气体多参数检测系统的设计

SHANDONG 毕业论文 气体多参数检测系统的设计学 院： 电气与电子工程学院 专 业： 自动化 学生姓名： 王杨 学 号： 0812104128 指导教师： 解红军 2012 年 6 月、摘要摘要在现代工业生产的过程中，人们已越来越重视安全生产的问题。井下作业的环境中氧气、一氧化碳、甲烷的浓度高低，将直接影响到矿工的生命安全和煤矿的安全生产。同时，随着各种资源包括天然气、煤制气、液化气的开发和使用，多种可燃性气体散发在人们生活和工作场所中，所以，能够连续直接地检测工作环境和生活环境中可燃性有毒气体有着极其重要的意义。当前，气体检测普遍采用单气体检测方法，每一种测量仪表只能检测一种气体。研制能用一种仪表同时检测多种不同的气体是当前气体检测仪的发展趋势，即进行多气体检测，多参数检测，实现对多种气体种类的分辨和浓度的判断，从而更细致地反映环境中不同气体的特性。所以，气体多参数检测系统将会有越来越广泛的前景。文中介绍了多参数气体检测仪的设计原理和设计要求：完成了气体检测仪的硬件系统设计，主要包括甲烷、氧气、一氧化碳三种气体及温度的检测电路和信号处理电路、触摸键盘电路、嵌入式微处理器系统、液晶显示电路、声光报警电路及电源和保护电路等。完成了气体检测仪的软件设计，对三种气体参数在洁净空气中通过软件进行了零点和灵敏度的矫正，修改了各参数的非线性输出特性，自动补偿了因温度变化引起的各检测参数的零点和灵敏度漂移。关键词：多气体检测，自动调零校准- 42 - 、AbstractAbstractIn the industrial production process, production safety has drawn increasing attention. Such as oxygen, carbon dioxide, carbon monoxide, methane concentration level in the underground working environment, directly affect the safety of coal mine production safety and the lives of miners. Meanwhile, with the development and use of a variety of natural gas, coal gas, liquefied petroleum gas, a variety of flammable gas circulated in the workplace and peoples lives, working environment and living environment of continuous, direct detection of toxic gases, flammable gases has a great significance. At present, gas detection are mostly single-gas detector, that is, each measuring a gas will need to bring a measuring instrument. Developed can be an instrument to simultaneously detect a variety of different gases is the development trend of the gas detector, the multi-parameter detection, multi gas detector, the judgment of the identification of the type and concentration of multiple gases, so as to more fully reflect the measured gas characteristics displayed in a specific environment. Therefore, the combustible gas alarm will have increasing application prospects.The paper describes the design requirements and design principles of intelligent multi-parameter gas detector; completed the gas detector hardware system design based on design