（信号与信息处理专业论文）气体分析仪电路系统设计.pdf

中文摘要 论文题目： 专 业： 硕士生： 指导教师： 气体分析仪电路系统设计 信号与信息处 何博( 签名) 张家田( 签名) 王武义( 签名) 摘要 煤矿中含有大量的c h 4 ( 甲烷) 及c 0 ( 一氧化碳) 等易燃易爆有毒有害气体，极易发生 事故，在煤矿生产的过程中时刻威胁着矿工的生命。开发一种低功耗、便携式的智能气 体分析仪来保证煤矿安全生产就显得尤为重要。 本文基于仪器工作环境的特殊要求，设计了以m s p 4 3 0 低功耗单片机为核心的气体 分析仪系统。该系统硬件部分主要包括供给系统各部分工作的电源模块、完成模拟量到 数字量转化的高精度多通道a d 转换器、按键输入电路、实时时钟、数据存储单元、报 警电路、串口通信、液晶显示等。软件部分采用模块化的设计思想，使系统具有较强的 扩展性，主要包括数据测量模块、数据处理模块、报警模块、显示模块、数据存储模块、 通信模块等。 本气体分析仪还可通过r s 2 3 2 协议将数据传输到计算机，计算机可完成对煤矿环境 气体浓度和温度信息的实时和历史曲线显示等功能。同时，考虑各种干扰源对系统运行 的不利影响，从硬件、软件等方面采取了抗干扰措施。 本人在论文中主要完成了系统硬件原理图及p c b 版的设计、单片机软件程序、后台 程序的编制以及部分电路的调试等工作。 关键词：4 3 0 单片机高精度低功耗 论文类型：应用研究 n s u b j e c t ： s p e c i a l i t y ： n a m e ： t h e c i r c u i t r ys y s t e md e s i g ng a sa n a l y z e r s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g h eb o i n s t r u c t o r ： z h a n g w a n g a b s t r a c t c o a lm i n ec o n t a i n sal a r g en u m b e ro f c l - h ( m e t h a n e ) a n dc o ( c a r b o nm o n o x i d e ) a n d o t h e rc o m b u s t i b l ep o i s o n o u sg a s ，w h i c hp r o n et oa c c i d e n t si nc o a lm i n ep r o d u c t i o ni n l e c o l l r s eo ft i m et h r e a t e n i n gt h el i v e so fm i n e r s i ti s p a r t i c u l a r l yi m p o r t a n tt od e v e l o pa l o w p 0 惯a n dp o r t a b l ei n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t st oe n s u r ec o a lm i n es a f e t yp r o d u c t j o n jl l i sp a p e r , b a s e du p o ns p e c i a lr e q u i r e m e n to fw o r k e n v i r o n m e n t , d e s i g n sag a sa n a l y s i s i n s t r u m e n tw i t hm s p 4 3 0l o w - p o w e r s i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e r t h eh a r d w a r eo ft l l i ss v s t e m n s i s t so fs e n s o rt oa c q u i r ea n da d j u s t g a sd e n s i t y , h i g h a c c u r a c ya n dm u l t i c h 猢e 1a d c o n v e r t e rt oc o n v e r ta n a l o gs i g n a l st od i g i t a ls i g n a l s ，k e y p r e s si n p u t ，r e a lt i m ec 】0 c kd a t a l o c a t i o n ，a l a r mc i r c u i t s o f t w a r ep a r t sw i t ht h em o d u l a rd e s i g ns c h e m ec a nb ew r e l le x t e n d a b i e i tc o n t a i n sm e a s u r em o d u l e ，d i s p l a ym o d u l e ，d a