（控制理论与控制工程专业论文）智能瓦斯传感器系统的设计与研究.pdf

摘 要 摘 要 智能瓦斯传感器是为监测煤矿井下瓦斯而研制的它可以连续自动地将井下 瓦斯浓度转换成标准电信号输送给关联设备并具有实时显示瓦斯浓度值超限 声光报警及断电的功能适宜在煤矿采掘工作面回风巷道等有瓦斯爆炸危险的 场所固定使用 当今传感器技术的主要研究方向有两个一是开展基础研究重点研究构造 传感器的新材料新工艺二是实现传感器的数字化非接触化和智能化本系 统基本出发点就是利用现有工艺条件采用计算机处理技术提高传感器精度等 级和工作稳定性拓展其功能并赋予其智能化特性 本文主要介绍了智能型瓦斯传感器的设计方案并就该系统的理论基础智 能化传感器的实现方法硬件和软件设计等做了详细的讨论系统以单片微机 8 9 c 5 2 为中央处理单元由测量电桥放大电路a / d 转换数字显示声光报警 信号输出等单元电路组成软件设计采用模块化编程方法软件程序的开发采用 了 c 5 1 高级语言主要包含的程序有主程序a / d 采样子程序数据处理子程序 遥控控制子程序等同时在软硬件设计时均采取了有效的抗干扰措施 经过实验及不断调试证明该系统具有可靠性高功能强等特点有着广阔 的开发应用前景 关 键 词瓦斯; 传感器; 红外线遥控; 智能; 单片机 河南理工大学硕士学位论文 abstract the intelligent methane sensor is developed for monitoring the methane in the mine. it can successively and automatically change the methane density into the standard electric signals, which are then sent to the related equipments. besides, it has the functions of showing the value of the methane density in real time, giving an alarm by sound and light and cutting off the power supply while the value is beyond the limit. it is suitable to use regularly in some places with dangerous methane explosion, such as the working surface of excavating in the colliery and the tunnel where wind goes back. nowadays there are two main research directions of the technology of the sensor: firstly, doing the basic research and studying the new materials and technologies; secondly, digitizing, controlling without touch and intelligentizing the sensor. the system is based on the existing technical conditions, and adopt the computer processing technology in order to improve the precision grade of the sensor and working stability, expand its function, endow it with the intelligent characteristic. the paper mainly introduces the tentative design of the intelligent methane sensor, and discusses in detail its theoretical foundation, implementary method and the design of hardware and software. based on the at89c52 single-chip computer, the system consists of some unit circuits, such as measuring electrical bridge, magnifying, a/d transformation, digital display, giving an alarm by sound and light, the signal outputs etc. the software is designed with the programming method of the modularization, and adopts c51 advanced language. it