requirements and design principles, including methane, oxygen, carbon monoxide, oxygen four gases and temperature, pressuredetection circuit and signal processing circuit, the touch keyboard circuit, embedded microprocessor systems, LCD circuits, audible and visual alarm circuit, the data store query circuit and power supply and protection circuitry. Completed the gas detector software design, software, four gas parameters in the clean air in the 0:00 and sensitivity correction, correction of the nonlinear output characteristics of each parameter, automatic compensation due to temperature changes caused by testing parameters zero and sensitivity drift.Key words: Multi-gas detection, auto-zero calibration 第二章 气体多参数系统的方案设计目录摘要IABSTRACTII目录III 第一章 绪论11.1论文研究的背景11.2论文研究的目的及意义11.3气体多参数检测系统的国内外研究现状11.4本文的主要任务3第二章 气体多参数检测系统的方案设计32.1气体多参数检测系统的总体方案设计32.1.1气体多参数检测系统的系统框图32.1.2气体多参数检测系统的规格及技术指标42.2通信协议的选择42.2.1 Modbus通信协议简介42.2.2 Modbus查询-回应周期52.2.3 modbus协议的传输方式52.3通信总线选择7第三章 气体多参数检测系统的硬件设计83.1微控制器MSP43083.1.1 MSP430的特点简单介绍93.1.2MSP430单片机的CPU具有的功能93.1.3 MSP430CPU主要特征 93.1.4MSP430的结构地址和空间93.2声光报警电路设计103.3 RS485通信电路设计113.4参数存储电路133.4.1FM24CL64概述133.4.2FM24CL64特性143.5显示电路设计153.6数据采集电路163.6.1甲烷数据采集电路设计163.6.2氧气数据采集电路设计173.6.3 CO数据采集电路设计183.6.4温度数据采集电路设计193.6.5MSP430模数转换模块203.6.6电源电路21第四章 气体多参数检测系统的软件设计234.1主程序设计及流程图234.2自动调零子程序254.3数字滤波子程序264.4Modbus通信程序264.5其他程序简介28第五章 总结30参考文献31致谢32附录33 第二章 气体多参数检测系统系统的方案设计第一章 绪论1.1论文研究的背景随着经济社会的发展，人们的生活水品不断提高，生活火灾也越来越引起人们的注意，而引发火灾的主要原因是因为日常生活中的可燃气体泄露造成的。随着住宅和小区的集中化和天然气的使用，人们在日常生活中越来越离不开可燃气体了。但是，由于在家庭燃气的使用中，气体不太容易控制且泄漏时不容易被发觉，虽然用起来非常方便，可一旦泄露，造成的损失是巨大的。所以，开发一种气体多参数检测系统能够紧跟社会发展的潮流，且市场经济也非常广阔。1.2论文研究的目的及意义工业生产中，对工业领域中某一特定区域的可燃性气体进行检测时，气体多参数检测系统具有非常重要的应用价值。然而，当前普遍使用的多气体参数检测系统大都是将传感器得到的气体浓度数据转换成标准模拟信号进行传输。标准模拟信号为4至20mA电流，但其只能传输一个信号，即测量数据和是控制数据不能同时传输。而且这个信号还有许多现象无法体现，比若说，是否因断路而表现为最大值或因短路而表现为最小值，或者信号在传输过程中产生了偏差。数字化的传输方式则克服了以上缺点，不但可以传输多类型的信号，而且可以通过施加有效的校验手段来避免传输的数据发生传输错误的现象，以增加抗干扰性。1.3气体多参数检测系统的国内外研究现状在国外，自上个世纪30年代起，气体多参数检测系统的研制和探索就有了非常快的进展。