t ap r o c e s s i n gm o d u l e ，d a t am e m o r y m o d u l e c o m m u n i c a t i o nm o d u l e t h eg a sa n a l y z e rc a na l s or s 2 3 2 a g r e e m e n tw i l lb et r a n s f e r r e dt oc o m p u t e rd a t 丸t l l e c o m p u t e rc a nb ec o m p l e t e do i lc o a lm i n eg a sc o n c e n t r a t i o na n dt e m p e r a t u r ee n v i r o n m e n to f r e a l t i m ea n dh i s t o r i c a li n f o r m a t i o nc u r v es h o w s ，a n do t h e rf u n c t i o n s a t 也es 锄e t i m e c o n s i d e ra l lt h ei n t e r f e r e n c es o u r c eo ft h en e g a t i v ei m p a c to fo p e r a t i n gs y s t e m s ，h a r d w 锄e ， s o f t w a r ea n ds oo nt ot a k et h ea n t i - j a m m i n gm e a s u r e s ic o m p l e t e dat h e s i si nt h em a j o rh a r d w a r es c h e m a t i c sa n dp c b v e r s i o no ft h ed e s i 阻， s c ms o f t w a r ep r o g r a m ，p r o c e d u r e sf o rt h ep r e p a r a t i o no f b a c k g r o u n da n dp a r to fn l ec i r c u i t d e b u g g i n ga n ds oo n k e y w o r d s ：4 3 0m c u ，h i g h p r e c i s i o n ，l o w p o w e r t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y n i 学位论文创新性声明 本人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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：垣道 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名： 导师签名： e i 菇j - 丝塑左丝 日期：2 ：型! 叁，l ， 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 菱 第一章绪论 第一章绪论 气体分析在环境保护、化工控制、家用报警、食品保鲜、航空航天和公安海关等领 域有着重要意义。国外从3 0 年代起开始研究开发气体传感器，主要用于厂矿和家庭的煤 气、液化石油气、天然气、以及瓦斯等有害气体的检测和报警，并取得很大的成绩。进 入9 0 年代以来，随着科学技术的发展和工业规模逐渐扩大，在生产中使用的气体原料和 生产过程中产生的气体种类和数量也不断提高，尤其是石油、化工、煤矿、汽车等工业 的飞速发展，致使大气污染日益严重。 目前我国是世界上最大的煤炭生产和消费国之一，也是世界上少数几个以煤为主要 能源的国家之一。煤矿中含有大量的c o ( 一氧化碳) 及c h 4 ( 甲烷) 等易燃易爆气体，发生 事故后会造成巨大的经济损失，甚至危及矿工的生命。瓦斯事故特别是重、特大瓦斯事 故在煤矿事故中所占的比例越来越高；因此不把瓦斯事故控制住，就不能实现煤矿安全 生产状况的好转。所以，对煤矿井下气体进行快速准确的检测显得尤其重要。由于气体 分析仪能够实时检测气体成分及含量，对气体分析仪的开发和研究成为人们关注的问题。 1 1 气体分析仪系统概述 气体分析系统是能够检测被测环境中待测气体的成分及浓度，并具有实时显示气体 浓度和超限报警功能的系统。一个完整的气体分析仪电路系统一般由以下几个部分组成： 气体传感器，能够将环境中某种气体及其浓度的信息转换成电信号的一种装置或器件； 温度传感器，测量所测环境的温度，对气体传感器进行温度补偿；微控制器，对传感器 测得的数据进行数据处理和控制外围模块进行相应的功能实现；显示模块，对待测气体 的成分和浓度进行实时显示；声光报警器，当待测气体浓度超出设定的报警值时，气体 分析系统给出声光报警提示工作人员【l 】；其他的系统技术参数还有存储数据性能、传输 数据性能及使用寿命和可靠性等。 