（测试计量技术及仪器专业论文）基于dsp的危化品运输实时监测系统设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 - - = _ = _ 霄m= m m l m - - - - - - 舅曼皇曼量量鼍曼皇曼皇曼量曼曩 手两斐 随着现代科技的进步及石油煤炭等能源工业的发展，危险化学品的种类越来越繁 多，在工业和人民生产生活中应用领域越来越广泛，这一发展趋势随之带来危险化学 品的存储和运输的巨大的问题。其发生泄漏时会造成人员中毒及火灾爆炸的隐患，一 旦发生事故后果不堪设想，严重威胁到人民生命财产安全。因此，快速准确的监测存 储及运输过程中危险化学品的泄露及泄露程度，可以保证危险化学品的安全使用和工 业生产的健康发展。 为解决对危化品运输设备状态实时监测，控制系统以t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 为核心，对传感器采入的酒精气体信号进行整形，滤波，放大处理，进行a d 转换， a d 转换采用f 2 8 1 2 自带的1 2 位a d ，连续采样信号监测气体浓度变化，并通过采集 温湿度信号，对气体浓度数据进行温湿度补偿，精确测量，校准后的气体数据可进行 二级声光报警，同时利用m a x 2 3 2 与p c 机完成数据传送，可随时查看和调用历史记 录。良好的监控处理，使系统更稳定的运作。系统主要包括气体检测传感器、温度检 测传器、湿度检测传感器、信号转换和调理单元、a d 转换电路、声光报警单元、r s 2 3 2 通信模块、电池电量监控单元、气体泵控制单元等部分。对d s p 主程序采用模块化程 序设计，完成了对d s p 进行初始化的主程序模块、与p c 机实时通信模块以及系统各 功能模块测试的程序设计。 本文针对槽罐车实物模型，设计了实验室研究气体监测控制系统的方案，并在此 基础上，重点完成了控制系统中的核心部分控制卡的设计和实现。此系统能实现 危化品运输设备全过程泄漏状况的监测，一旦危化品运输车辆发生危化品泄漏事件， 这套系统可以实时探测到泄漏情况并实现报警，为现代危化品物流提供了一种安全解 决方案。 关键词：d s p 技术；危化品；泄漏监测 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s t r a c t 纷劭t h ed e v e l o p m e n to fm o d e mt e c h n o l o g yi ne n e r g yi n d u s t r i e s 。t h e r ea r em o r ek i n d s o fh a z a r d o u sc h e m i c a l sb ep r o d u c e d , a n dw i d e l yu s e di ni n d u s t r ya n dp e o p l e sd a i l yl i f e t l l i sd e v e l o p i n gt r e n db r i n g sah u g ep r o b l e md u r i n gh a z a r d o u sm a t e r i a l st r a n s p o r t a t i o na n d s t o r a g e i tm a yc a u s ed i s a s t r o u sc o n s e q u e n c e sl i k ep o i s o n i n g ，f i r ea n de x p l o s i o ni nc a s eo f t h el e a k a g eo ft h o s em a t e r i a l s t h e r e f o r e ，t om o n i t o rt h el e a k a g eo fh a z a r d o u sm a t e r i a l r a p i d l ya n da c c u r a t e l yp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei ns e c u r i t yi s s u e r n l i sa r t i c l ei s p r o p o s e dam e t h o dt or e a l t i m em o n i t o rt h el e a k a g eo fh a z a r d o u s m a t e r i a ld u r i n gt r a n s p o r t a t i o n e t h a n o li st a k e na st h ee x p e r i m e n tg a s t m s 3 2 0 f 2 812 w h i c hi sp r o d u c e d b yt ii st h ec o r ec h i p so ft h i ss y s t e m a f t e rt h es i g n a lb e i n gs h a p e d , f i l t e r e da n da m p l i f i e d ，i tc a nb et r a n s m i t t e db yt h eg a ss e n s o rt ot m s 3 2 0 f 2 812 sn a