经过长期的发展，现在的气体多参数检测系统在很多方面性能都有明显的提高，其中包括气体的种类、精度、稳定性、测量范围和寿命。特别是在精度、寿命和稳定性上有了相当巨大的提高。而可燃性气体探测器能够更加可靠花，智能化和多功能化，得益于计算机技术和电子信息的快速发展以及多气体参数检测系统性能的提高。在我国，传感器的研发也有相当的历史,特别是温湿度和红外传感器取得了很大的成就,相对于近十年来气体传感器和可燃性气体报警器的研发来说，气体多参数检测系统具有更大的发展前途，以下几点可以充分体现：一：近年来，随着不断发展不断成熟的单片机技术，其性价比已大大提高。可燃性气体检测器的使用也越来越多。单片机的推出，不但可以实现测量气体浓度值、开机指示、设置报警点、声光报警等基本的功能，还能实现进一步的发展。二：当今仪器仪表的发展方向越来越趋向于智能化，可燃性气报警器在智能化也有了很大的发展，一下几方面可充分体现：(1)采用高性能微处理器，运算和逻辑功能来确定微处理器的功能，根据给定的算法，以消除漂移和增益变化所造成的错误和干扰因素，提高了仪器的测量准确度。(2)提高仪器的自动化测量水平，实现自动调零，自动校准，自动增益调整，自动诊断等功能。(3)气体自动识别功能。在E2PROM中写入气体敏感器件的相关信息，包括气体的种类、特性、测量范围、编号等等，与敏感元件合成一体作为探头，将其插入仪表后，由仪表根据储存的信息自动判别气体的种类。便于生产厂家批量化生产，根据不用用户的需求来确定是哪种可燃性气体的报警器。(4)背景气体干扰的抑制。在实践中，将无法避免某些背景气体，现在仪表中已实现了通过程序的控制，利用研究敏感元件的特征和开发相应的软件来抑制背景气体干扰。比如说MX21仪器，已经实现了多种有害气体中抑制有害气体之间的交叉干扰。1.4本文的主要任务该多参数的研制目标是在电池供电的条件下，能够连续不断地对周围环境中的甲烷、氧气、一氧化碳和温度进行准确、灵敏、可靠地监测，而且还要具备能够将测量到的数据进行实时显示、本地存储、超限声光报警等功能。为了保证多参数气体检测仪研制成功，应从以下几个方面进行研究和设计： (1)整个系统性能的好坏与各个敏感元件和关键部件的选择设计非常重要； (2)对各敏感元件的参数进行研究，包括温漂、零点漂移、非线性的补偿等等； 对以上几点进行认真设计，能够使得仪器性能更加稳定，质量可靠，达到多参数、多功能、小型化、智能化的要求。 第二章 气体多参数检测系统的方案设计21气体多参数检测系统的总体方案设计2.1.1气体多参数检测系统的系统框图该多参数气体检测系统研制目标是实现在电池供电的条件下，能够连续不 断地对周围环境中的甲烷、氧气、一氧化碳和温度进行准确、灵敏、可靠的监测，而且还要具备能够将测量到的数据实时地通过无线传输网络传送到监控中心、超限声光报警、实时测量数据本地显示、测量参数可软件自行设定、实时测量数据本地存储、存储数据本地查询等功能。 整机电路由电源及保护电路，甲烷、氧气、一氧化碳三种气体及温度的检测电路及信号处理电路、键盘电路、嵌入式微处理器电路、液晶显示电路、声光报警电路、数据存储查询电路、无线数据传输接口电路等部分组成。整机电路框图MSP430单片机参数存储CH4检测及信号处理氧气检测及信号处理CO检测及信号处理声光报警电路键盘电路LCD显示电路RS485数据通信温度检测及信号处理图2-1气体多参数检测系统的系统框图 2.1.2气体多参数检测系统的规格及技术指标(1)工作电压：DC24V10%，消耗功率：5W(2)检验气体：煤气，天然气，氢气及有机液体蒸汽等可燃性气体(3)检验范围：0100%LEL(4)响应时间：T90一阶30S，T90二阶30S(注)(5)显示方式：ECR12864SS-3液晶显示(6)报警动作值误差：3%LEL(7)全量程指示偏差：5%LEL(8)输出信号：RS485串口2.2通信协议的选择RS485有自己的规格，只规定了接口的电气特性，而与连接器、协议和电缆不相关，能够在此基础上建立自己的高层协议。Modbus协议是应用于电子控制器上的一种共同语言。因为 Modbus协议其有公开性、透明度、易于开发、低成本，已经成为当今工业领域通信协议的首要选择。此外，该协议有大量的数据传输、调试能力强、实时性好等特点，所以这里将采用Modbus协议作为通信协议。2.2.1 Modbus通信协议简介Modbus协议的运作模式是主机主动查询，从机回应消息，其示意图如图2-2所示。查询-回应周期表控制器通信使用主-从技术，即只有主设备能够对数据进行传输查询，而从机进行初始化，从设备根据主设备查询数据作出相应的反应。主设备不但可以单独与从设备通信，而且也能以广播方式和所有从设备通信。如果从设备回应返回到的信息，则为单独传播，如果是以广播的方式查询的，则是因为不作任何反应的结果。