气体传感器是气体分析系统的关键部分，气体传感器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，所以在 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较大。 通常就其原理可以分为以下几大类：电学类气体传感器、光学类气体传感器、电化学 类气体传感器、高分子材料类气体传感器等【2 】。 一电学类气体传感器是利用材料的电学参量随气体浓度的变化而改变的特性制作的气 体传感器。这类气体传感器又可分为电阻式和非电阻式两大类，其中电阻式气体传感器 主要有接触燃烧式、热导式、半导体气体传感器等，而非电阻式气体传感器则通常是利 用材料的电流或电压随气体含量变化的特点而制成的传感器，主要包括m o s 二极管式、 结型二极管式和场效应管式等。 两安石油人学硕：l ：学位论文 其中半导体气体传感器已成为世界上产量最大、应用最广的传感器之一。电阻式半 导体气敏元件是利用金属氧化物，如s n 0 2 ，z n o ，f e 2 0 3 t i 0 2 ，w 0 3 等与气体接触引起半导 体性质发生变化而测量气体的，它对气味和气体( 尤其是可燃性气体和某些有毒气体) 具 有较高的灵敏度，具有制作简单、成本低廉、响应速度快等优点，但也存在着对气味 气体选择性差、元件参数分散、使用时需加热、易中毒等缺点。 另一类半导体气体传感器是m o s 二极管式和结型二极管式以及场效应管式的非电 阻气体传感器。其电流或电压随着气体含量而变化，主要用于检测氢和硅烷气等可燃性 气体，其主要优点是灵敏度高，但制作工艺比较复杂，成本高。 光学类气体传感器是利用气体的光学特性来检测气体成分和浓度的传感器，根据具 体的光学原理可分为红外吸收式、可见光吸收光度式、光干涉式、化学发光式和试纸光 电光度式、光离子化式等气体传感器。 其中以红外吸收式气体分析仪为主，由于不同气体的红外吸收峰不同，通过测量和 分析红外吸收峰来检测气体。目前的最新动向是研制开发流体切换式、流程直接测定式 和傅立叶变换式在线红外分析仪。该传感器具有高抗振能力和抗污染能力，与计算机相 结合，能连续测试分析气体，具有自动校正、自动运行的功能。光学式气体传感器主要 优点是灵敏度高，可靠性好。 电化学类气体传感器是利用电化学性质的气体传感器，该类气体传感器包括：定电位 电解式、伽伐尼电池式、固体电解质等种类的气体传感器。 电化学式气体传感器可分为原电池式，定电位电解式、电量式，离子电极式四种类 型。原电池式气体传感器通过检测电流来检测气体的浓度，市售的检测缺氧的仪器几乎 都配有这种传感器，近年来，又开发了检测酸性气体和毒性气体的原电池式传感器。定 电位式传感器是通过测量电解时流过的电流来检测气体的浓度，和原电池式不同的是， 它需要由外界施加特定电压，它除了能检测c o ，n o , n 0 2 ，0 2 ，s 0 2 等气体外，还能检测血 液中的氧浓度。电量式气体传感器是通过被测气体与电解质反应产生的电流来检测气体 的浓度。离子电极式气体传感器出现得较早，通过测量离子极化电流来检测气体的浓度。 电化学式气体传感器主要的优点是检测气体的灵敏度高，选择性好。 高分子气敏材料气体传感器主要有高分子电阻式、高分子电介质式、浓差电池式、 声表面波式、石英振子式等p 6 j 。 现行世界上发达国家用于煤矿气体分析系统气体检测的方式主要有载体催化燃烧 式、光干涉式、热导式三种【6 】。在这三种气体分析系统中，载体催化燃烧方式检测可燃 气浓度的方法因其线性和稳定性较好，以爆炸下限百分体积浓度( a l e l ) 为单位的浓度标 度方法能统一衡量各种可燃气浓度所呈现的爆炸危险度，且量程符合工业要求，故被较 多的用于爆炸危险场所可燃性气体的测量。该检测方式使用催化载体型气体传感器作浓 度的检测器，检测器敏感元件由铂丝上烧结一层陶瓷载体( 如a l 2 0 3 ) 后再涂覆催化活性物 ( r h ，p d 等) 构成。当p t 丝中通以工作电流使之达到临界反应温度( 3 2 0 c 3 5 0 c ) 时，可 第一章绪论 燃气体在元件表面催化燃烧使p t 丝电阻增加，在完全燃烧且热辐射可忽略时，电阻增量 r f 与可燃气浓度c 成正比，即有r f = a 扩c q c p = k l 木c ，式中k = - - a * a * q c p ，a ，a ，q ，c p 分别为p t 电阻温度系数、催化剂性能常数、可燃气燃烧热、元件热容，故k i 是仅与元 件及可燃气种类有关的常数【7 1 。将r f 转换成电信号，即可用于检测可燃气的浓度。这 种传感器的问题是催化元件容易中毒，从而造成其使用寿命短、稳定性差【s 】。 光干涉式气体分析系统是利用了光的干涉原理实现对待测气体浓度的测量。比较典 型的产品有矿用光干涉型c h 4 气体检测仪，它是利用不同种类、不同浓度的气体对光的 折射率不同这一性质，针对c h 4 气体设计适当的光路系统，把c h 4 气体浓度的变化转换 成光的干涉条纹的位置变化。具体地说，就是采用一个光源，经过适当的光学设计，使 其分解为两列光波，一路通过标准空气室，另一路穿过采样气室后在某处相遇，此时由 于满足光的相干条件，从而产生干涉条纹。