t i v e 12 b i ta dc o n v e r s i o n w h i c hs a m p l e sd a t af o rm o n i t o r i n gt h ec h a n g eo fg a sc o n c e n t r a t i o n t h e r ei sah u m i da n d t e m p e r a t u r es e n s o rw h i c hp r o v i d et h eh u m i da n dt e m p e r a t u r ed a t af o r c o m p e n s a t i o n t h e nt h ec o m p e n s a t e dd a t ac a nb eu s e dt oj u d g ew h e t h e ri ti so v e ra l a r m t h r e s h o l da n dt r a n s m i t t e dt op cb ym a x 2 3 2 o np c ，y o uc a nr e v i e wt h er e c o r da n dh i s t o r y d a t aa ta n yt i m e t h ew h o l es y s t e mi n c l u d e sas e r i a lo fu n i t s ，l i k eg a ss e n s o ru n i t ，h u m i da n d t e m p e r a t u r es e n s o ru n i t ，s i g n a lc o n v e r s i o na n dc o n d i t i o n i n gu n i t ，a dc o n v e r s i o nc i r c u i t , s o u n da n dl i g h ta l a r mu n i t ，r s 一2 3 2c o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，t h eb a t t e r ym o n i t o r i n gu n i t ，t h e g a sp u m pc o n t r o lu n i t e x t t h ed s pm a i np r o g r a mu s et h em e t h o do fm o d u l a r p r o g r a m m i n g ，c o m p l e t e dt h ed e s i g no fi n i t i a l i z a t i o nm o d u l e ，r e a l t i m ec o m m u n i c a t i o n m o d u l ea n do t h e rs y s t e mf u n c t i o nm o d u l e sf o rt e s tp r o c e d u r e s d u et oe x p e r i m e n tc o n s t r a i n t s ，t h i sp a p e rd e s i g n e dam e t h o df o rl a b o r a t o r ys t u d i e so f g a sm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e m ，a n do nt h i sb a s i s ，c o m p l e t e dt h ec o r ep a r t c o n t r o l s y s t e m sd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n t h i ss y s t e mc a nm o n i t o rt h eh a z a r d o u sc h e m i c a l s l e a k a g es t a t u sd u r i n gt h ew h o l ep r o c e s so ft r a n s p o r t a t i o n ，o n c es p i l lo c c u r s ，t h es y s t e mc a n i m m e d i a t e l yd e t e c tt h el e a k a g ea n da l a r m t h i sp a p e rp r e s e n t sas e c u r i t ys o l u t i o nf o rt h e m o d e m l o g i s t i c so fh a z a r d o u sc h e m i c a l s k e y w o r d s ：d s pt e c h n o l o g y ；h a z a r d o u sc h e m i c a l s ；l e a k a g em o n i t o r i n g 西南交通大学四甯父逋大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l - 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密函使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：彬一，惋 日期：厶lo s 勘 指导老师签名：瓣 日期：沙f d j 、加 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中作了明确的说明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要工作( 贡献) 如下： 设计应用d s p 技术，对各安装点气体浓度进行实时数据采集、检测、传输，可以 实时探测到泄漏情况并通过无线传输技术，将浓度数据传输给上位机进行报警，为现 代危化品物流提供了一种安全解决方案。 