Modbus协议有特定的格式，即主设备查询：查询广播或者设备的地址、查询特定功能的代码、查询数据的域、查询错误信息的校验域。并且从设备的回应消息也有特定的协议规定，即Modbus协议，其中有确定要行动的地址范围、要返还的任何数据的信息和错误检测域代码。如果从设备不执行其收到的命令，则是因为错误发生在消息接收的过程之中，从设备则将错误消息发送回会。设备地址数据段功能代码数据段错误校验错误校验从设备回应消息设备地址功能代码主设备的查询消息帧图2-2查询-回应周期表2.2.2 Modbus查询-回应周期(1)查询Modbus协议从机器不主动发送消息，只有主控制器发送消息，并向各从机发送查询信息，根据信息帧中的地址选定相应的从机以执行相应的功能。如果是广播地址信息则选定通信总线上的所有从机执行功能代码所代表的功能。数据段包括了从机执行功能代码所具有的额外信息，从设备验证接收到的消息的正确与否则是通过错误校验段来实现的。(2)回应从机完成对查询帧的接收后，进行地址判断和错误校验域的校验，延时一段时间后向主机回应消息。如果产生了的回应代表操作正常，则作为查询消息中的功能码的回应就是回应消息里面的功能码。如果传输有错误发生，从设备产生异议回应，从机将修改回应帧的功能代码，该功能码指明错误类型，要求主机重发消息或其他操作。广播查询信息则不再需要从机的回应。2.2.3 Modbus协议的传输方式Modbus协议能设置为两种传输的方式，分别为远程终端单元方式和美国标准信息交换代码的方式。当用户选用了一种比较理想的通信方式以后，在一个Modbus网络上所有的设备在配置控制器的时候都要采用相同的串口参数和传输模式。在两种传输模式中，信息是以有起点和终点的数据帧的方式传输，则接收端就能够在消息刚开始传播的地方开始工作，读取地址信息，判断选中的从设备是哪一个，判断是否已接收完成消息帧并检测传输的过程中是否有数据的错误发生。Modbus协议ASCII方式的主要优势是发送字符的时间非常短，短至1秒，但是不会发生错误。RTU的优点是在波特率相同的情况下，能够比ASCII方式传输更多的信息，本文采用RTU的Modbus协议方式RTU的数据帧的结构如表2-1所示。表2-1 RTU的数据帧格式地址功能代码数据数量数据1.数据nCRC高位CRC地位当工作模式为RTU模式时，则至少要等待3.5个字符时间的停顿以后再发送消息，请参考表2-2中所示信息。在网络波特率下最容易实现多样的字符时间。网络设备一直在工作，不断地侦测网络总线的情况，并且不断检测数据之间的时间间隔。设备地址是传输的第一个数据域。而且使用的传输字符是十六进制。在最后一个传输字符之后，消息结束的标志是一个至少3.5个字符时间（T1-T2-T3-T4）的停顿。一个新的消息可在此停顿后开始。RTU方式的整个消息帧的传送必须是作为一个连续的数据流。连续的数据流要求接收的两个字符间的时间间隔小于1.5T(T为发送一个字符的时间)，若接收两个字节间的时间间隔在1.5T和3.5T之间，则要刷新以前接收到的数据，将后一个字节作为新的一帧数据的起始。如果字符间隔大于3.5T，则认为是一帧数据发送结束。因此如果字符间的有大于1.5T的时间间隔这就意味着一个传输错误的发生，这样可以有效的纠正传输中干扰的影响。表2-2 RTU方式的消息帧格式起始位设备地址功能代码数据CRC校验结束位TI-T2-T3-T48bit8bitN个8bit16bitT1-T2-T3-T42.3通信总线选择工业应用中，串行通信是一种使用非常广泛的通信手段，它的速度虽不如并行通信快，但却是现场总线通信中经常使用的实现方式。这是因为串行通信配线数少，实现容易，传输距离远。RS232、RS422、RS485都是串行数据接口标准，最初都是由电子工业协会(EIA)制定并发布的，并由RS232逐步向后发展，慢慢发展到RS422和RS485。RS485总线的结构特点：(1)采用差动式(Differential)传输，即采用平衡驱动器和差分接收器的组合，因此具有更高的共模干扰抑制能力。(2)发送驱动器的逻辑“1”状态为正2至正6伏电平，逻辑“0”状态为负2至负6伏。(3)接收端与发送端通过平衡双绞线相连，接收端有大于正200mV的电平时，输出的逻辑电平为“1”，小于负200mV时，输出的逻辑电平为“0”。(4)发送器与接收器端都有一个“使能”端，用来控制切断与链接发送器或接收器与传输线。当发送器“使能端”一端起作用时，发送驱动器处于高阻状态时，则不发送任何数据；当不接收总线上的数据时，则是接收器“使能端”的一端起作用。(5)能够传输很远的距离，约为1219米，最大传输速率非常快，为10Mb/s。(6)接收器采用高输入阻抗，发送器具有更高的驱动能力，传输线上可以有多个接收点，可以实现数字寻址各个接收点。