mainly includes the programs of a/d sampling, data processing and telecontrol, besides the main program. at the same time, it takes the effective anti-interference measures during the design of software and hardware. the successive debug experiments prove that this system is characterized by high reliability, capable control function. the system has a bright prospect for development and application. keyword: methane; sensor; remote control; intelligent; single-chip computer 河南理工大学 学 位 论 文 原 创 性 声 明 本人郑重声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行 的研究工作及取得的研究成果论文中除了特别加以标注和致谢的地 方外不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果 其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明 并表示了谢意 本 人 学 位 论 文 与 资 料 若 有 不 实愿 意 承 担 一 切 相 关 的 法 律 责 任 学 位 论 文 作 者 签 名: 年 月 日 河南理工大学 学位论文知识产权声明书 本 人 完 全 了 解 学 校 有 关 保 护 知 识 产 权 的 规 定即研 究 生 在 校 攻 读 学 位 期 间 论 文 工 作 的 知 识 产 权 单 位 属 于 河 南 理 工 大 学学 校 有 权 保 留 并 向 国 家 有 关 部 门 或 机 构 送 交 论 文 的 复 印 件 和 电 子 版本 人 允 许 论 文 被 查 阅 和 借 阅学 校 可 以 将 本 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分 内 容 编 入 有 关 数 据 库 进 行 检 索可 以 采 用 影 印缩 印 或 扫 描 等 复 制 手 段 保 存 和 汇 编 本 学 位 论 文 保 密 论 文 待 解 密 后 适 用 本 声 明 学位论文作者签名 指导教师签名 年 月 日 年 月 日 1 绪 论 1 1 绪 论 1 . 1 选题的背景 随着煤炭工业的发展安全问题日益成为迫切需要解决的首要问题在我国 煤矿安全事故中瓦斯爆炸事故造成的伤亡占所有重大事故伤亡人数的 50%以上 成为实现安全生产的最大障碍矿井瓦斯是多种易燃易爆气体的总称其主要成 分是甲烷 ch4它与空气混合当其体积百分比为 3.5%16%时遇明火就会发 生爆炸瓦斯灾害给煤矿带来的最大危害是威胁井下人员生命摧毁矿井设施 迫使矿井停产并需要投入大量人力物力抢险救灾因此对瓦斯进行实时监控 在矿井通风系统中显得非常重要要实现瓦斯监控的自动化智能化高性能的 传感器是必不可缺少的条件 目前我国生产的智能型瓦斯传感器主要有镇江中煤电子研究所生产的 k j 1 0 1 - 4 5型甲烷传感器和 k g j 1 5型智能遥控甲烷传感器, 煤炭科学研究总院常州 自动化研究所的 k g 3 0 1 5型瓦斯传感器抚顺煤矿安全仪器总厂的 k g j 2高低浓甲 烷传感器宜兴市三恒自动化仪表有限公司的 k g j 1 5型智能遥控甲烷传感器等 现场普遍反映瓦斯传感器存在寿命短稳定性差调节周期短等问题具体表现 如下1 1检测元件使用寿命短由于有的检测元件性能较差平均只能使用 3 - 6 个 月如果元件活性下降又未及时发现轻则精度下将重则呈现死探头 即对瓦斯根本不起反应 2传感器的准确度与线性度达不到产品检定规程规定的基本误差范围指示 值与实际值之间误差太大或低端较准高端不准或高端较准低端不准 3 性能不稳定显示数字乱跳有的元件在测量范围内受到较高浓度的瓦斯 ( 如 2 % 左右) 冲击后几分钟之内就失效了有的虽然没有失效但元件灵敏度显 著下降 4 传感器受到震动( 如放炮或移动碰撞) 和风速变化影响时数字跳动零点漂 移造成工作不稳定 由于以上原因瓦斯传感器每周就要调校一次而频繁的调校使传感器的机芯 受潮又影响传感器仪表的性能和寿命因此有必要研制高性能的瓦斯传感器 来解决以上不足智能瓦斯传感器正是为解决这些不足而研制的它可以连续自 动地将井下瓦斯浓度转换成标准电信号输送给关联设备并具有实时显示瓦斯浓 河南理工大学硕士学位论文 2 度值超限声光报警及断电的功能适宜在煤矿采掘工作面回风巷道等有瓦斯 爆炸危险的场所固定使用 1 . 