学位论文作者签名：妨，眺 日期：办j q 3 加 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 本次设计的任务是实时监测铁路运输过程中装载危险化学品的罐车的安全状态， 根据判断罐车内危险化学品是否泄漏以及泄漏程度进行一次、二次报警，实现车辆运 输的安全防护。本设计应用d s p 嵌入式系统来进行设计，并应用无线传输技术，对各 安装点气体浓度进行实时数据采集、检测、传输。因为现代嵌入式计算机技术以其强 大的控制功能、小巧的体积、卓越的性价比在控制检测领域占有非常大的比重，同时 嵌入式芯片具有的丰富的外围电路和软件资源大幅度缩短了产品的开发周期。因此在 控制检测领域选用嵌入式技术无疑是开发研究人员明智的选择。而无线传输技术可将 车辆运行状态实时传送给显示终端，从而更好的实现监控，本系统为现代危化品物流 提供了一种安全解决方案。 1 1课题背景及意义 5 0 年前全世界的化学品年产量仅有1 0 0 万吨，化工生产以及化学运输过程可能产 生的危害人们还不甚了解。而今天化学品的年产量己超过4 亿吨，已为人所知的化学 品就有5 0 0 - 7 0 0 万种之多，而且每年还有1 0 0 0 多种新的化学品问世。这些在是市场 上流通、运输的化学品中有相当一部分为危险化学品，据估计全世界每年因化学品生 产、运输造成的事故损失就超过4 0 0 0 亿人民币。随着我国石油和化工产业的迅猛发展， 我国危化品运储业也迎来了黄金发展期。2 0 0 9 年，全国危化品仓储业增加值预计在2 0 0 8 年9 8 4 亿元的基础上实现1 5 以上的增长。 我国对危险化学品的运输安全历来十分重视，中央领导同志多次明确指示要对危 险化学品从各环节上加强管理，确保广大人民的生命安全。国务院在部署五项安全生 产专项整治中，专门把危险化学品的存储和运输列为重点内容，由交通部牵头，在全 国范围内集中开展专项整治。为此，国家经贸委、安全监管局、公安部、监察部、铁 道部、交通部、卫生部、工商总局、质检总局、环保总局等十个部门还联合下发了关 于开展危险化学品安全管理专项整治工作的通知。 然而，我们可以借鉴的世界上大多数国家，如美国、德国在危险化学品道路运输 预防的重点集中危害评估、预防规划和应急预案三部分上，因此自2 0 0 5 年5 月1 0 日 至9 月3 0 日在全国开展道路运输危险化学品安全专项整治工作起，采取的措施大都是 管理措施，没有考虑应用传感技术实现对危险化学品泄露的实时监测与报警。我国的 道路危险货物运输管理规定只是对运输车辆的注册、管理、运营，如车速、城市 行驶路线、城市行驶时间等做了硬性的规定。但规定的措施实施起来非常困难，人为 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 影响因素大( 如超载、超速问题，司机逃逸、不按规定路线行驶等) ，没有实时性，延误 事故反应时间，而且没有统一的响应机制。在专用线上处于运输过程中的易燃、易爆 危险化学品的槽罐车的危险性远远超过储存过程。据统计，8 0 的危化品事故出现在 运输过程中，事故后果也非常严重，这一方面是危化品管理的薄弱环节，在中国铁路， 由于铁路槽罐车装载的易燃、易爆危险化学品种类繁多、装载量大，车辆流动性大， 事故地点不确定，给事故应急救援造成很大困难，以及铁路专用线的周边情况非常复 杂，事故发生后的影响范围很大。因此，直没有一套可行的危险化学品运输集装箱 的实时跟踪与监测保障系统，在目前还不允许危险化学品罐式集装箱上轨，可行性还 处于论证阶段，这制约铁路货物运输的发展的同时，也极大的增加了运输的成本。随 着我国石油和化工产业的迅猛发展和石化产业链的不断延伸，将会派生出大量的物流 需求，这给危化品运输业带来极大的机遇和挑战。而传统的危化品运输方式有着比较 明显的缺点，如作业、中转环节多，影响物流效率：运输批量不灵活，占用交易双方 大量流动资金；租用设备资金数额巨大，提高了经营难度和经营风险等等。不同于此， 罐箱具有明显优势，可适用于多种运输方式，也可作为存储设备，具有很强的灵活性。 而且整个运输过程无需中间环节，减少了货损、货差，提高了安全性。 因此，完全有必要采用技术的手段，研发一种系统对槽罐车危险化学品的泄露状 态进行监测，并通过实时无线数据传输给显示终端，通过本地实时报警和远程实时报 警，实现对危险化学品运输的全程实时监测与管理。再配以紧急事件应急处理机制， 从而减少和避免事故的发生，对提高我国危险化学品运输安全，防患于未然，保护环 境具有极其重要的意义。