RS232是一种单机发送、单机接收的串行通信规范，RS422是一种单机发送，多机接收的单向、平衡传输规范，RS485是RS422基础上的发展，同时增加了多项功能，包括双向通信、多点等等，并且允许一条总线上同时链接多个发送器。另外，RS485增加的功能还包括发送器的驱动能力和冲突保护特性的提升，扩展了总线共模范围。可燃气体报警系统中，集中控制装置和各点探测报警装置的距离一般是比较远的，实现实时监控和可燃气体浓度检测，通信的波特率要求比较高，所以次处选择RS485接口，通信接口标准不但能够满足系统通信距离及实时性要求，并且能够应对外界共模干扰。第三章 气体多参数检测系统的硬件设计第三章 气体多参数检测系统的硬件设计根据上一章节中介绍的气体多参数检测系统的总体方案，硬件电路部分主要包括控制器MSP430、测量放大电路 、信息存储电路、声光报警路、RS485通信电路、LCD显示电路等。本章中将分别介各部分的组成及工作原理。3.1微控制器MSP4303.1.1 MSP430的特点简单介绍 1. 指令结构简单，为16位精简模式 2. 开发简单，仿真器的价格不高，编程器不需要多昂贵 3. 内部含有10/12/14位快速ADC/SLOP ADC 4. 快速启动的时间达到六微秒，能够延长待机时间，并且能够达到快速启动的效果，电池的功耗大大减少5. 内部含有FLASH、ROM多致60K字节,RAM多至2K字节 6. MSP430产品系列能够提供各种各样的存储器选择，从14位ADCs到LCD驱动电路的混合信号外设，使各类应用中 MSP430的设计大大简化 7. 片内具有丰富的资源,有远线物理输出,脉冲宽度调制,若干TIME,串行口，看门狗,比较器,模拟信号 8.具有ESD保护，特别强的抗干扰能力 9. 省电模式有多种模式，功耗特别省，一颗电池的工作时间特别长，可达十年之久,即使在液晶显示的时候也能达到低电源消耗 10.在其它微控制器相比之下，带Flash的微控制器能够将功耗降至很低，低至5倍，不仅缩小了线路板的空间，而且还使系统的成本大大降低11.电压供电为1.8V至3.6V的低电压12. 高效16位RISCCPU能够快速地完成特定任务，使工作时间大大减小。在一个时钟周期里就能完成大多数的指令 3.1.2MSP430单片机的CPU具有的功能：1. 能够保存一定量的数据2. 支持逻辑运算和算术运算3. 可以运行相应的指令，也能够完成与之相应的动作4. 可以交换数据，包括存储器等设备5. 提供整个系统所需要的定时和控制6.能够响应中断请求，包括其他部件3.1.3 MSP430CPU主要特征：1. 精简指令集高度正交化2丰富资源的寄存器3. 寄存器操作为单周期4. 地址总线为6位5. 常数发生器6. 存储器到存储器直接访问7. 操作方式为位、子、字节3.1.4 MSP430的结构和地址空间MSP430微控制器的存储器使用的是一个统一的结构，ROM、RAM、特殊功能寄存器和外围模块等等，都被安排在同一地址空间上，这样能够使用一组地址、数据总线、相同的指令进行访问。不同系列的器件的存储空间分布有很多相同之处： 1. 中断向量的地址分布在相同的空间：0FFE0H0FFFFH2. 8位、16位外围模块占用相同范围的存储器地址3. 数据存储器开始的地址相同，都是0200H4. 程序存储器的最高地址都是0FFFFH 图3.1 MSP430F15X/F16(1)X 系列引脚3.2声光报警电路设计某种气体参数超过报警点时能发出报警信号。在本文中，提供报警信号和报警声音的方法是通过外接声光报警器。具体电路图如图3-2所示。当气体参数达到报警点时，单片机控制P1.3口低电平，发光二极管变亮，P5.4口高电平，蜂鸣器发出声音警报。 图3-2 声光报警电路3.3 RS485通信电路设计根据本文第二章中关于通信方式选择的描述，通信电路采用RS485的总线方式。本设计选择的RS485收发器有是SP3485。其管脚图如下， 图3-3 SP3485管脚图功能分析SP3485是正3.3伏的低功耗半双工收发器的家族成员，它完全符合 RS-485和RS-422串行协议的要求。这个器件兼容多种器件的管脚，其中包括 Sipex 的 SP481、SP483 和 SP485一类等等， 同时也符合工业标准的要求。虽然SP3485的制造工艺为 BiCMOS，但是对其性能没有半点影响。 SP3485发射器为了满足RS-485的标准而选择的输出方式是差分输出。空载输出电压为 0伏至正3.3伏。即使在差分输出连接了 54负载的条件下，仍然能够保证发射机大于1.5伏的输出电压。 SP3485有一根使能控制线，当为高电平时控制线为有效电平。DE上的逻辑电平为高电平时，使能发送器将输出差分输出。如果发送器输出状态呈现为三态，则DE的输入为低电平。 