把两气室都充有空气时的干涉条纹作为初始 位置，当c h 4 气体充入采样室后，由于光程差的结果，干涉条纹会相对于原位置移动一 段距离，并且这个距离将随c h 4 气体浓度的不同而产生相应的变化。因此只要测量该位 移量，就可以获得c l - h 在空气中的含量1 9 l 。该测量仪测量范围大，使用寿命长，但仪器 设备大，价格高，测量不直观，而且无法与监控系统连接，因此在煤矿中的使用量逐年 减少。 热导式气体分析系统是利用热导式气敏材料对不同可燃性气体的导热系数与空气的 差异，实现对气体的检测【1 0 1 。热传导式气体检测仪的结构是将待测气体送入气室，气室 中有热敏元件如热敏电阻、铂丝或钨丝，对热敏元件加热到一定温度，当待测气体的导 热系数较高时，将使热量更容易从热敏元件上散发，使其电阻值减小，通过惠斯登电桥 测量这一阻值变化可得到被测气体的浓度值。 气体传感器除了对被测气体敏感外，一般都还受到其它气体的影响，即有所谓交叉 灵敏度，这对于传感器的选择性和测量精度是不利的【i ，并且是长期困扰气体传感器性 能水平的主要问题。为此，人们进行了大量研究，目前采用传感器阵列结合各种人工智 能算法受到普遍的重视。气体传感器阵列不仅能够对多种气体进行检测，而且在多种气 体同时存在的情况下能够实现对各种气体成分的鉴别【l2 l 。所以本气体分析系统采用气体 传感器阵列测量前端信号结合模式识别技术进行气体的浓度测量。 1 2 气体分析仪国内外现状 ，现今市场上的气体分析仪从仪器结构和检测方式上可分为袖珍式、便携式和固定式。 袖珍式仪器用于在危险环境中的工作人员随身携带，环境中某种气体超限报警提醒工作 人员：便携式仪器用于工作人员定期安全检查；固定式仪器用于气体生产和储存场所的 实时和在线监控。根据检测对象可分为可燃性气体检测仪、毒性气体检测仪和氧气检测 仪等。 两安石油大学硕二i ：学位论文 随着气体传感器生产工艺水平的提高，使气体传感器集成度不断提高，气体分析仪 越做越小。这方面的技术主要包括，一是在传感器生产中将对不同气体敏感的气体传感 器制作在一块芯片上组成传感器阵列，减少分立器件所占的体积；二是将电路设计成专用 集成电路，完成特定的检测任务【4 1 。如日本已经开发出手表大小的气体报警仪：国 d e t c o n 公司在f l i n c h 的硅片上集成了9 5 0 个h 2 s 传感器等。 随着智能技术的提高，仪器也走向智能化。仪器智能化即在气体传感器中嵌入微处 理器，使仪器具有自动校准和故障显示功能。在软件设计上基于模糊理论和人工神经网 络，实现对气体种类的识别和浓度的计算，最典型的是目前国内外已研制成功的利用电 子鼻技术的智能气体传感系统【1 3 , 1 4 】。 电子鼻是由多个性能彼此重叠的气体传感器和适当的模式分类方法组成的具有识别 单一和复杂气体能力的仪器，它融合了传感器技术、信息处理技术、计算机技术和计算 数学理论，是一门综合性极强的技术 1 5 , 1 6 1 。从1 9 6 4 年首次提出电子鼻以来，到1 9 8 4 年， 美国的z a r o m b 和s t e t t e r 提出将多个气体传感器组成传感器阵列，测量气体的种类和组 成。这一思想被广泛接受，并迅速在多个领域成功应用。美、英、德、法等国都已研制 成不同种类的商品化电子鼻；美国传感技术有限公司i s t 生产的i q l 0 0 0 型万能气体探 测器可检测超过1 0 0 种的有毒或可燃性气体。我国的电子鼻技术还处在实验室阶段，李 权龙等( 1 9 9 6 ) 使用十一个不同型号的金属氧化物气体传感器组成气体传感器阵列，采用 主成份分析法( p c a ) 和偏最小二乘回归方法( p l s ) ，可以识别甲烷、乙烷、丙烷和丙烯 四种气体；余皓等( 2 0 0 2 ) 通过c 5 l 单片机及外围检测电路研制成新型多路可燃气体检测 的电子鼻。现在，传感器的研究也由一点参数测量发展到从一维、二维、三维甚至四维 来考虑，成功地研制出二维图像传感器。t h o m a s j k u l p 利用红外气流成像显示气流空间 分布，采用c 0 2 激光器扫描成像仪能探测在9 - l i r a 范围内产生吸收的7 0 多种不同气体。 科学技术的进步推动了仪器多功能化发展，仪器多功能化是指气体检测仪器能进行 多组参数测试，多种气体检测。如将不同类型的传感器集成在一块芯片上，可同时测试 气体的浓度、压力、温度和流速等，从而更全面地反映被测气体所在的特定环境的特性。 未来气体分析仪器发展的趋势将是能用一种仪器检测多种不同气体。如光离子化检 测仪可检测大部分的挥发性有机物( v o c ) ，美国传感技术有限公司( i s t ) 生产的能检测 1 0 0 种气体成份的便携式万能气体分析仪器是气体分析仪器发展方向的代表。 1 3 开发气体分析仪的现实意义 由于工业的高速发展对能够适应现场和在线分析检测的仪器需求量大大增加，要求 分析仪器适应现场复杂甚至恶劣环境，实现快速、准确，能遥控遥测的分析检测任务。 