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 目前，国内中国国际海运集装箱( 集团) 股份有限公司中集集团以危化品陆路运 输和海上运输为背景，基于m e m s 传感技术、测试与控制技术、无线传感网技术、通 讯网络技术、信息与数据处理技术，依据“产品系列化、系统模块化、模块标准化”的 原则，开发完成智能罐式集装箱和槽罐车，开发完成危化品探测终端、运输车载终端、 运输船载终端、g p s g p r s 模块、卫星通讯模块、通讯协议以及后台信息系绀5 ，6 1 。通 过建设危化品运输过程的监测与跟踪的实时跟踪、监测和报警系统，实现危险化学品 从生运输全过程的远程监测与跟踪。通过智能罐式集装箱及其系统，实现包括危化品 泄漏和状态情况、运输载体本身状态和环境等数据的实时采集、远程无线数据传输、 本地和远程监测与报警，实现危化品运输过程的全程实时监测，确保危化品运输安全、 可靠、高效、环保。除此之外，国内外对危险化学品运输车辆的监管都是停留在对车 辆的行驶状态的监测上，在国外也有针对危险化学品运输的基于g i s 平台的危险性评 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 _ _ 一l ； 一；一一i i i i - - - - 鼍曼毫皇曼鼍皇皇皇皇曼曼曼曼曼舅皇曼鼍曼曼量量量置置一 估研究【3 】，以此作为运输路径的选择依据。国内的赛格、华强等g p s 厂家利用g p s 定 位终端对危险化学品运输车车辆的行驶速度、行进路线等进行监管；四川大科星、台 湾宝录电子等行车记录仪厂家利用汽车“黑匣子”对车辆的速度、刹车、发动机转速等 车辆运行状态进行记录，他们都是针对汽车状态进行监控，没有涉及到箱体和罐内危 险化学品。也有一些地区实行对车牌号的管理，如广西茂名市，对该市的所有危险化 学品运输车辆安装c i 芯片，对其进行装载物种类、重量等数据管理，减少了非法车辆 进行危险化学品运输，一定程度上遏制了危险事故的发生。一些单位也在一些特定应 用场合对汽车罐体的某些状态进行了监测，如江苏天泽利用称重传感器检测汽车罐体 的空、重载情况；北京天泰雷兹利用法国的传感器对车辆的碰撞情况进行监测等，解决 了运输车辆运行状态的动态监测和报警等关键技术。但以上的方法都是针对公路、水 上运输的应用，没有针对铁路运输过程，尤其是气体泄漏状态进行实时监测的方法。 气体报警检测法广泛应用于各领域，尤其是易燃易爆化学品检测中，因此，本文应用 气体报警检测方法作为本设计的基础方法。 1 3气体检测报警研究现状 气体探测模块主要是由气体传感器及其相应的检测电路组成。传感器安装在危险 场所，它的作用是把可燃或有毒气体在空气中的含量( 即浓度) 变成直流电压或电流信 号，此信号经过一系列处理后可直接显示气体浓度，当该浓度超过安全设定值时启动 报警装置，以便相关部门做出快速准确的反应。 我国有害气体检测报警仪器的研究、开发和生产的进展状况，大致分为三个阶段【l u ： 第一阶段，6 0 年代初到7 0 年代初，我国气体分析仪器的生产厂家开始建立并进入仪器 的仿制及自主开发时期，第一批试制开发的仪器就有热导式气体分析器、磁氧仪、电 化学气体分析器等，并在催化燃烧式敏感元件技术上取得了突破。但由于仪表专用材 料、元件的缺陷和加工工艺不完善，在仪器的可靠性和稳定性等方面都存在较为明显 的缺陷。第二阶段，8 0 年代初到9 0 年代中期，国外先进技术及设备的引进和开发，国 内已有一批专业技术人员，并开发出有自主知识产权的产品，大大促进了有害气体检 测报警仪器的推广应用。第三阶段，9 0 年代中期以后，我国把对有害气检测报警仪器 列入了科技发展规划，使该产品的开发和生产进入了较快的发展阶段，产品的质量和 产量都有了很大的提高，逐步取代了进口产品。气体检测报警系统被广泛应用于各个 领域【12 1 ，如石油化工企业、石油运输管线、城市自来水地下管线、锅炉炉管、发动机 箱体、缸盖等。泄露检测技术在管道检测中的应用得到了很好的发展。 在气体检测中，根据检测方式不同可分成主动检测和被动检测。主动检测是将要 进行检测的气体吸入某个封闭空间，通过一些物理、化学方法对气体的内部成分进行 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 置曼量曼曼曼曼皇曼皇曼皇曼量曼曼量曼皇皇曼量皇皇量皇曼邑曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍葛曼曼曼。 = mmm= - 昌= m = m =：= l 曼皇曼皇量量罾皇皇量曼 分析、检测，主要有光谱分析法、气相检测法等。被动检测方法是一种检测元件被动 地与气体进行接触，并发生物理、化学反应，输出电信号。在实际工业环境中，最常 见的检测方法还是被动检测方法，即利用气体传感器进行气体泄漏检测与报警。市场 上出现的气体报警仪器根据检测对象分为可燃气体检测报警仪、有毒气体检测报警仪、 氧气报警仪三大类；从检测原理上分为半导体式、催化燃烧式、熟导式、光谱吸收、p d i 式( 光离子化) 等；从结构和方法上分为袖珍式、便携式和固定式三类。 目前，全世界气体报警仪生产企业有上百家，产品规格有几百种，比较有名的外 国企业有德国德尔格、日本新宇宙、日本理研、法国奥德姆、英国d e t t r o i c s 、美国 g a s t e n t 、美国华瑞公司等。对于危险化学品的检测装置，目前市场上如美国华瑞公 司( r a e ) 已有针对液化石油气( l p g ) 、液化天然气( l n g ) 等易燃易爆或有毒气体的传感 器及其检测装置，但该类变送器多为便携式或固定式仪表，主要用于室内室外单点、 定点监测，并且其体积较大，抗干扰能力较差，无法长时间在恶劣环境下工作。