SP3485收发器能够传输数据的速率非常快，能够达到10Mbps的速率。发送器输出最大电流为250毫安,SP3485能够承受负7.0伏至正12.0伏共模范围内的任何短路情形，其原因是受到isc的限制作用，从而IC受到保护。SP3485接收器以差分输入的方式输入，其灵敏度能够降低到负200mV至正200mV范围之间。接收器通常以15 k作为其输入电阻，最小情况下为 12k。允许系统之间存在比较大的零电位偏差的前提是宽共模方式的范围为7伏至正12伏。SP3481和SP3485的接收器都有一个相同的控制引脚，其引脚的名称为三态使能控制脚。如果 RE为低电平，接收器使能，如果RE变成了高电平，则接收器的状体为禁止状态。 SP3485接收器数据传输也非常快，可达到10Mbps的速率，且具有自动保护的特性，这种特点能够使其在悬空状态输入时，输出状态的电平为高电平。其电路图如下 图3-4 RS485通信电路图 第四章气体多参数系统的软件设计3.4参数存储电路 3.4.1FM24CL64概述 FM24CL64是64K位非易失性存储器，其制造工艺为铁电工艺。铁电随机存储器（FRAM）不易丢失信息，非常安全可靠，并且可以象RAM一样具有非常快的读写速度。其中的数据能够在掉电后，还可以存放四十五年不丢失。相对于其他非易失性存储器，此存储器的结构更加简化，系统具有更高的可靠性等许多特点。与EEPROM等器件特征不同点在于，FM24CL64存储器没有延时，而是以总线速度进行写操作。FM24CL64接收到数据后，将直接写到与其相应的单元地址，并且能够立即开始下一个总线操作，不需要再进行数据查询。另外一点，改存储器件的可读写速度要比EEPROM高几个数量级。而且，因为其不需要内部升压电路，所以它具有功耗非常低的写操作。 FM24CL64基本参数 ：容量为64Kb，最大工作电流400uA，最大读写频率 1MHz，电压2.7-3.6V。 FM24CL64封装与引脚是SOIC 、8PIN、DFN 、8PIN。 FM24CL64接口类型为I2C。 图3-5FM24CL64管脚图 3.4.2 FM24CL64特性64Kbit非易失性铁电存储器 结构容量为8,192 x 8位无限制次数的读写操作掉电后数据能够保存四十五年不丢失写入操作不出现延时采用先进的高可靠性铁电制造工艺快速两线串行接口 总线频率非常高，能够达到1MHZ硬件上可直接替换EEPROM支持以前的100kHz & 400kHz时钟频率低功耗操作 工作电压：2.7V3.6V 工作电流（100kHz）：75uA待机电流：1uA工业标准 工业温度：-40 +85 图3-5FM24CL64电路图3.5显示电路设计 系统的显示电路采用128x64点阵串行液晶显示。因为要同时测量多个参数，并且要将各参数非常清晰地显示出来，所以采用液晶显示，从而达到理想的显示效果。又因为要定期地对参数进行标定，所以其菜单最好是中文，这样调试起来就变得非常简便明了。而且采用液晶显示屏对于时间的调校、存储数据的本地查询带来了方便。该系统选用的液晶型号为ECR12864SS-3。该液晶显示屏厚度小、显示清晰、性能稳定、价格适中并有配套背光板，很适 合便携式仪表的使用。其具体的显示电路如下图示：图3-6液晶显示电路图3.6数据采集电路3.6.1甲烷数据采集电路设计在测量电路中，前置放大电路起到非常重要的作用，这是因为其相应原件的敏感度不是很高，一般范围在20mg/1%CH4左右。但是集成运放具有很高的共模电压，能够达到几伏。所以要提高输出的准确度，则要求放大器应该具备以下特性：增益高、输入电阻高、共模抑制比高等。所以我们采用的放大器为LM324，其为两片四通用。如图3-7所示的数据放大电路即能满足这一要求。该数据放大器实际包含两部分，前一个放大器和三极管组成电源控制电路，后一个放大器对传感器信号进行放大便于检测分析。 因为LM324是带有差动输入的运放，它们能够抵消因为漂移和失调引起的误差，所以漂移比较小、稳定性较好。 图3-7 甲烷浓度采集电路3.6.2氧气数据采集电路设计测量氧气浓度时采用的传感器原理为电化学测量原理，采用英国city公司出品的40x系列作为敏感元件。它具有0至25的测量范围，过载的最大范围达到30，使用寿命非常长，能够达到两年之久，输出信号的响应时间非常短，能够小于15s。 因为测量氧气浓度的传感器的输出信号为电流信号，因此应该将电流信号转化为电压信号再送入运放中。通过对敏感元件的参数进行计算以及相关参考，得出要获得输出最佳的电压值，敏感元件的电极之间应并连一个100欧的电阻。具体测量电路图如下图所示： 图3-8氧气浓度数据采集电路3.6.3 CO数据采集电路设计 测量一氧化碳浓度时，采用的传感器原理为电化学原理，采用英国4cf系列作为敏感元件。