分析检测仪要对试样的物理形态( 汽、液、固态或凝胶、粉末、活体生物组织) 或化学构 成( 单组分、多组分、聚合物) 有很好的适应性；仪器要有足够高的检测精度、分辨率、 4 第一章绪论 选择性，并能在严酷现场或在线环境下长时间保持稳定，能快速获得分析数据，可实现 数据实时处理、传输或交换；能完成多路、多组分同时检测，具有高分析效率：仪器系 统具有分散或集中控制网络功能，甚至具有远程联网能力，以便实现远距监控；为便于 野外无人长时期自动检测，必须具有坚固、抗腐蚀、可使用电池组工作等特性。 在日常生活中，由于物质水平不断提高，煤气、液化石油气作为家庭燃料迅速普及。 这些气体燃料在使用中，由于管道煤气泄漏、灶具不合格、燃气热水器使用不当或质量 变坏导致不完全燃烧而造成c o 中毒等灾害事故是十分严重的，轻者引起中毒，重者造 成火灾，危及人们的生命、财产安全。 由于上述原因，对于气体的检测与控制就很重要了，由于需要检测的气体种类繁多， 它们的性质也各不相同，所以不可能用一种方法来检测所有气体。对气体的分析方法也 随气体的种类、成分、浓度和用途而异。因此实际检测气体时，应根据场合和环境不同， 选择比较适合现场的检测方法。 本设计是针对煤矿、油田等恶劣工业环境研制的一种抗冲击，耐腐蚀，便携式能够 实时检测环境中待测气体的成分及浓度，并具有报警功能的气体分析仪表。 煤矿生产中的安全隐患一直是困扰煤矿生产效率的主要因素，而煤矿安全隐患主要 是指有毒有害易燃气体的存在阻碍了生产的顺利进行和给环境带来的污染。有害气体主 要包括c h 4 ，c o ，s 0 2 ，n o x 等。后两种气体含量少，且易溶于水，经煤矿开采时的喷水处 理后变成酸。但是前两种气体含量多，且几乎不溶于水，属于易燃易爆气体，吸入c o 后对人体危害极大。 煤矿生产中井下的c o 多存在于采空区，密封巷道等处。c o 是一种无色、无嗅、无 味、无刺激性的气体，比重0 9 6 7 ，几乎不溶于水。当它与空气混合达到1 2 5 8 0 时具有 爆炸性，同时c o 进入人肺脏通过气体交换作用进入血液循环，与血红蛋白形成碳氧血 红蛋白。碳氧血红蛋白的形成使血液失去携氧作用，造成缺氧血症，导致组织缺氧，抑 制组织呼吸。当工作人员进入矿井时一定要随时了解c o 的浓度，保证安全生产。 甲烷( c h 4 ) 是在成煤过程中形成并大量贮存于煤层之中的气体，是煤矿井下危害最大 的气体。甲烷是一种无色、无味的气体，密度为0 7 1 6 7 k g m 3 ，对人体的危害是超限时能 引起人窒息死亡，且其有易燃、易爆等特点。甲烷的灾害主要表现为几个方面。第一、 瓦斯浓度过高，对工人身体健康的影响表现为缺氧，呼吸困难，窒息等。第二、甲烷煤 尘爆炸。瓦斯爆炸所产生的巨大冲击波和高温火焰，往往导致群伤，而且扬起的煤尘又 会参与爆炸，摧毁巷道、设备等，甚至毁灭整个矿井。第三、大量的甲烷从通风井排入 大气，污染大气环境【1 1 n 。煤矿瓦斯灾害始终是煤矿安全生产的大敌，已成为制约煤矿安 全生产的主要矛盾【l 引。因此，特殊工业环境中应用的气体分析仪器的研究就尤显其重要 意义。 两安石油火学硕：l 学位论文 1 4 题目来源及主要工作 1 4 1 题目来源 本设计是通过针对现有煤矿生产过程中安全存在的一系列问题的调查，在西安澳润 控制有限公司实习期间，与其合作共同开发针对c i h ( 甲烷) 、c o ( 一氧化碳) 混合气体进 行实时测量的低功耗、便携式气体分析仪系统的硬件部分。 1 4 2 主要工作 ( 1 ) 根据气体分析仪系统整体功能要求，设计相应的硬件及软件部分，完成系统所要 求的功能，各模块包括： l 电源模块：2 气体传感器阵列；3 温度传感器；4 调理电路；5 a d 转换器；6 时钟 模块；7 储存模块：8 报警模块；9 按键模块；1 0 液晶显示；1 1 单片机模块等。 ( 2 ) 开发上位机监控软件，使其成为气体分析仪系统应用的配套工具。 6 第二章气体分析系统设计要求及测最方法 第二章气体分析系统设计要求及测量方法 一2 1 系统设计要求 本论文设计一种能够检测c 1 - t 4 、c o 气体浓度的分析仪电路系统，其应用目标主要是 针对煤矿、油田等环境中易燃易爆有毒有害气体的检测。 2 1 1 系统功能要求 气体分析系统的主要功能： 能够实时检测c ih ( 甲烷) 、c o ( 一氧化碳) 气体并显示气体浓度及环境温度； 通过按键可设置气体报警浓度值； 当气体浓度超报警限时，进行声光报警并储存相关数据； 使用串口通信在上位机上实时显示仪器所处环境的气体浓度以及温度，并可对 所测数据进行文档保存、历史数据曲线显示、生成报表、打印等。 2 1 2 系统防爆要求 本气体分析仪系统工作环境特殊，有易燃易爆的气体，所以对其有特殊要求，如外 壳坚固、电气设备符合防爆要求等。 防爆型仪器的主要特点是有一个可靠的隔爆外壳，把可能产生火花和危险温度的传 感器、电阻电路及接线端子等放在隔爆外壳里，达到外壳内可能发生的爆炸不影响周围 易燃易爆物质。 防爆型仪器设计有以下3 点： 1 设计外壳结构 设计与原结构相适应的外壳，达到既不损害仪器使用特征又经济美观的要求；外壳 腔内有细长通道，避免内腔发生压力重叠现象；外壳材质尽量采用新型工程塑料和优质 轻合金，做到结构轻巧。 2 设计接线盒结构 防爆型仪器尽量设计带有接线盒的隔爆外壳。