而专 门针对罐箱、槽罐车等危险化学品运输过程中的泄漏检测装置，目前尚未有报道。 1 4主要研究内容 本文设计了一种基于d s p 高性能嵌入式微处理器的铁路槽罐车危化品运输状 态实时监控系统。文中介绍了系统的总体方案设计，提出了嵌入式系统开发的原理及 设计方法，着重讲解了以t i 公司3 2 位嵌入式微处理器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心的软硬件 设计方案，以及针对气体传感器采集数据的温湿度补偿及处理方法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章系统主c p u 的选型分析 2 1系统需求分析 本论文要设计的是一种可以用于车载模式的可燃气体检测装置，能够检测c 2 h s o h ( 酒精) 气体的可燃气体检测仪。 具体技术指标如下： 应用范围：铁路槽罐车运输过程中的c z h s o h 检测； 检测对象：c 2 h 5 0 h ； 检测范围：5 0 0 p p m 5 0 0 0 p p m ； 检测精度：优于5 0 0 p p m ； 报警浓度：c 2 h s o h 达到l0 0 0 p p m ； 响应时间：马0 m s ； 工作温度范围：2 0 + 7 0 ； 工作湿度范围：1 0 9 5 r h 。 根据气体信号的特点，采集与数据处理单元主要功能包括： 1 ) 单元具有性能较高的处理器，其运算速度和处理精度高，并且处理数据量大。 除能完成数据采集存储，还要能够完成滤波和温湿度补偿等数字信号处理方 法。 2 ) 可以同时对两路气体信号进行采集。 3 ) 能实现数据采集系统与上位机之间的无线数据传输。 4 ) 系统可以连接其他单元构成内部网络。 5 ) 简单易于安装，维护方便。 2 2t m s 3 2 0 f 2 8 12 特点介绍 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是t i 公司最近推出c z x x x 系列的新产品，是目前国际市场上较为 先进、功能强大的3 2 位定点d s p 芯片。它具有数据信号处理能力，又具有强大的事 件管理能力和嵌入式控制功能，特别适用于大批量数据处理的测控场合。图2 1 为 要要耋鎏銮耋至圭竺至兰耋筌鎏兰薹：至 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的功能框图。 图21t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 功能框图 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 不仅具有以前c z x x x 系列的特点，而且还增加了一些特性，其主 要性能特点如下： 1 ) 高性能静态c m o s 技术 3 - 作频率1 5 0 m h z ( 时钟周期6 6 7 n s ) 低功耗( 核心电压18 v ，f o 口电压3 3 f l a s h 编程电压33 v 2 ) 高性能的3 2 位中央处理器( t m s 3 2 0 c 2 8 x ) 1 6 位+ 1 6 位和3 2 位+ 3 2 位的乘累加操作 两个1 6 位 1 6 位的乘累加操作 哈佛总线结构 代码高效( 用c 佗抖或者汇编语言) n 一| i i | 自- 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 与t m s 3 2 0 f 2 4 x l f 2 4 0 x 处理器的源代码兼容 3 ) 片内存储器 8 k * 1 6 位的f l a s h 存储器 1 k * 1 6 位的o t p 型只读存储器 l 0 和l 1 ：两块4 k 木1 6 位的单口随机存储器( s a r a m ) h o ：一块8 k * 1 6 位的单口随机存储器 m 0 和m 1 ：两块1 k * 1 6 位的单口随机存储器 4 ) 根只读存储器( b o o t r o m ) 4 k * 16 位 带有软件的b o o t 模式 标准的数学表 5 ) 外部存储器接口( 仅t m s 3 2 0 f 2 8 12 具有) 有多达1 m 字的存储空间 可编程等待状态 可编程读写选通计数器 三个独立的片选端子 6 ) 时钟与系统控制 支持动态改变锁相环的频率 片内自带振荡器 看门狗定时器模块 7 ) 外部中断扩展( p i e ) 模块 可支持9 6 个外部中断( 当前只使用了4 5 个中断) 3 个3 2 位的c p u 定时器 8 ) 电机控制外围设备 两个事件管理器( e v a ，e v l 3 ) 与c 2 4 0 x 系列兼容的器件 9 ) 串l z l 外围设备 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 串行外围接口( s p i ) 两个串行通信接r 3 ( s ci ) ，标准的u a r t 改进的局域网络( e c a n ) 多通道缓冲串行接i z i ( m c b s p ) 和串行外围接口模式 l o ) 1 2 位的a d ，1 6 通道 2 * 8 通道的输入多路选择器 两个采样保持器 单路转换的时间为8 0 n s 1 1 ) 最多有5 6 个独立的可编程、多用途通用输入输出( g p i o ) 引脚 2 3 主c p u 选用t m s 3 2 0 f 2 8 12 的理由 综合考虑各方面的要求，结合t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的特点，选用该芯片作为系统气体， 温湿度数据采集与处理的主c p u ，具体通过与t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 比较说明如下： 1 ) 由于处理数据的量大，要求c p u 的处理速度很高，而且要有足够大的内存。