電量均衡的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇算法

燃?xì)?人工煤氣、天然氣、液化石油氣)的普及，提高了生產(chǎn)效率、市民的生活質(zhì)量，但在使用燃?xì)獾倪^(guò)程中，因燃?xì)庑孤U氣等原因造成的燃?xì)獗?、中毒等意外事故時(shí)有發(fā)生，給人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)了嚴(yán)重的威脅，因此安全使用燃?xì)庖恢笔侨細(xì)庵鞴懿块T(mén)工作的重中之重。燃?xì)庑孤﹫?bào)警器能有效監(jiān)測(cè)環(huán)境中可燃?xì)怏w或毒性氣體(如CO)的濃度，一旦其濃度超出報(bào)警限定值，就能發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，并且能自動(dòng)開(kāi)啟排風(fēng)扇把燃?xì)馀懦鍪彝猓踔聊芡ㄟ^(guò)聯(lián)動(dòng)裝置自動(dòng)切斷燃?xì)夤?yīng)防止燃?xì)饫^續(xù)泄漏，起到安全防范的作用。但報(bào)警器選用得是否合理，直接關(guān)系到其功能的充分發(fā)揮。該設(shè)計(jì)所研究的可燃性氣體報(bào)警器正是應(yīng)這種要求而開(kāi)發(fā)的。

該設(shè)計(jì)所研究的可燃性氣體報(bào)警系統(tǒng)是利用傳感器對(duì)可燃?xì)怏w濃度信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并且轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，然后與設(shè)定的電壓信號(hào)進(jìn)行比較，當(dāng)氣體濃度超過(guò)設(shè)定值時(shí)實(shí)現(xiàn)智能報(bào)警并能打開(kāi)風(fēng)扇進(jìn)行換氣。目前市場(chǎng)上家用可燃性氣體報(bào)警器的價(jià)格一直居高不下，并且需要定期更換傳感器，更讓人們進(jìn)一步加大了投資，使得普通用戶(hù)難以承受。該設(shè)計(jì)的燃?xì)鈭?bào)警裝置的線路簡(jiǎn)單，各種器件的價(jià)格相對(duì)低廉，這使得整體成本大大降低。相信在科技飛速發(fā)展的今天，燃?xì)鈭?bào)警裝置的價(jià)格逐步降低是必然趨勢(shì)，燃?xì)鈭?bào)警裝置將廣泛地被人們認(rèn)可并普及使用，為人們的人身財(cái)產(chǎn)安全樹(shù)立一道可靠的屏障。該設(shè)計(jì)采用氣敏傳感器TGS813對(duì)可燃性氣體濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，正常工作時(shí)氣敏傳感器輸出電壓信號(hào)與設(shè)定的電壓值通過(guò)比較器進(jìn)行比較。當(dāng)氣體濃度超標(biāo)時(shí)，氣敏傳感器輸出的電壓值超過(guò)正常時(shí)的電壓值，從而使比較器正向輸出；然后通過(guò)三極管放大后，輸出驅(qū)動(dòng)音響裝置發(fā)出聲音并且驅(qū)動(dòng)繼電器線圈使風(fēng)扇自動(dòng)打開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)音響報(bào)警及自動(dòng)換氣功能。

1系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)的可燃性氣體報(bào)警通風(fēng)裝置，采取單獨(dú)利用硬件的開(kāi)發(fā)方式，充分利用了氣敏傳感器及其他元件的特性，使其相輔相成。它的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用元件相對(duì)較少，使其制作成本大大降低，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，適應(yīng)了燃?xì)鈭?bào)警器價(jià)格逐步降低的趨勢(shì)，具有較高的性?xún)r(jià)比。圖1即為可燃性氣體報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案框圖，其主要組成電路為：電源電路、穩(wěn)壓電路、傳感器及設(shè)定電壓、比較電路、放大電路、風(fēng)扇控制及報(bào)警電路。


