毕业设计（论文）-矿用便携式环境检测仪系统设计.doc

全套图纸加扣3012250582中文题目：矿用便携式环境检测仪系统设计外文题目：DESIGN OF PORTABLE ENVIRONMENT DETECTOR SYSTEM FOR MINE毕业设计（论文）共 79 页（其中：外文文献及译文13页） 图纸共1张 完成日期 2015年6月 答辩日期 2015年6月摘 要 我国煤矿井下对环境气体的监测监控主要是以单参数的检测仪为主，虽然已经研制出了矿用的多参数气体检测仪系统，但是多参数气体检测仪却存在着稳定性不够、维护期较短等等问题，因此开发出一款性能比较高的便携式多参数气体检测仪是显得尤为重要。因为煤矿重大灾害事故的频繁发生，所以开发研制出便携式环境检测系统对于促进煤炭行业的安全生产具有相当重要的意义，本篇论文针对国内外多气体检测仪的发展状况，提出了一种基于单片机的新型的矿用便携式多参数气体检测仪系统的研究。本文论述的检测仪是一种基于单片机的多参数气体检测仪，根据矿用设备的相关标准技术要求，深入研究了以STM32 单片机为核心的检测仪的软硬件设计，本设计的主要功能是多气体浓度的检测以及增加按键功能，LED 显示功能，声光报警功能，RS485 通讯电路等等；软件的设计包含主程序设计以及调试。本文是通过采用功能更强大的STM32 单片机作为检测仪的核心处理器，能够达到更好的处理效果，采用RS-485通信，实现数据的远传，由地面的串口通讯软件接收处理，串口通讯软件对单片机来说意义重大，不仅可以实现将单片机的数据传送到电脑端，而且能够实现电脑对单片机的控制，通过显示功能模块让工作人员更加直观地了解煤矿井下的工况，实施相应处理和控制，解决了以往的多参数气体检测仪稳定性较低、维护周期较短等问题，为实现煤矿井下的气体环境的安全监测提供了一种新设备。关键词：气体检测仪；传感器；多参数；STM32IAbstractIn China coal mine gas environment monitoring is mainly based on single parametertester, although have developed mining of multi parameters gas detector, but the multi parameters gas detector but there is a lack of stability, maintenance period is short, and so the problem and therefore issued a relatively high performance portable multi parameters gas detector is appears to be particularly important. Because of the frequent occurrence of major disasters in coal mine accidents, so the development of a portable environmental monitoring system to promote the safe production of the coal industry has very important significance, this paper according to the development status of domestic and foreign gas detector proposed a study of monolithic machine model of mine portable multi parameter gas detecting system based on.This detector is a kind of multi parameters gas detector based on MCU, according to the mining equipment technical requirements of the relevant standards, in-depth study of the with STM32 MCU software and hardware design of the core of the detector and the design of the main function is multi gas concentration detection and increase the function of the button, LED display, sound and light alarm function, the RS485 communication circuit and so on. The software design contains main program design and debugging.This paper is through the use of more powerful STM32 microcontroller as the core of the instrument, can achieve better treatment effect, using RS-485 communication, realize remote data received by the serial communication software, ground handling, serial communication software is of great significance to MCU, MCU can