2 国内外研究现状2 瓦斯检测仪器是随着煤炭工业发展而发展的由于采矿工业一开始就伴随着 与瓦斯事故的斗争因此很早就出现了检测瓦斯浓度的仪器1 8 1 5年当时工业 最发达的英国发明了第一项安全仪器安全灯它利用火焰的高度来测量瓦斯 浓度由于安全灯构造简单性能可靠使用寿命低一百多年来一直被沿用下来 至今仍在许多国家使用 当前世界上占主要地位的是催化型瓦斯检测仪器 据可查到的文献记载 1 9 4 3 年以前美国已制造成功 v c c瓦斯测量仪它使用纯铅丝催化元件这是最早的催 化型瓦斯传感器随后日本在铂丝元件上加上涂有催化剂的载体小珠制成最 早的载体催化元件并利用这种元件制成了北辰型瓦斯指示器再以后据联邦 德国安全仪器专家 b e r q r a t在 1 9 7 7年来华技术座谈会上介绍1 9 5 8年法国 c h e r c h a r 研究所研制成功利用氧化铝 a l2o2为载体把 p d 钍 t h 为催化剂的载体 催化元件获得了较好的测量性能从此催化型瓦斯传感器进入了它发展过程中 的全盛时期 1 9 6 1年以后英美法德口苏等工业发达国家都把发展催化型仪 器作为瓦斯检测的主要方向日本主要的防爆仪器公司理研计器公司从 1 9 6 5 年 1 2月生产出第一种载体型瓦斯警报器以后公司的发展重点就从传统的光学仪器 转变为催化检测仪器英国主要的防爆仪器专业厂 s i e q e r 公司1 9 7 9 年来华技术 座谈时重点介绍了十几种产品其中只有两种不是利用催化原理的日本 c o s m o s 公司1 9 7 6 年来华技术座谈时重点介绍了八种产品 其中有六种是利用催化原理的 1 9 8 2 1 9 8 3 年煤炭部赴波兰日本英国的安全仪器考察团在回国报告中介绍 这三个国家使用的矿井瓦斯检测仪器中有 8 0 以上是利用催化原理制成的这 些事实说明近十几年来催化原理的仪器逐步成熟已经占据了瓦斯检测领域的 首要位置 理论上讲检测瓦斯含量的方法很多如热导法光干涉法红外光谱吸收 法超声波测量法气敏半导体法以及瓦斯催化剂元件法等我国现已研制出的 光干涉湿式气敏元件热电阻瓦斯传感器半导体气敏元件等都在瓦斯浓度检 测中起到了良好的作用大大降低了瓦斯事故发生率表 1 - 1是我国煤矿主要瓦 1 绪 论 3 斯传感器性能比较3 名称 原理 精度 零漂 稳定性 选择性 矫正周期 使用面 光干涉 折射率不同 中 好 好 中 气敏半导体 气体吸附 差 大 差 差 小 载体催化 热效 好 中 中 差 1 周 光 电化学 化学反应 好 小 好 中 小 红外吸收 气体吸收 好 小 好 好 自校正 小 近几年来光导纤维传感技术在世界上逐渐兴起光纤传感器具有常规传感 器无可比拟的优点如灵敏度高响应速度快动态范围大防电磁干扰超高 绝缘无源性防燃防爆体积小适于远距离遥测等很适于在恶劣和危险环境 中应用因而得到广泛重视光纤瓦斯传感器的研究起步较晚直到上世纪八十 年代才有人报道了关于光纤瓦斯检测的实验 经过几十年不断的研究载体催化元件逐步成熟并占据了矿井瓦斯和多种易 燃易爆气体检测领域的首位其工作原理是利用可燃气体在催化剂的作用下进行 无焰燃烧产生热量使元件电阻因温度升高而发生变化测知瓦斯的浓度这 种传感器的优点是精度较高输出信号较大( 1% c h4时, 输出电压可达 2025m v ) 且不受其它燃气和灰尘存在的影响 1 . 3 传感器的智能化45 传感器是获取信息的工具是信息技术( 包括传感与控制技术通讯技术和计 算机技术) 的三大支柱之一它位于信息系统的最前端其特性的好坏输出信息 的可靠性对整个系统质量至关重要因此传感器的性能必须适应系统使用的要 求近年来国内外都将传感器技术列为尖端技术而倍加重视并投入大量人力物 力进行开发和研究当今传感器技术的主要研究方向有两个一是开展基础研究 重点研究构造传感器的新材料新工艺二是实现传感器的数字化非接触化和 智能化 然而传统的传感器技术已接近其技术极限它的手工艺品式的制作过 程制作材料的多品种高要求使它的性能价格比不可能再有大的下降成为 制约自动化系统发展的瓶颈也为智能传感器的出现奠定了基础 智能传感器系统是一门现代综合技术它将传感器计算机和通讯技术有机 表 1-1 我国煤矿主要瓦斯传感器性能比较 河南理工大学硕士学位论文 4 地结合在一起构成系统是当今世界正在迅速发展的高新技术至今还没有形成 规范化的定义以往人们主要强调在工艺上将传感器与微处理器两者紧密结合 认为传感器的敏感元件及其信号调理电路与微处理器集成在一块芯片上就是智 能传感器然而这样的提法没有突出智能传感器系统的主要特点同时在实 际应用中并不总是必须将传感器与微处理器集成在一块芯片上才构成智能传感器 系统智能传感器系统的主要特点是把计算机技术和现代通讯技术融入传感器系 统中它一方面使传感器在计算机的管理下更好地发挥信息检测效能降低对元 器件的要求从而降低成本另一方面在软件的支持下使传感器具备较强的信息 处理和通讯能力具备较高的智能极大地提高传感器系统的性能因此有人 认为智能传感器系统是指传感器通过信号调理电路与微处理器赋予智能的 结合兼有信息检测信息处理及通讯功能的传感器系统这些提法突破了传感 器与微处理器结合必须在工艺上集成在一块芯片上的框框而着重于两者赋予智 能的结合使传感器系统的功能由以往只起信息检测作用扩展到兼而具有信息处 理功能智能传感器系统与传统传感器相比具有如下一些特点 1 高精度和高性能/ 