具體方案的工作流程分析：電源電路經(jīng)過(guò)降壓變壓器向電路提供12 V的直流電源，經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓電路的三端穩(wěn)壓管后輸出8 V穩(wěn)定的電壓，然后通過(guò)傳感器后和設(shè)定電壓進(jìn)行比較。當(dāng)可燃性氣體濃度不超標(biāo)的時(shí)候，傳感器的輸出電壓比設(shè)定電壓小，從而使比較電路中電壓比較器反相端輸出低電平，故不能驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇報(bào)警電路工作。而當(dāng)可燃性氣體濃度超標(biāo)時(shí)，傳感器的輸出電壓將大于設(shè)定的電壓值，從而使比較電路中電壓比較器同相端輸出高電平，經(jīng)過(guò)放大電路進(jìn)行信號(hào)放大，然后輸出驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇控制的繼電器線圈使風(fēng)扇自動(dòng)打開(kāi)和音響報(bào)警電路發(fā)出連續(xù)聲音報(bào)警信號(hào)。

2 硬件電路的設(shè)計(jì)

2.1電源模塊的設(shè)計(jì)

穩(wěn)定的電源是各種電子電路的動(dòng)力源，被人譽(yù)為電路的心臟。眾所皆知，所有用電設(shè)備，包括電子儀表、家用電器等對(duì)供電電壓都有一定的要求。該設(shè)計(jì)的電源電路的主要包括兩個(gè)部分：電源變壓器和三端穩(wěn)壓管的選擇。電源模塊設(shè)計(jì)的基本思想是：采用AC220 V／AC12 V的降壓變壓器得到一個(gè)交流的12 V電壓，然后經(jīng)過(guò)單相橋式整流電路把交流電流變成直流電流，再經(jīng)過(guò)濾波龜容濾波之后，接到三端穩(wěn)壓管7808后，輸出即為穩(wěn)定的直流8 V電壓。

雖然整流濾波電路能將正弦波變換成較為平滑的直流電壓，但是一方面由于電壓平均值取決于變壓器副邊電壓有效值，所以當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，輸出電壓平均值將隨之產(chǎn)生相應(yīng)的波動(dòng)；另一方面由于整流濾波電路內(nèi)阻的存在，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，內(nèi)阻上的電壓將發(fā)生變化，于是輸出電壓平均值也隨之產(chǎn)生相反的變化。因此，整流濾波電路輸出電壓會(huì)隨著電網(wǎng)電壓的波動(dòng)而波動(dòng)，隨著負(fù)載電阻的變化而變化，為了獲得良好的直流電壓，必須采取穩(wěn)壓措施。即在電源電路中加入了三端集成穩(wěn)壓器LM7808進(jìn)行穩(wěn)壓。

三端穩(wěn)壓管是指只有三條引腳輸出的集成電路，用78系列三端穩(wěn)壓IC來(lái)組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過(guò)流、過(guò)熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來(lái)可靠、方便，而且價(jià)格便宜。一般三端集成穩(wěn)壓電路的最小輸入／輸出電壓差約為2 V，否則不能輸出穩(wěn)定的電壓。一般應(yīng)使電壓差保持在4～5 V，即經(jīng)變壓器變壓，晶閘管整流，電容器濾波后的電壓應(yīng)比穩(wěn)壓值高一些。因電路需要的電壓為8 V，而經(jīng)變壓器及整流裝置輸出的電壓為12 V左右，故該設(shè)計(jì)選用IC7808型三端穩(wěn)壓管，輸出8 V的穩(wěn)定電壓。

具體的電源模塊及三端穩(wěn)壓管連接圖如圖2所示。



2.2 氣敏傳感器的選擇

隨著微電腦和微電子技術(shù)的日益普及和應(yīng)用，對(duì)傳感器的性能、數(shù)量及用途提出了新的需求，這就使人們更加重視對(duì)新型傳感器的開(kāi)發(fā)。

傳感器電路設(shè)計(jì)的基本思想：電路通過(guò)三端穩(wěn)壓管IC7808輸出8 V的恒定電壓，供給傳感器的加熱電路和檢測(cè)電路。加熱電路需要5 V的電壓才能正常工作，所以在傳感器的加熱電路上串聯(lián)一個(gè)電阻使加熱電路能夠得到5 V的正常工作電壓。檢測(cè)電路由氣敏傳感器TGS813，R1和滑動(dòng)變阻器RL組成，輸出電壓進(jìn)入電壓比較器的同相輸入端，它是R1和RL電阻兩端的壓降輸出?？扇夹詺怏w與傳感器相接觸并且濃度超標(biāo)時(shí)，檢測(cè)電路的輸出電壓將會(huì)超過(guò)設(shè)定的基準(zhǔn)電壓，這時(shí)比較器同相端輸出高電平，使后面的三極管起到作用，從而驅(qū)動(dòng)喇叭和繼電器線圈進(jìn)行工作。