因为它具有一个信号输出电极和两个控制电极，所以该敏感元件为三电极敏感元件。它具有0至1000ppm的测量范围，使用寿命很长，能够达到两年之久。响应时间也非常短，能够小于30s，但是他的唯一缺点就是只有0.07u/ppm的输出信号。因为它的输出信号非常弱，所以说很容易受到外界信号的干扰。因此，它的前置放大电路要克服以上缺点，具有放大信号不失真、较好的抗干扰性等特点。在仪器断电时，将敏感元件的S、R极短接，其目的是为了使敏感元件在通电后能够以最快的速度归零其零点。所以为实现这一功能，本文设计中采用的继电器为常闭光耦继电器。在放大电路中将原始信号电压值抬高，其目的是为了提高电路的抗干扰能力，本文电路中抬高电压为2至3V。在放大电路的设计中，在本电路中，采用放大电路为两级方式，一级是普通放大电路，一级是差分放大电路。其具体的测量电路图如下图所示：图3-9 CO数据测量电路3.6.4温度数据采集电路设计温度的测量采用瑞士Sensirion公司SHT10温度传感器单芯片SHT10传感器是一个复合传感器，它包括一个温度和湿度的校准数字信号输出。为了保证产品具有极高的可靠性和长期的稳定新，它采用专利的cmos过程微加工技术。其测温元件为能隙式，测湿元件为电容式聚合体，并且在同一芯片上与一个十四位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝的连接方式。所以，该产品具有卓越的各种优点：性价比高，较强的抗干扰能力，响应快等等。每一个SHT10传感器在使用之前都在极为精确的温度校验室中进行准确的校验。OTP内存中存储了相关的程序，这些程序即为校准系数的相关信息，传感器内部则需要调用这些程序来检测信号的处理过程。因为其为内部基准电压和串行接口是两线制的，所以系统的集成性变得更加简易。低的耗、体积小，使其在激烈的电子竞争中处于不败之地。图3-10SHT10 应用电路 3.6.5MSP430模数转换模块MSP430系列单片机大多数都有自己的模数转换模块，而且它们的转换精度分为3种，有十位、十二位、十四位。有的型号没有数模转换模块，它们也可以利用内部内嵌的模拟比较器通过软件编程的方法来完成数模转换的任务。因此，MSP430系列的单片机在数据采集等需求的许多应用中使用非常普遍。MSP430的模拟通道有十二个，ADCl2的工作方式可以通过设置相对应的寄存器来选择。因为在本文中，设计了比较多的输入模拟通道，所以对输入的模拟信号进行采样的方法是通过序列通道进行多次采样，并且输入通道的数量也可以通过软件编程的方法配置，以便适应不同用户，不同外界情况的要求。最后把得到的模拟信息转换成相应的数字信息。以下来介绍MSP430的ADCl2精度模数转换器硬件模块 。ADCl2结构特点： 1、内部具有参考电压发生器，同时可供选择的参考电压有两种； 2、采样速度非常快，最高能够达到200ksps的速度；3、转换器是12位的，并且是单调无码；4、外部输入通道配置为8路独立的，内部通道配置为4路；5、其采样周期可以自由改写，由软件和定时器来编程；6、有专门的桶形缓存用来存放转换结果；7、采样与转换的过程中时钟的信号源是可以选择的； 8、内置温度传感器；9、采样及转换所需的时序控制电路； 10、采样与保持电路； 11、ADCl2模块可以利用多种时钟源，而且模块本身内置时钟发生器； 12、ADCl2的内核是12位转换器，具有采样与保持功能的；13、用软件来设置转换初始化，包括定时器1与定时器2； 14、内部有参考电源，而且有六种可编程的组合来设置参考电压； 15、有四种模数转换模式，能够灵活方便地运用来节省软件数量和计算时；16、ADCl2为节省系统的耗能可以将内核关断； 3.6.6电源电路为满足轻巧、便携的要求，本设计系统采用电池供电。同时为了得到稳定的电压以及不同电压源的需要，设计了此供电模块。一节9V碱性电池通过由芯 片CS51412等搭建的电路得到+5V、3V、+3.3V的稳定电源电压。图3-11电源电路第四章 气体多参数检测系统的软件设计本论文中，软件解决的主要问题是检测气体传感器的气体参数信号，然后对信号进行放大，A/D转换，数字滤波，线性化处理，调零校准设置，LCD显示，按键功能设置，声光报警等。4.1主程序设计及流程图主程序流程图如图4-1所示。气体多参数检测系统上电后，等待一段时间让传感器稳定，然后进行系统初始化。初始化结束后，系统自检，检测传感器是否出现短路或断路故障，并检测存储器FM24CL64是否能够正常工作。读取FM24CL64中传感器的相关信息，包括零点和线性度信息，根据零点值和线性度值控制AD 实现自动调零和自动校准。然后使能AD转换，并在AD转换结束中断中进行数字滤波和线性化处理。并在主函数中检测总线上是否有一帧新的数据接收，有新数据时执行相应的函数功能。 