价格比 智能传感器系统由于采用微型计算机管理及数据处理因而可采用多种方案 来保证它的高精度如通过自动校零去除零点与标准参考基准实时对比以自 动进行整体系统标定自动判定采样数据的有效性以消除偶然误差的影响等等 从而在保证高精度的前提下降低对元器件的要求提高性能/ 价格比 2 高可靠性与高稳定性 智能传感器系统能实时自动进行系统的故障自检确定故障类型及部位并 做出异常情况的应急处理避免因传感器系统本身故障而引起整个测控系统出错 大大提高可靠性它还能通过数据处理来自动补偿因工作条件与环境参数发生变 化后引起的系统特性漂移而其数字元信号处理方式又有效地削弱了元器件特性 漂移对信号的影响提高了系统的稳定性 3 高信噪比与高分辨率 智能传感器系统能通过软件对传感元件采集到的数据进行多种高效处理可 以去除输入信号中夹杂的噪声将有用信号提取出来还可以消除多参数状态下 交叉灵敏度的影响保证在多参数影响情况下对目标参量测量的分辨力获得高 的信噪比和高的分辨力 4 较强的适应能力 1 绪 论 5 智能传感器系统依靠其自身具备的智能功能及系统组态能力可灵活适应多 种不同的应用场合与使用要求它能自动对信息采集信息处理模式及通讯速率 等进行优化在量程改变量纲改变要求的输出信号形式改变等情况下仅通 过简单的系统组态即可实现无需修改硬件增强了系统的适应能力 由此可见智能传感器系统较之传统传感器有了质的飞跃它代表了传感器 的发展方向是传感技术克服自身落后向前发展的必然趋势 1 . 4 研究的内容和方法 本课题研究采用理论和实验相结合的方法先从理论上研究研制瓦斯传感器 系统的现实可能性即先了解市场上己有的瓦斯传感器产品现状它们的缺陷和 不足再了解市场上的单片机及其外围扩展芯片的新产品在充分考虑体积性 能性价比和工作稳定性之后我们选定了美国仿真器件公司的最新的完全兼容 mcs-51 的产品 at89c52 单片机在选定核心芯片以后着手了解和熟悉该芯片 的硬件及配套开发板及其开发软件同时熟悉电路设计的相关知识和电路设计的 相关软件如 protel下面则进入实验阶段设计出系统的电路图当然电路图总在 不断的改进中然后一个模块一个模块地开发相应软件软件也需要不断反复调 试在所有模块开发以后还要统一起来联调最后还要设计出印制板电路图去 制造初步成型产品而初步成型产品还要不断改进和调试才能投入生产即使 在产品卖出以后还要根据客户的反馈信息不断地完善和改进 在完成设计的过程中主要工作如下 1根据传感器工作原理及系统设计要求进行系统总体方案的研究 2根据系统总体设计方案进行硬件电路的设计和调试 3系统软件的编制调试采用 c51 语言进行编制 4实现传感器的遥控调校 5样机的调试与实验 1 . 5 本章小结 本章回顾了瓦斯传感器的发展历史并综述了目前国内外瓦斯传感器的技术 发展动向和应用现状针对现有的技术条件提出了研制智能型瓦斯传感器的必 要性和可行性并给出本论文的主要工作 河南理工大学硕士学位论文 6 2 系统总体方案设计 2 . 1 系统设计的整体思路 在设计一个智能化测量系统时首先要进行系统的总体方案设计在设计中 一般应考虑以下几点: 1 ) 遵循从整体到局部的设计原则在硬件和软件设计过程中应遵循从整体 到局部的设计原则把复杂难处理的问题分为若干较简单的容易处理的问题 分别加以解决 2 ) 经济性要求为了获得较高的性能价格比设计时不应盲目追求复杂高级 的方案在满足性能指针的前提下应尽可能采用简单的方案因为方案简单意 味着所用元器件少可靠性高而且比较经济 3 ) 可靠性要求所谓可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内完成规 定功能的能力可靠性指针除了可用完成功能的概率表示外还可用平均无故障 时间故障率失效率或平均寿命等来表示 就硬件而言系统所选用的设计电路和应用器件不仅要考虑满足功能要求 还应考虑产品的应用环境留有一定的设计余量以满足可靠性要求对软件来 说应尽可能预防可能发生的故障采用模块化设计方案以利于程序的编制和 调试减少故障率提高软件的可靠性 4 ) 操作和维护要求在智能化测量系统的硬件和软件设计时应当考虑操作 方便尽量降低对操作人员的专业知识的要求以便产品的推广应用系统的输 入输出方式操作程序应尽量简单明了无须专门训练就能掌握其使用方法 2 . 2 系统的功能需求 在讲述方案设计之前先介绍一下该系统所要实现的主要功能: 1 硬件功能要求6 1 适用于煤矿井下采掘工作面回风巷道机电峒室等有瓦斯爆炸气体环境 中对瓦斯浓度进行连续测定 2 显示功能实时显示瓦斯浓度 3 测量范围0 4 % c h4 4 测量误差0 . 2 % 5 输出信号输出与被测瓦斯含量成正比的频率信号 2 0 0 h z 1 0 0 0 h z 2 系统总体方案设计 7 6 工作电压9 2 0 v 工作电流2 0 0 m a 7 报警设置0 4 % c h4任意设置 8 红外线遥控遥控距离6 m 遥控控制传感器系统的零点修正非线性补 偿 2 软件功能要求 1 瓦斯传感器的数据采集控制 2 软件进行传感器系统非线性补偿 3 软件进行传感器零点修正 4 软件进行传感器频率输出信号精度修正 5 控制单片机接收遥控器信号并译码 6完成系统的集成控制 2 . 