氣敏傳感器種類(lèi)繁多。這里的通風(fēng)裝置所用的氣敏傳感器TGS813屬N型半導(dǎo)體類(lèi)氣體傳感器，其主要成分是二氧化錫燒結(jié)體。當(dāng)吸附還原性氣體(例如液化氣、天然氣、氫氣、一氧化碳、有機(jī)溶劑蒸氣等)時(shí)，電導(dǎo)率上升。當(dāng)恢復(fù)到清潔空氣中時(shí)，電導(dǎo)率恢復(fù)。TGS傳感器就是將這種電導(dǎo)率變化，以輸出電壓的方式取出，從而檢測(cè)出氣體的濃度。

TGS傳感器最大優(yōu)點(diǎn)是壽命長(zhǎng)，TGS傳感器的靈敏度特性只隨四季的溫濕度變化而呈周期性變化，并沒(méi)有單調(diào)變化的趨勢(shì)，說(shuō)明SnO2半導(dǎo)體氣體傳感器有極長(zhǎng)的壽命。因設(shè)計(jì)是針對(duì)家用可燃性氣體的，故選擇針對(duì)天然氣、液化氣的TGS813型氣敏傳感器對(duì)氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)。TGS813氣敏傳感器的主要參數(shù)：加熱電壓為DC／AC(5 V±0.2 V)，著火溫度537℃，爆炸極限為5％～15％，溫度為200℃T≤300℃_。傳感器設(shè)定的警告報(bào)警濃度應(yīng)該為L(zhǎng)EL(爆炸下限)的10％，危險(xiǎn)報(bào)警濃度應(yīng)該為L(zhǎng)EL(爆炸下限)的20％，而TGS813型氣敏傳感器的爆炸極限是5％(空氣中的百分比)，也就是50 000 ppm，故報(bào)警濃度應(yīng)為5 000～10 000 ppm。

為了補(bǔ)償溫度和濕度對(duì)傳感器特性的影響，同時(shí)為了獲得更高的精度，故使用熱敏電阻或濕敏傳感器對(duì)電路進(jìn)行補(bǔ)償。該設(shè)計(jì)的傳感器電路及溫度補(bǔ)償電路如圖3所示。



2.3 信號(hào)比較放大回路的設(shè)計(jì)

信號(hào)比較放大電路的作用：當(dāng)氣體濃度超標(biāo)時(shí)，傳感器將輸出比設(shè)定電壓更大的電壓信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過(guò)電壓比較器后正向輸出，然后在經(jīng)過(guò)放大三極管進(jìn)行放大，從而有足夠的電流去驅(qū)動(dòng)繼電器線圈和音響報(bào)警裝置。信號(hào)比較放大的基本電路圖如圖4所示。


2.4報(bào)警通風(fēng)裝置電路的設(shè)計(jì)

報(bào)警電路是系統(tǒng)的重要組成部分之一。要求設(shè)計(jì)的報(bào)警裝置能夠連續(xù)報(bào)警，故不能夠直接在電路中接蜂鳴器和喇叭裝置，必須在電路中接有能夠連續(xù)產(chǎn)生脈沖信號(hào)的裝置。多諧振蕩器是一種自激振蕩器，在接通電源以后，不需要外加觸發(fā)信號(hào)，便能自動(dòng)地產(chǎn)生矩形脈沖，由于矩形波中含有豐富的高次諧波分量，所以習(xí)慣上又把矩形波振蕩器叫作多諧振蕩器。

555定時(shí)器是一種多用途的數(shù)／?；旌霞呻娐?，利用它能極方便地構(gòu)成多諧振蕩器、施密特觸發(fā)器等裝置。它使用靈活、方便，所以555定時(shí)器在波形的產(chǎn)生與變換、測(cè)量與控制等很多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。故該設(shè)計(jì)選擇NE555構(gòu)成的多諧振蕩器作為脈沖信號(hào)源。在NE555多諧振蕩器的輸出引腳接一個(gè)起放大作用的三極管，從而保證電路有足夠大的電流去驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。風(fēng)扇控制電路也是系統(tǒng)的組成部分之一。該設(shè)計(jì)的風(fēng)扇控制采用了繼電器控制的方式。繼電器是一種根據(jù)外界輸入的一定信號(hào)(電的或非電的)來(lái)