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的工作主频为3 0 m h z ，单周期指令执行的时间为3 3 n s ，内部自带的 r a m 最大为3 5 k 字，而t m s 3 2 0 f 2 81 2 的工作主频为1 5 0 m h z ，单周期指令执行时间 为6 6 7 n s ，内部自带的1 8 k 字，可以看出相对于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 更能 胜任复杂的大量的数据处理运算。 2 ) 为了提高系统中气体数据采集精度，a d 采样精度至少为1 2 位，而且系统中 两路气体传感器为了达到互相关性计算，应同时采样。并且考虑到板卡便于安装以及 以及系统设计简便性，所以采用嵌入式a f t ) 完成模数转换的功能。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 内 部a d 转换器模拟量输入通道数为1 6 个，具有两个采样保持器，可以实现两路信号的 同时采样，但是其转换精度为1 0 位，不适合气体信号采样精度的要求，而t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的转换精度为1 2 位，具有两个采样保持器，不仅可以实现两路信号的同时采样，而且 精度也符合采样的要求。 3 ) 高的采样速率需要有足够的空间来存储采样数据，这就要求c p u 外扩的存储 空间尽量的大。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 总共可以扩展1 9 2 k 字的空间，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 有一个 单独的外部存储器接口( x i n t f ) 可以扩展1 0 5 6 k 字的空间，而且可以进行独立寻址。 此外，x i n t f 接口的5 个固定存储区的每一个区还可以分别对等待状态数、读写选通 信号的建立时间、激活时间和保持时间进行编程，方便了系统的设计。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 综合上述，气体信号的采集单元，以及温湿度补偿拟合计算单元选择t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为主c p u ，同时采用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 内嵌a d 完成模数转换任务。 2 4 本章小结 本章分析了气体信号采集单元与温湿度补偿拟合计算单元的功能需求，介绍了 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的功能特点，给出了选择t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为主c p u 的理由。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 第3 章单元总体方案设计 本章在进行方案设计之前，先介绍了下常见有害气体泄漏扩散模型，在原理基 础上进行了系统安装位置设计，再根据系统需求分析与气体传感器的作用原理进行了 总体方案的设计。 3 1安装位置设计原理 由于有害气体可能的泄漏与扩散机理很多，扩散过程中的一些现象和规律还没有 被人们很好理解，因此在做有害气体扩散方式分析时，主要选择一些常见及较成熟的 模型来参考1 1 5 1 。这里根据泄漏毒气密度与空气密度进行比较，将泄漏扩散分为高速云 羽扩散、重气云扩散和非重气云扩散。铁路罐车运输的危险化学品，大部分是液化石 油气( l i q u i f i e dp e t r o l e u mg a s ，l p g ) 、液化天然气( l i q u i f i e dn a t u r a lg a s ，l n g ) 、液氯、 甲苯、二甲苯、酒精等。其分子量平均大于空气分子量2 8 ，如l p g 平均分子量大于 4 4 ，酒精分子量为4 6 在大多数事故泄漏情形下，有害气体泄漏写成的气云是重气云， 重气云密度显著大于环境空气密度。根据【2 6 】中重气云扩散模型的分析，可见图3 1 ，罐 车周围处于致死区，风速越大，区域面积越大，从下风向受影响距离来看，风速越大， 受影响距离越远，而横向风距离减小显著。 下图3 1 中最内层区域即为致死区，浓度最大，在此范围内检测，有利于提高气体 泄漏状况监测的精度，并根据重气扩散特点，将测试点置于下风处，由于风速大时， 横向风距离小，因此将检测点测定于车后部，如下图3 2 所示。