3 总体方案的选定 对于本课题所要研制的传感器系统而言其基本出发点就是利用现有工艺条 件采用微型计算机处理技术提高传感器精度等级和工作稳定性拓展其功能 并赋予其智能化特征使传感器不仅能够及时准确地检测瓦斯含量同时尽可减 少不必要的人工操作提高工作效率因此整个传感器系统总体设计方案的确 定要围绕优化系统设计这个原则尽量减少硬件电路的复杂程度发挥计算机 处理功能强大的优势提高系统工作的可靠性有鉴于此同时根据系统要求 确定该系统总体设计方案如图 2 - 1 所示789 有载体催化元件组成的检测电路输出的电压信号经放大和 a / d变换转化为 对应的数字量并行输入至微控制器微控制器根据存储在 e 2 p r o m中的数据进行 智能化信号处理获得较高精度的测量结果送数码管显示同时以频率信号送 微 控 制 器 led 显示 eeprom 信号输出 模 数 转 换 前 置 放 大 检 测 电 桥 声光报警 遥控调校 瓦 斯 信 号 图 2 - 1 智能型瓦斯传感器系统框图 河南理工大学硕士学位论文 8 给监控系统如果瓦斯超限发出声光报警提示 系统设有看门狗电路当电源干扰等原因造成系统故障时看门狗电路启动 系统自动恢复运行系统采用了红外遥控技术进行报警参数断电参数的设定 等操作 2 . 4 单片机的选型1011 随着电子技术微电子技术的飞速发展微型计算机发展很快单片机作为计 算机的一个独特的分支它是在一块芯片上集成了多种功能部件所构成的一台完 整的具有一定功能的单片微型计算机它打破了典型微型计算机技逻辑功能划 分芯片结构的传统概念以其体积小功能强性能价格比高等优点广泛应用于 诸多领域如工业控制系统智能化仪表数据采集系统等单片机技术的开发 和应用水平已逐渐成为一个国家工业发展水平的标志之一 单片机是传感器系统的核心它担负着这个传感器的控制信号处理以及通 讯等任务对系统的综合性能有重大影响因此单片机的选型很重要在单片机 的发展过程中i n t e l 公司扮演了重要角色它由7 0 年代的m c s - 4 8 系列发展到8 0 年 代的m c s - 5 1 系列8 0 年代后期的m c s - 9 6 / 9 8 系列以及今天的m c s 9 6 列及各种c m o s 系 列高文件机使单片机技术日趋成熟和完善 无论是哪一种位数的单片机也无论哪一系列的单片机都为新产品的开发 应用系统的研制智能控制器的研究等创造了极其有力的硬件环境可以说由 于世界各生产厂家生产4 位8 位1 6 位3 2 位通用型单片机以及衍生出的五花八 门的系列及型号使单片机技术的应用已达到了无孔不入的地步就国内1 5 1 6 年应用实践而言单片机使用量最大的是8 位单片机应用范围最广的也是8 位单 片机 当初面向控制功能用的单片机现已远远超过了原设计者的想象然而占 全球单片机销量6 5 % 左右的8 位单片机仍是当前应用的主流目前世界各生产单 片机的公司多在努力提高时钟频率以提高c p u 速度精简指令多级流水线操作 方式可提高指令的执行速度扩大寻址能力扩大片内程序存储器和数据存储器 容量e 2 p r o m 存储器将达6 4 k 以上在结构上细致化智能化密切化增加片内 功能尽量减少外部接口芯片提供与主机的接口降低单片机的功耗提高宽 电源的适应能力增加高噪声容限并具有更好的电磁兼容性面向应用对象的 多功能多品种的增强型单片机将大大增加 2 系统总体方案设计 9 在单片机的选型上考虑单片机本身的性能以及课题开发周期短的特性点 我们选用 a t m e l公司 8 9系列单片机 a t 8 9 c 5 2 再辅以一定的外部扩展电路来完成 系统功能a t 8 9 c 5 2 采用 i n t e l 内核技术结合 a t m e l 公司闪存技术制造性能稳 定可靠在程序不太复杂的情况下无需扩展外部存储器因此对于追求可靠 性追求体积轻巧灵便的传感器产品而言则显得尤为重要 2 . 5 关于开发平台 开发一个单片机应用系统系统程序的编写效率在很大程度上决定了目标系 统的研制成效早期在研制单片机应用系统时大多以汇编语言作为软件工具 汇编程序能够直接操作机器硬件指令的执行速度快但由于汇编语言不是一种 结构化的程序设计语言其可读性和可移植性较差汇编程序较难编写和调试 程序本身的编写效率较低随着单片机硬件性能的提高其工作速度越来越快 存储量越来越大因此在编写单片机应用系统程序时更注重于程序本身的编写 效率为了适应这种要求现在的单片机开发系统除了配备有汇编语言软件之 外很多还配备了高级语言软件如 p l / m 语言c 语言和 b a s i c 语言 c是一种源于编写 u n i x操作系统的语言它是一种结构化语言可产生压缩 代码c 语言功能强效率高主要有以下特点寄存器分配不同存储器的寻址 及数据类型可有编译器管理程序有规范的结构可分为不同的函数这种方式 可使程序结构化编程及程序调试时间显著缩短从而缩短开发周期提高工作效 率提供的库包含许多子程序具有较强的数据处理能力鉴于 c 语言容易移植 可读性强可进行结构化程序设计等优点本系统采用 c语言进行编程采用德 国 k e i l 公司的嵌入式 c 5 1 编译器作为开发工具12 k e i l c 5 1 标准 c 编译器为 8 0 5 1 