由于防爆型仪器具有低电压、小电流 特点，隔爆型仪器的内腔和接线盒贯通部分，可以尽量采取橡胶密封结构，使防爆型仪 器结构简单。 3 设计指示表结构 指示表可以设计在仪表的主腔室或接线盒腔室，但是透明窗面积不得大于1 0 0 c m 2 ， 透明玻璃厚度要大于8 m m ，与外壳密封可以采用橡胶密封措施。 箩? 怒5 0 0 9 p p m ：淼勰一舯呻慨o 5 0 0 0 p p m 慧始度勰o 5 0 低功耗、便携式 。 8 第二章气体分析系统设计要求及测晕方法 由图可见，气体传感器的交叉敏感特性使得气体传感器对多组份气体的测量精度降 低，然而利用单个气体传感器组成的传感器阵列结合人工神经网络技术可以对混合气体 产生高维响应模式来实现对混合气体的定性定量检测。 一 人工神经网络法是接近人类大脑思维方式的一种算法，通过大量简单的神经元广泛 地互为连接而形成复杂的网络系统，可以训练学习外部环境。在用于函数映射、函数逼 近时效果较好，对于气体分析这样的非线性分类问题，具有很强的自适应性。 目前最为成功应用的神经网络结构是前馈神经网络，它可以通过学习而掌握经验， 将“知识”或“经验”以网络神经元连接权的形式反映出来，从而对未知样本做出判别。前 馈神经网络的学习算法通常采用误差反向传播算法( b a c k p r o p a g a t i o nn n ) 【1 9 1 称b p 算法。 2 2 1 前馈神经网络i 挣i 前馈神经网络结构如图2 3 所示： 输入层跨含层输出层 x l x 2 x n y l y 2 y 图2 - 3 前馈神经网络结构 图2 3 中，x s ，叠，x 。为神经元的输入，di j 为单个神经元相应输入的权，厂为神经 元的非线性变换函数，y l ，儿，虼为神经元的输出。 整个网络由三层组成，a p ：输入层、隐含层和输出层，其中隐含层可能有多个。网络 各相邻层神经元之间互相连接而各层内神经元之间并无连接，前一层神经元的输出作为 下一层神经元的输入。整个网络的特性决定于相邻层间神经元的连接权和神经元上的阈 值。其中隐含层及输出层中单个神经元的结构如图2 4 所示。 9 两安石油大学硕上学位论文 x 1 x 2 x n y 图2 4 隐含层及输出层中单个神经元结构 在图2 _ 4 中，x i ，x 2 ，x 。为神经元的输入，q ，t 0 2 ，叱为相应输入的权，0 为神经 元的阈值，厂为神经元的非线性变化函数，y 为神经元的输出。 显然，单个神经元是一个多输入单输出系统： “= q 一0 厶一， 阿：榜叫 ( 2 - 0 ( 2 2 ) 通常，神经兀的非线性变换函数( 激励函数) 取为s 型函数，其表达式为： l 似) 2 寿( 2 - 3 ) b p 网络可看成是一个从输入到输出的高度非线性映射。对于图2 3 所示的神经网 络，设输入层有刀个神经元，其输入矢量为：x r ”，x = i x o ，_ ，x 】t ；第二层( 即 第一隐含层) 有伟个神经元，其输出为：x r _ ，x = 【而。，五。，x ，| i 一】t ；第三层( 即第二 隐含层) 有坞个神经元，其输出为：x 。足心，x 。= 【，i ，一】t ；最后输出层有脚个神 经元，其输出为：】，r ”，y = y o ，y i ，虼一。】t 。如输入层与第二层之间的连接权为q ， 阀值为嘭，第二层与第三层之间的连接权为一，阀值为良，第三层与输出层之间的连接权 为破，阀值为斫，( f = o ，l ，2 ，刀一l ；j f = o ，l ，2 ，l i l ；七= o ，l ，2 ，刀2 1 ；l = 0 ，l ，2 ，m 1 ) 那么各层神经元的输出满足： ，h - i 乃= 厂( 哇t 一所) n - i xj = f 匹魄j 1 i - 0 s ) i = o ( 2 _ 4 ) 、， 良 一 g 厶脚 ，l ， = 而 第二章气体分析系统设计要求及测量方法 其中函数o 满足式( 2 - 3 ) 。f ( u ) 中的”是用各前层输出加权求和的值。显然，b - p 网络是完成刀维空间向量对m 维空间向量的近似映照。 若近似映射函数为f ，x 为玎维空间的有界子集，f ( x ) 为m 维空间的有界子集， y = f ( x ) 可写为： f ：xcr ”ycr ” 通过尸个实际的映照对( 即输入和理想输出样本对) ( x 1 ，y 1 ) ，( x 2 ，】，2 ) ，( x 尸，) 的 i 1 1 练，其训练的目的是得到神经元之间的连接权q 。，一4 ，和阀值嘭，啡， 斫( f = o ，l ，2 ，n - i ；歹= o ，l ，2 ，l l - 1 ；七= o ，l ，2 ，- 1 ；，= o ，l ，2 ，m - 1 ) ，使其映照获 得成功。训练后得到的连接权，对于其它不属于只= l ，2 ，p 的x 子集进行测试，其结 果应仍能满足正确映照。 如果输入第只个样本对( x 毋，y e , ) ，通过一定方式训练，得到一组权形毋，形 包括 网络中所有的权和阀值，此时w e l 的解不是唯一的，而是在权空间中的一个范围，也可 为几个范围。