又罐车罐顶有一操作箱， 是维修人员进出罐内检修入口和加压进气口；罐底操作箱是装卸料的材料( 气体) 进 出口。在运输过程中，如果保持罐体完整情况下，各阀门是危险化学品泄漏的主要部 位【2 7 】。 根据泄漏扩散方式和易泄漏位置的分析，设定的三个安装点，安装点1 主要监测 罐顶操作箱阀体及周边罐体安全状况，安装点2 和安装点3 在监测侧面罐体的同时， 兼顾罐底操作箱，这样，三个安装点可以涵盖罐车全部区域，使气体泄漏状况监测最 为全面、有效。 耍耍茎翌銮：璧三旦薹兰：竺耋三鐾：茎 ( 的风谜为25 m s 时定点浓度变化( b ) 风速为35 r n s 时定点浓度变化 圈3 1 重气云扩散模型分析 图3 2 实验测点分布示意圈 3 2气体传感器介绍及工作原理 3 21 气体传感器分类 气体传感器是化学传感器的一个大的门类。从它们的工作原理到测量技术，从所 用材料到制造工艺，从检测对象到应用领域，都可以构成独立的分类标准，衍生出一 个个纷繁庞杂的分类体系，尤其在分类标准的问题上目前还没有统一，要对其进行严 格的系统分类难度颇大。通常以气敏特性来分类，主要可分为：半导体型气体传感器， 电化学型气体窗前，光化学型气体传感器，高分子气体传感器等。以下就目前技术上 比较成熟、应用比较广泛的几类气体传感器的工作原理和制造工艺进行介绍。如表31 所示。 本设计中采用的传感器为日本f i g a r o 公司t g s 8 2 2 传感器，属于金属氧化物传感 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 器，它主要用于乙醇有机溶液蒸汽的检测，长期稳定性优良，寿命长、成本低，以简 单电路即可使用，并且体积小巧，易于固定或可携带安全应用所设计的气体传感器。 下面对此气体传感器进行介绍。 表3 1 气体传感器分类 传感器类型工作原理制造工艺实用性优点缺点 m o s 型 电导变化 微电子 多种商品便宜，微电子工 工作温度较高，不 艺能室温工作 c p 型 电导变化微电子，电定做商品室温工艺，微电对湿气敏感性较 镀，丝网印刷子工艺 高 q c m 型 压电性丝网印刷，线几种商品技术成熟m e m s 工艺接口 键合，m e m s电路 s a w 型压电性微电子，丝网几种商品差动器件，十分接口电路 印刷灵敏 m o s f e t 型电容性，电荷耦合微电子专门定做单片集成电路气味反应物要透 过栅 光纤型荧光，化学反应浸涂，m e m s研究抗电噪声能力受光源限制 强 注：m o s 为金属氧化物传感器；c p 为导电聚合物传感器；q c m 为石英晶体谐振 传感器；s a w 为声表面波传感器；m o s e f t 为金属氧化物半导体场效应管传感器。 3 2 2 气体传感器t g s 8 2 2 工作原理 半导体气体传感器是采用金属氧化物或金属一金属氧化物材料做成的元件，与气 体相互作用时产生表面吸附或反应，引起以载流子运动为特征的电导率或伏安特性或 表面点位变化。这些都是由材料的半导体性质决定的。 自从1 9 6 2 年半导体金属氧化物陶瓷气体传感器问世以来，半导体气体传感器已经 成为当前应用最普遍、最具有实用价值的一类气体传感器，根据其气敏机制可分为电 阻式和非电阻式两种。 电阻式半导体气体传感器主要是指半导体金属氧化物陶瓷气体传感器，是一种用 金属氧化物薄膜( 例如s n 0 2 ，z n o ，f e 2 0 3 ，t i 0 2 ，w 0 3 等) 制成的阻抗器件，其电阻随着 气体含量不同而变化。气味分子在薄膜表面进行还原反应以引起传感器传导率的变化。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 为了消除气味分子还必须发生一次氧化反应。传感器内的加热器有助于氧化反应进程。 它具有成本低廉，制造简单，灵敏度高，响应速度快，寿命长，对湿度敏感低和电路 简单等优点。 t g s 8 2 2 传感器是利用金属氧化物s n o z 作为反应物的电阻式半导体气体传感器。 当s n 0 2 被加热到一定程度时，氧气与负电荷相结合被吸收到晶体的表面。于是气体传 感器警惕表面的电子被转移到吸收的氧气附近以至晶体表面呈一定的正电压，而形 成的正电压又对正在转移的电子流产生了潜在的阻碍，如图3 3 ( a ) 所示。在传感器 内部，电子流通过s n 0 2 晶体相连的地方。在晶体边界上被吸收的氧气形成了潜在电压 阻挡了电子流自由移动。由于氧气的存在，电子在晶体表面的浓度下降，因此阻碍电 压又下降，而阻碍电压的降低又使传感器的阻值降低，如图3 3 ( b ) 。 蕊麓蕾 r e o u e t n g 驷s 滋 野心上多 e v s h t h ep r e s e n c ec r e d u c i n gg a s 、i 、巴b e l e o t r o o ( a ) 传感嚣阻碍电压形成模型 e l e t l a r o r l b ) 阻碍电压的f 降模型 图33t g s 8 2 2 工作原理 圈3 , 4 t g 8 8 2 2 实物豳 3 23t g s 8 2 2 传感器的具体操作流程 ) 将传感器储存在有干净空气的密封盒子里。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 曼皇曼曼曼鼍鼍 i i immm。mm o 曼曼 2 ) 传感器最少的预热时间是2 天。