微控制器的软件开发提供了 c 语言环境是目 前最有效灵活的 8 0 5 1 开发平台之一能够产生极高速度和极其简洁形式的目标 代码在代码效率和执行速度上完全可以和汇编语言相比并且具有十分丰富的 库函数可供用户直接调用从而极大地提高了程序的编写效率它可以支持所有 8 0 5 1 的衍生产品所有兼容的仿真器同时支持其它开发工具k e i l c 5 1 主要包 括12 1 c 5 1 优化 c 编译器 2 a 5 1 宏汇编器 3 l 5 1 连接器/ 定位器 河南理工大学硕士学位论文 10 4 l i b 5 1 库管理器 5 r t x 5 1 实时多任务操作系统 c 5 1编译器支持模块化程序设计各模块源程序用符合 a n s i标准的 c语言编 写然后由 c 5 1 编译器生成一个可重新定位的目标文件程序的设计采用模块法 模块法就是把一个较大的程序分为若干小的程序模块进行设计和调试然后把各 个模块连接起来各个模块在编译正确之后由连接定位器 l 5 1进行连接定位 产生可执行的绝对目标文件 l 5 1 可以从 l i b 5 1 库中所需要的库函数与各目标模块 连接在一起组成一个完整的应用程序 2 . 6 传感器信号的选择 根据煤矿用低浓度载体催化式甲烷传感器技术条件矿用传感器输出信 号必须满足一下要求6 直流模拟量信号1 5 m a 优先使用 直流模拟量信号4 2 0 m a ( 现用于地面) 频率模拟量信号2 0 0 1 0 0 0 h z 优先使用 频率模拟量信号5 1 5 h z 开关量信号1 5 m a 对于模拟量使用频率信号有许多优势 1 提高了模拟量信号的传输精度 对一般的电压或电流的模拟量来说在井下用电缆进行远距离传输时( 1 k m ) 都会产生较大的畸变频率脉冲信号尽管在长线传输时也会发生较大的畸 变但在一定的长线条件下每个脉冲的畸变都是一样的在接受端不管采用哪 种方式接受还原时是不会产生精度损失的 2 提高了模拟量信号传输的抗干扰能力 频率模拟量传输的是脉冲的有无而电压或电流模拟量传输的是连续变化的 电量值很显然前者的抗干扰能力要强得多 3 隔离性好 频率信号传输的是脉冲的有无那么作为信号接受端的分站就可以采用光耦 器件的开关电路进行接收可方便地实现信号隔离对于井下低频电子设备干 扰主要来自地线这样就可以彻底消除了因地线而引起的干扰不仅如此传感 器与分站之间没有电和磁的联系从来使传感器与分站各自的本安系统完全隔离 2 系统总体方案设计 11 特别适合于煤矿适用而电压或电流模拟量实现这一隔离就困难多了 4 模拟量的采集成本低 对电压或电流模拟量的采集一般都要采用 a / d 转换器之类的较昂贵的芯片 超过 8位的 a / d转换器芯片的价格与一般单片机的价格相当且印刷电路板的制 作工艺也较高而对于频率模拟量的采集用定时器计数器和少量的开关电 路即可其成本低的多 基于以上考虑本系统的模拟量信号选用频率信号选用的传感器输出频率范 围为 2001000hz 2 . 7 本章小结 本章系统介绍了传感器系统的总体设计方案阐明了系统设计过程中所遵循 的原则和采取的技术路线确立了采用计算机处理技术实现传感器的智能化根 据系统的功能要求提出了本系统初步设计方案和设计框图还给出系统的核心 部件单片机的选型和开发工具的选择 河南理工大学硕士学位论文 12 3 系统硬件电路设计 3 . 1 硬件总体结构 硬件和软件设计是单片机系统的两个重要方面本章主要论述该系统的硬件 电路设计本系统在硬件电路设计时主要从以下原则出发: 1 硬件电路设计与软件设计相结合优化硬件电路一些由硬件实现的功能可 用软件来实现反过来一些由软件实现的功能也可用硬件来完成用软件来实现 硬件的功能时其响应时间比用硬件实现长还要占用 c p u时间但是用软件实 现硬件的功能可以简化硬件结构提高硬件电路的可靠性还可降低成本因此 在本系统的设计过程中在满足可行性和实时性的前提下尽可能地将硬件功能用 软件来实现 2 可靠性及抗干扰设计根据可靠性设计理论系统所用芯片数量越少系 统的平均无故障时间越长而且所用芯片数量越少地址数据总线在电路板上受 干扰的可能性就越少因此单片机基本系统的设计思想是在满足功能的情况下力 争使用较少数量的芯片本系统大都采用了功能先进的 8脚 d i p器件因此从元 件数电路板空间功耗抗干扰及系统成本上都得以大幅度改善 3灵活的功能扩展一次设计往往不能完全考虑到系统的各个方面系统需 要不断完善需要进行功能升级功能扩展时系统应该在原有设计不需要很大改 变的情况下修改软件和少量硬件甚至不修改硬件就能完成功能扩展是否灵活 是衡量一个系统优劣的重要指针 根据系统要求及上面几个硬件设计原则确定系统硬件原理图如附录 1 所示 系统以单片微机 at89c52 为中央处理单元由传感元件测量电桥放大电路 a/d 转换数字显示声光报警信号输出等单元电路组成下面对主要的电路 设计做详细介绍 3 . 