影响较大。必须把加热地与信号地分离 开，才能降低T扰。
依据LM317的输出电压计算公式，可以得到： D
VE=％(1+》(3．3) n2
其中：V。=1．25V，R．=470Q．R：=1500。数据代入公式得到：vE≈5．17V。
江苏大学硕士学位论文
图3．3气体传感器加热及信号采样电路田
模数转换芯片选用的是美国模拟器件公司(Analog Devices)生产的一种低
功耗io位高速串行A／D转换器AD78lo，其转换精度为可岳=而1嚣。模数转换时． 参考电源的稳定性很霞要，在奉系统中外部电源是f11TL431及其外围电路供给。根 据欧姆定律．得到气体传感器的输出电压： ％=彘册(3．4)
经A／D转换后，换算出气体传感器输出电压： ％=岳阴(3．5) 其中：V。。是A／D的转换结果。 由以上两式联立得： ％=。彘Ⅲ=南附(3-e，
上式化简得到： 岛=惫吃” (3．7)
从上式可以看出。Rs与采样回路电压vH无关，只要保证参考电压VH稳定就可
以。如果确定了采样电阻RL．以及A／D转换结果，就可以得到气体传感器得敏感体 电阳艮。
江苏大学硕士学位论文
3．2．3传感器信号监测回路及A／D转换参考电源
传感器信号监测回路及A／1)转换参考电源电路图如图3．4所示，主要由三极管 和TL43 1组成。TL431是TI公司生产的一个有良好的热稳定性能的三端可调精密电 压基准集成电路，引脚分别为：阴极(CATHODE)、阳极(ANODE)和参考端(REF)；输 出电乐范同是2．5VN30V；典型动态阻抗为0．20，输出杂波低。在很多应用中可 以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源 等等。该器件内部有一个的2．5V基准源vI，接在内部运放的反相输入端。由运放 的特性可知，只有当REF端(同相端)的电压非常接近VI时，三极管中才会有一个 稳定的非饱和电流通过，而且随着REF端电压的微小变化。通过三极管的电流将 从l到lOOmA变化。当在REF端引入输出反馈时，器件可以通过从阴极到阳极很宽 范同的分流来控制输出电压。需要注意的是，在选择电阻时必须保证TL4311作 的必要条件，即通过阴极的电流要大于lⅡlA。
图3．4中，R．和风对vH的分压引入反馈。若输出增大，则反馈量增大，TL431 的分流也就增加，从而又导致VH下降。可见，这个深度的负反馈电路必然在VI 等于基准电压处稳定，此时TL431的输出： o
掰=％(1+》(3．8) ～
其中：v，。r：2．5V．R。=200 Q，P。=1000 o。数据代入公式得到：VH-≈3V。 为了降低系统功耗，用单片机I／ON控制该电源的工作状态。当I／O为高电平
”I”时，NPNZ．极管Q，导通，其集电极为低电平，从而使PNP---极管Q2基极拉低， Q，导通，其射极输出高电平，这样就能满足TL431的工作条件，从而可以得至IJVH=3V 的输出电，R；当I／O为低电平“0”时。NPN--极管Q。截止，其集电极为高电平， 从而使PNP--极管Q：基极为高，Q：截止，这样不能满足TL4311作条件，得NVH=OV 的输出电压。
江苏大学硕士学位论文
圈3．4传感器信号监铡回路及A／D转换参考电源电路圈 3．2．4模数转换芯片AD7810的原理及应用 C2 16V 22u
AD7810是美国模拟器件公司(Analog Devices)生产的一种低功耗10位高
速串行A／D转换器。该产品有8脚DIP和SOIC两种封装形式，并带有内部时钟。 它的外围接线极其简单，AD7810的转换时间为2 u s，采用标准SPI同步串行接 口输出和单一电源(2．7V～5．5V)供电。在自动低功耗模式下，该器件在转换吞 吐率为IkSPS时的功耗仅为27 p w。 1．AD7810引脚功能
AD7810引脚排列如图I所示，各引脚的功能如下： I脚CONVST：转换启动输入信号 2脚VIN+：模拟信号同相输入端 3脚VIN-：模拟信号反相输入端 4脚GND：接地端口
5脚VREF：转换参考电压输入端 6脚DOUT：串行数据输出端 7脚SCLK：时钟输入端 8脚VDD；电源端