但是强烈建议7 天或是更多的预热时间。并且 预热时要在干净的空气中进行。 3 ) p c b 板组装，在传感器被安装之前进行干燥。 4 ) 人工安装传感器。 5 ) p c b 板预热，最少时间2 小时，但是建议1 天或更长。并且预热时要在干净的 空气中进行。 6 ) 用已知浓度的气体进行校准。注意保持外界环境( 温度和湿度) 的稳定。移除 气室旁边的其他气体。及烟、黏合剂和溶剂等。 7 ) 最后组装。注意避免工具产生的振动和晃动。 8 ) 最后预热。最少时间2 小时，但是建议l 天或更长。并且预热时要在干净的空 气中进行。 9 ) 根据用户自己定义的标准( 通常由具体工作情况而定) 进行气体测试，并保持 气室外界环境稳定。 1 0 ) 在气体测试完之后再次进行校准。预热时间是在气体测试完到这次校验的时 间的两倍。校验次数不能超过四次。 1 1 ) 保存最后完成的传感器。注意要存储在干净的空气中。 3 2 4t g s 8 2 2 基本测试回路 下图3 5 为t g s 8 2 2 基本测试回路，此传感器需要施加2 个电压：加热器电压( ) 和回路电压( v c ) 。这个v h 用于维持敏感素子处于与对象气体相适应的特定温度而施 加在集成的加热器上。v c 则是用于测定与传感器串联的负载电阻( r l ) 上的两端电压 ( v r l ) 。这种传感器具有极性，所以v c 需用直流电源。只要能满足传感器的电性要 求，v c 和v h 可以共用同一个电源电路。为了将判定值水平最佳化，并使敏感素子的 功耗( p s ) 低于1 5 m w 的限度值，需要选择r l 的值。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 膏 g n d 图3 5t g s 8 2 2 基本测试回路 其中加热电压v h 为5 0 v + 0 2 v d c a c ，回路测试电压v c 加在传感器敏感电阻上， 传感器两极间的敏感电阻黜与负载匹配电阻r l 串联。传感器信号的变化，由乳两端 的电压变化来间接检测，其测试公式如下： 耻訾托 ( 3 - 。) 3 3温湿度传感器介绍及温湿度补偿原理 3 3 1 温湿度传感器d h t 9 1 介绍 d h t 9 x 系列产品是利用s h t l x 传感器，重新在国内封装得到，s h t l x 系列单片 集成传感器是s e n s i r i o n 公司最近推出的一种可以同时测量湿度、温度和露点的传感器， 不需外围元件直接输出经过标定了的相对湿度、温度及露点的数字信号，可以有效解决 传统温、湿度传感器的不足。s t h l x 系列单片集成传感器是利用c m o s e n s t m 技术制 造的，如图3 6 所示。图3 7 为d h t 9 1 外观图。 图3 6d h t 9 1 结构功能框图 g t 曩) v d o 要雪三鎏銮耋罂老至蜜兰兰堡耋三兰：! 要 图3 7 d i t t g l 外观圈 内部集成了湿度敏感元件和温度敏感元件、放大器、一个1 4b 的a d 转换器、 标定数据存储器以及数字总线接口以及稳压电路。由于温度传感嚣和湿度传感器在硅 片上是紧靠在一起，可以精确地测定露点，不会因为两者之间的温度差而引入误差直 接通过a d 转换成为数字量，有效地减少了模拟传输中的干扰；根据是存放在芯片上 o t p 存储器中的标定系数，输出是经过标定的数字信号，玎以确保传感嚣的性能指标 一致性、稳定性好、成本低、使用方便。 传感器的封装形式为4 脚单线封装，引脚如下：is c k 串行时钟输入：2 n d d2 4 55 v 电源端；3 g n d 接地端；4d a t a 双向串行数据线。传感器测量精度高：湿度的 精度为土35 ，温度的精度为士05 。c 。 d h t 9 1 传感器送出的温度、湿度数据必须经过下列公式转换才能表示实际的湿度 和温度： 疋2d l + d 2 + 气 ( 3 2 ) r h = cl + c l 。h 。? + c 3 h k 心m = ( t 一2 5 ) + ( t 】+ t 2 + 圩。) + 肼 ( 3 - 3 ) ( 3 - 4 ) 其中d l 、d 2 和温度分辨率有关，c 1 、c 2 、c 3 、t l 、t 2 和湿度的分辨率有关，其对 关系如表3 2 和表3 3 所示。 表3 2 温度校正系数 立l 亘l 1 4b ( 5 v ) 00 0 l 1 2b ( 5 v ) 一4 000 4 表3 3 湿度梗正系数 1 2b- 400 4 05 2 1 0 。00 1 00 0 00 8 1 ：! q ：垒! q ：z ：! ! ! ：! ：q 19 ：塑! ：! 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 d h t 传感器采用s c k ，d a t a 进行通信。当一个s c k 高电平时，d a t a 出现低电 平，然后s c k 变为低电平，接着当s c k 高电平时d a t a 变为高电平则表示开始数据 读写( 启动序y u ) ，如图3 8 和图3 9 所示。然后是3 b 的地址+ 5 b 的命令，然后在s c k 继续发送一个周期的时钟表示a c k ，这时传感器开始测量，1 1 5 5 2 1 0 m s ( 分别对应 8 1 2 1 4 位精度) 后，传感器在d a t a 上送出低电平表示测量结束，然后送出测量数据和 校验和。为保证测量的可靠，应核对校验