2 传感元件13 传感元件位于传感器系统之首被测瓦斯含量有它转换为电信号才能供给电 路处理因此它的性能对传感器系统有着很大的影响在选用传感元件时一是 测量精度要高二是工作可靠三是工作条件能适应恶劣环境的要求最重要的 是应具有防爆功能通过慎重调研对比最后选用了中国船舶重工集团公司生产 的 l x k - 2新型载体催化元件其优于传统的催化元件在响应特性长期储存 3 系统硬件电路设计 13 特性温度特性和长期稳定性方面都有了明显的改进 载体催化元件由一个带催化剂敏感元件俗称黑元件和一个不带催化剂的 补偿元件俗称白元件构成两个元件的结构和尺寸均相同催化元件最里层 是铂丝线圈外面是载体和催化剂形成的催化外壳铂丝线圈用于通电加热催化 外壳维持瓦斯催化燃烧反应所需的温度同时又兼作感温元件检测在催化反 应中催化外壳温度的变化 催化反应的方程式为 ch4+2o2co2+2h2o+795.5kj 催化反应过程中无焰燃烧放出热量增加了敏感元件铂丝的电阻值通过图 3 - 1所示惠斯通电桥测量的电路可以测量其载体催化元件电阻变化量图中rd 是敏感元件rc为补偿元件将 rd和 rc置于同一测量气室中由稳压源或恒流源 供电在无瓦斯的新鲜空气中rd= rc调整电桥使之平衡信号输出端电压 ua b= 0 当瓦斯进入气室在敏感元件 rd表面发生无焰催化燃烧rd阻值随温度上升而增 加为 rd+ rd而补偿元件 rc阻值不变从而电桥失去平衡 当采用恒压源 e 供电时输出不平衡电压为 设 rd= rc=rrd则 显然电桥输出电压取决于敏感元件的阻值变化量rd对于铂丝元件 其电阻变化量可用下式表示 rd=a(h/h)r0=a(dcq/h) r0 () 2 e rrr err u ddc dd ab + + = d d rk r er 1ab 2 u rc rd uab +3v gnd u r r rx 图 3 - 1 传感器检测电桥 河南理工大学硕士学位论文 14 式中 a铂丝的电阻温度系数a=3.948510-3/ 0c h瓦斯燃烧热量 h敏感元件热容量 d瓦斯扩散系数 c被测环境中的瓦斯浓度 q瓦斯分子燃烧热 r0铂丝 0 0c 时的阻值 其中ahr0与敏感元件的材料性质结构尺寸有关扩散 系数 d 和瓦斯的分子燃烧热 q 都是常数可用一个常数 k2代表这些因 素因而上式可写为 rd= k2c 则 uab=k1k2c 即电桥输出电压与瓦斯浓度成正比 3 . 3 放大电路 3 . 3 . 1 放大器的选择14 15 仪表放大器(或称数据放大器)是一种实现某种功能的增益块 它用来测量其两 个输入端的之间的电压差然后以所设定的精确增益进行放大(其增益通常是从 1 倍到 1000 倍或更大) 最后从输出电路的两个端子得到其结果一个理想的仪表放 大器只响应输入电压的差值如果输入电压相等则理想仪表放大器的输出为零 其增益 g 可用一个方程来表示对于每种不同的类型都有其特定的方程 当仪表放大器用于电桥测量信号的放大且用在智能仪表系统中时需要注 意的重要技术指针是与增益(范围计算公式及线性度)偏流及共模抑制比等有关 的指针增益范围是指在给定的性能下的增益范围例如虽然增益范围规定为 1 到 1000 倍或更高但实际上对于一定的器件由于存在噪声和漂移更高的增 益就不实用了偏流就是必须流入到放大器输入端的直流电流在某些情况下它 是泄漏电流而在另一些情况下它是双极型晶体管必需的实际偏置电流虽然仪 表放大器具有差分的输入偏流尽管很小但必须有一个供给偏流返回的通路 如果没有这个信道偏流就会对分布电容充电结果引起输出端的不可控制的漂 移以至饱和至使测量电路不可用仪表放大器的共模抑制比(cmrr)定义为信号 增益(即差分增益)g 对共模增益之比而共模增益等于出现在输出端的共模误差信 3 系统硬件电路设计 15 号对输入端共模电压(cmv)之比高的共模拟制比意味着放大器仅对输入电压的 差值是敏感的 仪表放大器及相关电路的设计是仪表设计中的重点也是难点因为集成式的 仪表放大器用低的成本提供最佳的质量和规定的性能所以设计的重点就是根据 技术要求选择适当的仪器放大器由于仪表确定用单电源供电根据技术要求及 市场情况选择美国仿真器件公司生产的 ad623 单电源满电源幅度输出仪表放 大器 3 . 3 . 2 a d 6 2 3 性能简介16 17 ad623 仪表放大器是美国仿真器件公司(analog devices inc简称 adi)最近推 出的一种低价格单电源输出摆幅能达到电源电压通常称之为电源限输出 即 rail to rail output的最新仪表放大器它按照工作于单电源方式进行了优化设 计 提供很好的线性度 温度稳定性的同时 其功耗也很低3v 时1.5mwad623 通过提供极好的随增益增大而增大的交流 共模抑制比(ac cmrr)而保持最小的误 差线路噪声及谐波将由于共模抑制比 (cmrr)在高达 200hz 时仍保持恒定而受 到抑制ad623 具有较宽的共模输入范围 它可以放大具有低于地电平 150mv 共模电 压的信号 ad623 允许使用单个增益设置电阻进行增益编程以得到更好的用户灵活 性且符合 8 引脚的工业标准引脚配置如图 3 - 2 所示在无外接电阻条件下 ad623 被设置为单位增益(g=1)在接入外接电阻后ad623 可编程设置增益其 增益最高可达 1000 倍ad623 的增益由 rc 进行电阻编程即由 1 脚和 8 脚之间 的阻抗来决定使用 0.1%1%容限的电阻提供精确的增益对于任意增益值外 加电阻可由以下公式计算 rc=100k/(g1) 3-1 参考端 ref 电位用来确定零输出电压 当负载与系统不明确共地时特别有用 它提供一种对输出引入精密补偿的直接方法还可以利用参考端提供一个虚地电 压来放大双极性信号 参考端允许电压变化范围为-vs+vs 如果 ad623 相对地 - rg -in +in g n d +rg vcc output ref a d 6 2 3 图 3-2 ad623 引脚图 河南理工大学硕士学位论文 16 输出则参考端应接地 3 . 