not only realize the data transfer to the computer terminal, and can realize the computer control of the microcontroller, through the display module to allow staff to more intuitive understanding of the coal mine conditions, the implementation of the corresponding treatment and control, to solve the problem of stability of multi parameter gas detector is low, the maintenance cycle is short, provides a new equipment for the safety monitoring of coal mine gas environment the.关键词：气体检测仪；传感器；STM32Keywords: Gas detector; Sensor; multi-parameter ；STM321目录1 绪论11.1 课题研究背景11.2 矿用气体检测仪的国内外发展状况11.3 矿用气体检测仪的开发意义及应用前景21.4 本课题的研究内容及关键技术32 便携式多气体检测仪方案设计52.1 气体检测仪概述52.2 便携式多气体检测仪的设计要求62.2.1 设计依据62.2.2 使用环境条件72.2.3 主要功能及特点72.3 检测仪总方案设计73 便携式多气体检测仪的检测原理93.1 气体参数检测原理93.1.1 气体检测方法及检测原理94 便携式多气体检测仪硬件设计144.1 主控制芯片的选择144.2 传感器的选择194.2.1传感器的分类.194.2.2 M JC4 /3. 0L催化燃烧甲烷传感器204.2.3 COAF一氧化碳传感器224.2.4 MSH-DP-HC/CO2二氧化碳传感器244.2.5 O2-A2氧气传感器264.3 信号放大模块设计274.3.1放大器MCP609参数和引脚说明284.3.2放大器AD602参数和引脚说明284.4 A/D转换模块304.5 温湿度传感器选型334.6 时钟显示模块374.6.1 HYM1302的电路原理图394.6.2 HYM1302使用简单说明404.7 看门狗模块424.8 LED显示模块434.8.1 MAX7219的功能以及设置444.8.2单片机与MAX7219的连接474.9 键盘模块设计474.10 声光报警模块设计494.11 RS485 通讯电路495 便携式多气体检测系统软件设计515.1软件主程序设计515.2系统软件调试515.2.1 Eclipse的基本介绍515.2.2 Eclipse的历史及语言拓展525.2.3 软件调试535.3软件抗干扰措施606 技术与经济分析617 结论627.1 本文总结627.2 展望62致谢64参考文献65附录A译文67附录B外文文献751 绪论1.1 课题研究背景如今，我国正在大力改善环境，所以煤炭企业形势较为严峻，安全问题更是煤炭企业发展的重中之重。近几年而言，我国煤矿重大事故的不断频发，从2006 年1 月至2011 年12 月这期间，五年时间煤矿死亡事故高达897 起，死亡5428 人，瓦斯事故的死亡人数竟高达了54%以上1，就在最近的2014年辽宁阜新矿业(集团)有限责任公司的煤层燃烧事故中也造成了死亡人数高达了26人，在瓦斯事故特别是重、特大的瓦斯事故在煤矿事故之中所占的比例也是越来越高，随着煤矿开采技术的手段不断改进以及开采规模的不断扩大和开采深度的小断延伸，安全隐患也越来越多；在煤矿生产当中，可能会发生安全事故，而对煤矿井下环境气体参数(如CH4、CO、空气的温湿度等)以及仪器设备的运转情况进行相应实时监控和故障报警，对煤矿井下气体环境的安全检测显得至关重要，矿井下对空气的成分必须要符合矿井下允许浓度的有关规定2。所以，需要对煤矿井下的气体环境做出快速准确的检测，可以在事故发生之前进行有效的预警，也可以在矿井突发事故之时有助于救护工作的有效进行，研究一款高精度、稳定、响应速度快的矿用多气体检测报警仪是人们一直关注的问题。1.2 矿用气体检测仪的国内外发展状况气体检测仪的发展是伴随着煤炭工业的发展而逐步发展的。1815 年，英国利用火焰的高度，测量出瓦斯的浓度，由此发明了世界上的第一种瓦斯检测仪瓦斯检定灯；在20 世纪30 年代，日本利用了光干涉式原理，又发明了光干涉瓦斯检定器；1954 年，英国的采矿安全研究所(SMRE)研制出了载体催化元件，并且将其应用在瓦斯检测仪之中，一直成为瓦斯检测的主要元件。电子技术的不断发展推动了气体检测仪的进一步发展，从便携式单参数测定器发展到了多参数检测仪，日本、德国、法国、美国等国家首先开发了便携式多参数气体检测仪，从两参数气体检测仪发展到了多参数气体检测仪，早期的最具代表性的多参数气体检测仪有美国GASTECH 公司的STM2100、德国德尔格公司的MULTIWARN 型、法国奥德海姆公司的GOMH-3A 型、日本理研公司的GX-85N 型，都可以检测CH4、CO、O2 等环境气体。我国的气体检测仪研究起步比较晚，检测技术的发展经历了从简单到复杂，从低水平到高水平的发展过程，从建国初期到60 年代这期间一直到90 年代后，我国从外国引进到自主研发，逐渐发展研制出了多种型号的气体检测仪通过技术鉴定，逐步实现了对矿井环境多方面的连续监测和监控，在数据处理和数据传输等技术上做出了很大成就；随着敏感原件制造水平的不断提高，使检测技术进入了一个新的发展时期，伴随着气体传感器的发展，气体监测仪器也不断更新，以不同的方法为基本的原理研制出的各种检测仪器曾在不同的时期，不同的应用场合发挥过重要作用。 