续图：LED是否亮按键响应是否超时是否报警浓度是否大于报警点串行口接收数据是否完成清键值信息AD转换开始是获取当前探测值显示浓度标志位置1报警子程序获取按键值执行动作接受数据处理子程序短路故障关LM2575显示故障类型故障灯亮声音报警等待处理是否（断路）否否是否否是图4-1主程序流程图4.2自动调零子程序在本文设计的气体多参数检测系统的一个重要特点就是其自动调零功能。在报警器上电复位以及有按键命令要求调节零点时，调用该程序。执行该程序需要在知道新的零点的情况下进行。其流程图如图4-2所示。将新零点值赋予旧零点 读取新的零点值新零点和初始零点相等吗新零点大于初始零点相等吗减小ADC12通道的值减小Vw增大ADC12通道的值增大 Vw结束是否否是图4-2自动调零子程序4.3数字滤波子程序可燃气体传感器测量气体浓度时，由于干扰信号的存在，使部分测量点的浓度值不准确，为减小干扰信号影响，常常采用数字滤波的方法。对测量值进行数字求平均值是一种比较常用的方法。由于可燃气体浓度值一般变化较慢，因此可以选择比较多的测量点然后求平均，本文选用了1024点。数字滤波子程序的流程图如图4-4所示。进入AD中断获取AD的值对AD值进行累加累加次数加1累加次数清零值1有新数据标志结束累加值除以1024累加次数为1024吗否是图4-3数字滤波程序4.4 Modbus通信程序根据第二章的介绍，本文采用modbus协议的RTU通信方式。RTU方式的整个消息帧传输时必须作为一个连续的数据流。连续的数据流要求接收的两个字符间的时间间隔小于1.5T(T为发送一个字符的时间)，若接收两个字节间的时间间隔大于1.5T小于3.5T则刷新之前接收的数据，将后一个字节作为新的一帧数据的起始。如果字符间隔大于3.5T，则认为是一帧数据发送结束，将接收的该字节抛弃，延时一段时间后，被选择的从机向主机回送消息。RTU方式中规定的相邻两个字节之间的时间间隔指的是上一个字节的停止位和下一个字节的起始位之间的时间间隔，而ATmega8只能检测字符的结束位。因此，只能检测两个字节结束位之间的间隔，即两个字符的时间间隔和发送一个字节的时间之和。因此，在实际的应用当中，如果接收的两个字节之间经过检测得到的时间间隔在2.5个周期之内，则认为传输的数据帧是不间断的、连续的；如果检测到相邻的两个字节之间的时间间隔大于4.5T，则认为一帧的开始或结束。一帧数据接收完毕后，需要对该帧数据进行地址和CRC校验以及功能码判别。延时至少4.5T后，向主机回送消息。本文利用定时器1作为时间间隔查询工具。若一帧数据未接受完毕，作为字符间间隔查询，若一帧数据接收完成则作为回送延时查询。定时器1的流程图如图4-4所示。在串口中断程序中，将接收的数据放入缓存并判断接收的字符和上一个字符的时间间隔，并执行相应的操作。其流程图如图4-5所示。一帧数据接收完成之后关闭串口禁止接收新数据，然后对该帧数据进行地址校验及CRC校验，将功能码存入选定的报警器，延时一段时间后回送消息。回送消息结束后打开串口，才可以进行下一帧数据的接收。4.5其他程序简介报警子程序在气体浓度大于低报警点时，给出30Hz的低频信号。浓度大于高报警点时给出80Hz的高频信号。使报警器在高低报警点的报警信号有所区别，方便工作人员根据不同的情况快速的作出反应。 接收时间间隔清零中断返回接收字节数加1字节放入缓存接收接收时间间隔小于1.5T接收字节数清零字节放入缓存接收时间间隔大于1.5T关定时器标志下一字节为计时开始字节是否为开始计时字节接收字节数清零开始接收标志置1接收是否为一帧第一字节开定时器，存储字符标志下一字节为计时结束字节接收时间间隔清零否是否是否是 图4-5串口接收中第五章 总结本文从硬件和软件以及系统等方面介绍了的高性能气体多参数检测系统的组成。仪器主要具有以下几个的特点：1)能够准确的测量环境中的可燃气体浓度，并通过高亮数码管显示，在超过报警点时给出报警信息，系统还能够实现调节报警点的功能。2)能够检测传感器断路、短路等故障并给出故障报警信号，在短路的情况下不仅能够给出报警信号，而且能够切断电源，以免出现大电流烧坏其他电路。3)能够实现传感器探头更换自动调整，并能够实现自动校准。4)可利用RS485总线和总控制器通信，也可通过红外遥控器实现现场控制。通过使用证明，本系统能够实现准确的测量，全量程测量误差3%LEL，报警误差2%LEL。此外自动调零校准，设置报警点等功能也能够顺利的实现。参考文献1陈连生.可燃气体探测器及其设置安装要领J.石油工程建设.1996.1:23252罗安.现场总线及现场总线控制系统.自动化博览J.2008.6:14163孔德宏.无线电通讯对仪表干扰的探讨J.石油化工自动化.1999.1:68.4M B P.A Simple Interfa