对于所有的学习样本只= l ，2 ，p 都可以满足： y e , = f ( x e , ，w e , )( 2 5 ) 各自的解为形1 ，矿乞，w p ，通过对样本集的学习，得到满足所有样本正确映射的解 为： w = nw e , ( 2 6 ) e p l 学习的过程就是求解形的过程，因为学习不一定要求很精确，所以得到的是一种近 似解。假设( 2 - 0 是一个线性方程，而且要求的未知数w 的维数和样本数相同，如同为疗。， 则可以直接用线性代数的方法解出这些未知数矿。可是这种解没有一点容错，即在测试 样本输入时，它很难联想到应该对应的输出。幸好这里，( ) 不是一个线性函数，而是一 个十分复杂的非线性关系，而且形的维数和样本数不相同，因而形不是唯一解，而且有 一定的容错范围。 b p 算法的数学公式推导及步骤很多书上均有介绍，此处不再介绍仅介绍b p 算法 基本思想。b p 算法基本思想是从后向前( 反向) 逐层传播输出层的误差，以间接算出隐含层 误差。算法分两个阶段： 1 第一阶段( 正向传播过程) 输入样本从输入层传入，经各隐含层逐层处理后，传向输 出层。若输出层的实际输出与期望输出不符，则转入误差的反向传播阶段。 2 第二阶段( 反向传播过程) 将输出误差以某种形式通过隐含层向输入层逐层反传，并 两安石油大学硕。f ：学位论文 将误差分摊给各层的所有单元，从而获得各层单元的误差信号，此误差信号即作为修正 各神经元权值的依据。 这种信号正向传播与误差反向传播的各层权值调整过程，是周而复始进行的。权值 不断调整的过程，也是网络的学习训练过程。此过程一直进行到网络输出的误差减少到 可接受的程度，或进行到预先设定的学习次数为止。 2 2 2 神经网络在本系统中的应用 在气体分析系统中c i - h 、c o 混合气体的识别和量化是由两级神经网络来完成。混 合气体先经第一级神经网络进行气体定性识别，而后转入下一级神经网络进行定量分析 得出气体浓度值。 数据处理过程，如图2 5 所示，阵列数据首先经过阵列归一化算法处理，使数据位于 【1 ，l 】之间；然后作为b p 神经网络的输入向量，这样能够减少计算量并提高神经网络的 收敛速度。第一级b p 神经网络采用非线性变换函数( s 型函数) ，第二级b p 神经网络采 用线性函数，输出单元对应待识别的混合气体成分及浓度信息。 神经网络采用离线训练得到各层的权值，即首先利用气体传感器阵列对所要求浓度 的c h 。，c o 气体进行一系列的测试，将测得的数据用于神经网络的训练，收敛后将测得 的各个权值向量写入m s p 4 3 0 单片机的数据处理程序模块。 传阵 感列 成浓 i 器归 分 度 一1 阵 _ _ 识量 一i 列 化 别化 数 处 l 据 理 第一级 第二级 图2 5 神经网络数据处理过程 本气体分析仪系统对c h 4 的测量选用了半导体气体传感器，它是利用半导体气敏元 件同气体接触，造成半导体性质发生变化，借此检测特定气体的成分及浓度。对c o 的 测量选用电化学气体传感器，它是利用气体与由p t 、a u 等贵金属电极、比较电极和电 解质组成的电池中的电解质发生反应或在电极表面发生氧化还原反应，在两电极之间有 电流或电压的输出来检测气体成分及浓度。这两类气体传感器都具有灵敏度高、响应快、 使用寿命长、成本低等优点。 根据神经网络算法及系统要求，本系统应由4 个传感器构成传感器阵列，分别是 t g s g l 3 ，t g s 2 6 l l ( 日本费加罗电子有限公司) ，m e 3 c o ，m e 4 c o ( 郑州炜盛电子科技有 限公司1 ；其中t g s 8 1 3 和t g s 2 6 1 l 对c h 4 较为敏感，m e 3 c o 和m e 4 - c o 对c o 较为 敏感：这样配置的传感器阵列除了能够在整体上对被测气体形成高维响应模式外，还可 以利用单个传感器的部分选择性来突出某一维响应中某种气体成分的信息量。 1 2 第_ 章气体分析系统设计要求及测景方法 表2 it g s 系列主要技术参数 项目 t g s 8 1 3t g $ 2 6 l l 检测范围5 0 0p p m 1 0 , 0 0 0p p m5 0 0p p m 1 0 ，0 0 0p p m 加热电压( v h ) 5 0 v 0 2 vd c a c5 0 v 0 2 vd c a c 回路电压( v c ) 2 4 v2 4 v 负载电阻( r l ) 可变 可变( 最小0 4 5 f 1 ) 灵敏度：r s ( c l - h ：9 0 0 0 p p m ) r s ( c l - h ：3 0 0 0 p p m ) 0 6 0 0 50 6 0 0 6 加热器电阻( r h ) 3 0 q 3 o q 大约5 9 t ) 加热器功耗( p h ) 8 3 5 9 0m w4 2 5 2 5m w 传感器功耗( p s ) 1 5m w1 5m w 使用和存储温度 1 0 + 6 5 2 0 + 7 0 表2 - 2m e 系列主要技术参数 项目 m e 3 c om e 4 c o 探测范围 0p p m - - - 5 ，0 0 0p p m0p p m - - - 5 ，0 0 0p p m 灵敏度( “a p p m ) 0 0 5 o 0 0 20 0 5 0 0 0 1 分辨率( p p m ) 2 4 月 2 3 单片机选型 在本气体分析系统中，采用单片机作为主控芯片。