3 . 3 a d 6 2 3 应用设计 由于电桥满幅度输出是 100mv 的差分信号要达到实用目的可放大至 5v 首先通过 ad623 放大至 2.5v 再通过电源限输出运算放大器 o p 1 9 1 进一步放大至 5v所以 ad623 放大器的增益应为 2.5v/100mv=25 倍根据式 3-1 可得增益电 阻为 4k实际选用阻值为 3k的 1%精度的电阻和一个 1k可调电阻组成放 大电路如图 3-3 3 . 4 a / d 转换 3 . 4 . 1 a / d 转换器的选择14 随着超大规模集成电路技术的飞速发展和计算机技术在工程领域的广泛应 用a/d 转换器的新设计思想和制造技术层出不穷为满足不同的检测和控制任 务的需要大量结构不同性能各异的 a/d 转换电路应运而生在精度价格和 速度方面也千差万别 尽管 a/d 转换器的种类很多但目前应用较广泛的主要有三种类型逐次逼 近式 a/d转换器双积分式 a/d 转换器和 v/f 变换式 a/d转换器双积分式 a/d 转换器一般精度高对周期变化的干扰信号积分为零因而具有抗干扰性好价 格便宜等优点但转换速度慢逐次逼近开 a/d 转换器在转换速度上同双积分型 相比要快得多精度也比较高但价格较贵v/f 型 a/d 转换器的突出优点是精 度高其分辨率可达 16 位以上价格低廉但转换速度不高 图 3-3 放大电路 3 系统硬件电路设计 17 随着技术的进步逐次逼近型 a/d 转换器的性能价格比有了很大的提高特 别是带串行控制的模数转换器的出现为逐次逼近型 a/d 转换器的应用创造了方 便条件对于本课题所研究的瓦斯传感器而言体积的小型化高可靠性强抗 干扰能力则是首要追求的目标所以我们选用美国德州仪器公司生产的 1 0 位模数 转换器 tlc1549 3 . 4 . 2 t l c 1 5 4 9 性能简介18 19 t l c 1 5 4 9 采用 c m o s 工艺 具有内在的采样和保持电路以及片内系统时钟 采用 差分基准电压高阻输入抗干扰可按比例量程校准转换范围总不可调整误差 达到1 l s b m a x 4 . 8 m v 等特点双列直插封装的 t l c 1 5 4 9 i只有 8个管脚因 此体积很小如图 3 - 4 所示具有两个 数字输入端和一个 3 态输出端(芯片选 择 cs输入输出时钟 i/o clock 以及数据输出 data out)提供了与 单片机串行端口的 3 线接口操作非常 简单 ref+和 ref-分别为基准电压的高 端和低端最大输入电压范围由加至 ref+的电压和加至 ref-的电压之间的 差值决定 analog in 为模拟信号输入端 驱动源阻抗应小于 1k接至 analog in 的外部驱动源应具有大于 10ma 的电流驱动能力 cs 为芯片选择端cs 端高电平至低电平的跳变将在最大建立时间加系统 时钟两个下降沿之内复位内部计数器和控制电路并使能 data out 和 i/o clock低电平至高电平的跳变将在建立时间加内部系统时钟两个下降沿之内 禁止 i/o clock data out为三态输出端当 cs 为高电平时这个 a/d 转换结果的 3 态串 行输出端处于高阻状态 当 cs 为低电平时 此端有效 在芯片选择有效的情况下 data out 脱离高阻状态并被驱动至与前次转换结果的 msb 值相对应的逻辑电 平i/o clock 的下一个下降沿把 data out驱动至与次最高有效位相对应的逻 辑电平其余的位被依次移出lsb出现在 i/o clock 的第九个下降沿在 i/o ref+ analog in ref- gnd vcc i/o clock data out /cs 9 图 3-4 tlc1549 引脚图 河南理工大学硕士学位论文 18 clock 的第 10 个下降沿data out被驱动至低逻辑电平因此大于 10 个时 钟的串行数据传送将产生零作为未用的 lsb i/o clock 为输入/输出时钟i/o clock 接收串行 i/o 时钟并实现下列三个 功能 1在 i/o clock 的第 3 个下降沿模拟入电压开始对电容数组充电并一 直充电到 i/o clock 的第 10 个下降沿 2前次转换结果的其余 9 位移出至 data out端上 3在第 10 个时钟下降沿把转换的控制传送到内部状态控制器 因此 在芯片选择端 cs 无效的情况下 i/o clock 最初被禁止且 data out 处于高阻状态当串行接口把 cs 拉至有效时转换时序开始允许 i/o clock 工 作并使 data out 脱离高阻状态串行接口然后把 i/o clock 序列提供给 i/o clock并从 data out接收前次转换结果i/o clock 从主