在选择单片机时，考虑到本系统 应用的神经网络算法用到了e x p 指数函数，所以需要选择能够支持c 语言编程、调试的 单片机。 2 3 1 几种单片机功耗比较 由于系统要求低功耗单片机，对几种单片机的功耗比较结果如表2 3 所示。 表2 3 单片机功耗比较 单片机型号 m s p 4 3 0 f 1 4 9a t 8 9 c 5 lp i c l 6 f 8 7 7 工作电压 1 8 3 6 v单一+ 5 v 单一+ 5 v 工作电流 活动模式：2 9 0 r t a 活动模式：2 5 m a活动模式：2 m a 1 m h z , 2 2 v 1 2 m h z ，5 v 4 m h z ，5 v 待机模式：l 。l 衅待机模式：6 5 m a待机模式：i ra 掉电模式：0 1 衅 掉电模式：3 v ，掉电模式：o 5 心 4 0 p a ，6 v ，1 0 0 b a 西安石油大学硕士学位论文 从表2 3 可以看出，t i 公司m s p 4 3 0 系列超低功耗m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机在低功耗方 面有明显的优势，因为它的工作电压和工作电流较其它单片机要低，所以它的功耗极低。 经过不同品种和型号的单片机比较后，从功耗等方面考虑，本系统选择了t i 的1 6 位 m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机。 m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机有5 种低功耗工作模式l p m 0 l p m 4 ，如表2 4 所示【2 1 1 。 表2 - 4m s p 4 3 0 f 1 4 9 低功耗模式 工作模式c p u 状态，振荡器及时钟 低功耗模式0c p u 禁止；m c l k 禁止；s m c l k 活动；a c l k 活动 低功耗模式1c p u 禁止：如果d c o 未用作m c l k 或s m c l k ，则直流发生器禁 止，否则仍保持活动；m c l k 禁止；s m c l k 活动；a c l k 活动 低功耗模式2c p u 禁止；d c o 不必用作m c l k 或s m c l k ，d c o 自动禁 止；m c l k 禁止：s m c l k 禁止；a c l k 活动 低功耗模式3c p u 禁止：d c o 禁止，直流发生器禁止；m c l k 禁止；s m c l k 禁 止；a c l k 活动 低功耗模式4c p u 禁止：d c o 禁止，d c o 的直流发生器禁止；m c l k 禁 止；s m c l k 活动；a c l k 禁止 从表2 4 可以看出，5 种低功耗模式的功耗消耗从上至下逐渐减少，以低功耗模式4 功耗最低；但是，本系统中的低功耗模式是通过定时器唤醒c p u 的，而定时器是通过辅 助时钟提供时钟源的，即在低功耗模式下，需要a c l k 仍然活动，所以该气体分析仪系 统选用低功耗模式3 。 2 3 2m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机简介【2 l 】 m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机是德州公司开发的一类具有1 6 位带f l a s h 的微处理器，其性 价比和集成度高，特点如下： 具有很低的供电电压，最低1 8 v ，供电电压范围( 1 8 3 6 v ) 。 超低功耗，在休眠条件下工作电流0 8 衅。在2 2 v 、i m h z 条件下工作电流只有 2 8 0 p a 。 快速唤醒时间，从休眠方式唤醒只需6 t t s 。 快速的指令执行时间，它采用1 6 位的r i s c 结构，指令执行时间1 2 5 n s 。 片内有1 2 位a d 转换器，片内提供参考电压，a d 转换器具有采样保持和自动扫描 特点。 1 6 位定时器t i m e rb 带有7 个捕获比较寄存器，1 6 位定时器t i m e r a 带有3 个捕获 1 4 第二章气体分析系统设计要求及测量方法 比较寄存器。 串行通信接c i ( u s a r t 0 和u s a r t i ) ，两个串口都可以通过软件选择设置成u a r t 方式或s p i 方式，为用户进行多机通信提供了方便。 1一 一 片内提供较多的寄存器，片内f l a s h 为6 0 k b ，还提供2 k b 的r a m 。 1 个可以用作通用定时器的看门狗定时器( w a t c h d o gt i m e r ) 。 4 个8 位并行端d ( p 3 ，p 4 ，p 5 和p 6 ) ，2 个具有中断功能的8 位并行端d ( p l 和p 2 ) 。 1 个硬件乘法器、1 个模拟比较器( c o m p a r a t o ra ) 、1 个数控振荡器( d c o ) 和