通过了解国内外气体检测系统的发展历史以及发展现状，并且根据各种方法相对存在的缺点进行完善，从而研究一套低成本、便于携带以及高性价比的便携式多气体检测系统，从而使煤矿的生产更安全更高效以及工人的生命安全得到最佳保障。1.3 矿用气体检测仪的开发意义及应用前景我国是世界上最大的煤炭生产以及消费国，也是世界上几个少数以煤为主要能源的国家之一，虽然通过煤炭生产和加工以及利用等各个环节，提供了相当多的就业机会，但是同时每个环节却带来了环境污染和安全等一系列的问题。其中之一便是有害气体的影响，这些气体包括CH4，CO，SO2，NH3等等，后两种气体含量较少，并且易溶于水，经煤矿开采时的喷水处理后便可变成酸，经过喷水这一过程即可处理，但是CH4、CO含量较多，并且难溶于水，又属于易燃易爆的气体，瓦斯浓度达到了爆炸极限，并在有足够的氧气以及一定温度的引燃火源时，就将会发生瓦斯爆炸3，给煤矿开采工作者的生命安全带来了一定的隐患。为了保护煤矿工人的健康和生命安全，必须严格按照煤矿安全规程来执行矿井下的气体环境检测，认识并且研制出一种矿用便携式多气体检测仪的新型系统来检测矿井下的气体环境情况尤为重要。矿井下气体环境的检测主要有三类：可燃性气体检测，有毒气体检测，氧气检测，该气体检测仪可检测三类气体的含量，瓦斯是煤层中大量贮存的一种气体，具有易燃易爆等特点，对煤矿开采危害最大，主要的危害表现为：第一，瓦斯浓度过高，就会使人缺氧、呼吸困难、可能还会导致窒息；第二，瓦斯煤层爆炸，爆炸产生的巨大冲击波和高温火焰，可摧毁一切；第三，煤中瓦斯突出；第四，大量瓦斯从通风井中排入大气，污染了大气环境。瓦斯中甲烷一般占有的比例90%以上，所以甲烷（CH4）的检测是多气体检测仪的主要检测参数；有毒气体例如CO、CO2含量较高的一种气体，浓度过高将会影响人呼吸，很容易致使窒息死亡4；氧气（O2）在空中含量很高，若低于一定浓度，会让人呼吸混乱，失去知觉，甚至死亡，高于一定浓度，会使一些易燃易爆气体爆炸。煤炭产业是支撑十多年中国经济快速发展的能源产业的重点之一，对各种传感器的装备数量非常庞大。各种安全监控设备技术都有所提高。并且我国一直在加强煤矿开采的安全保障，在煤矿监测监控系统方面进行了重点的研究，随着煤矿安全监测监控技术的普及，各参数检测仪在煤矿中的应用逐年递增，但是这些煤矿安全监测监控系统仍具有有不足之处，煤矿气体灾害始终是煤矿安全生产的大敌，已成为了制约煤矿安全生产的主要矛盾，因此，研制先进的适用的煤矿多气体监测系统对于煤矿工业的安全生产，减少事故的发生以及生命财产的损失具有重要意义。本篇论文研究的是一种多气体检测的报警仪，采用的是高性能高稳定性的传感器，同时检测矿井下气体环境的多种气体参数值，可以随身携带跟随工作人员用来检测矿井下所需检测处的气体环境，并且将这些参数记录下来，可以方便随时对矿井下气体环境进行相应分析，为完善我国煤矿环境监测方面提供了新装备，对于防止和及时处理矿井下突发事故来说具有良好的社会效益和经济效益，市场应用前景也十分广阔。1.4 本课题的研究内容及关键技术本论文针对目前国内矿用气体检测仪不够成熟的情况：检测精度低、稳定性不足、环境监测监督力度不够等等，设计出一种以单片机的CPU处理器为平台的矿用便携式多气体检测仪系统，该检测仪采用单片机内核的处理技术，进行了多种气体环境参数的检测，研究的主要内容有：(1) 大量阅读国内外的相关文献，了解气体检测仪的工作原理，检测仪的发展历史以及国内外发展状况，对检测仪进行总体方案设计；(2) 主要介绍以单片机为核心的新型便携式环境监测仪，依据煤矿井下的相关标准，提出本课题研究的矿用便携式多气体检测仪的设计要求以及基本功能。(3) 研究气体传感器的检测原理和工作特性，设计气体传感器的信号调理电路；(4) 从总体上介绍单片机及气体传感器的选用，以及设计并分析系统各模块硬件电路，软件的设计。(5) 研究传感器的通信协议，使其数据能够稳定、可靠地传输；以及系统数据的记录、分析。(6) 整个系统做一简单分析，在尽可能的情况下进行软件的调试，对本文的工作进行总结，并且在总结的基础上对下一步的工作进行展望。2 便携式多气体检测仪方案设计2.1 气体检测仪概述气体检测仪是通过利用气体传感器来检测气体的参数成分的，并且具有显示报警等等功能，一个基本的气体检测仪一般是由以下几部分所组成：敏感元件，转换元件，测量电路和电源组成3，气体检测仪结构框图如图2.1 所示。图2.1 气体检测仪结构框图Fig.2. 1 structure diagram of gas detector(1) 敏感元件：直接感受所需被测量（非电量），能够将被测量转换为与电量有相应确定关系的其它物理量的元件。(2) 转换元件：能够将其它的物理量将其直接转换为有确定关系的电量的元件。(3) 测量电路：是把转换元件传输出的电信号转变为易于处理、显示、记录以及控制的可用的电信号的电路。(4) 辅助电源：供给所有的电路器件电量。敏感元件与转换元件统称为传感器，传感器是检测仪的关键的部分，气体传感器按其原理分：半导体式、接触催化燃烧式、电化学式、热传导方式、光干涉式以及红外线吸收散热方式，常用气体传感器的类型见表2.1。根据使用的环境所不同，气体检测仪又分为：固定式和便携式。固定式的气体检测仪可以安装在特定的检测点上，可对特定的气体进行检测；便携式的气体检测仪的传感器，测量电路，显示器以及充电电池等组装在一个壳体内，形成为一体式仪器，使得小巧轻便，操作较方便，可以携带至不同的生产点，可以检测到不同的场所环境的参数值。早期的气体检测仪仅是针对单一气体进行检测，精度较低、体积较大，但随着传感器技术以及单片机技术的不断发展，便已出现了许多参数检测系统，而且随着各行业技术的不断成熟，也将多项技术应用在了气体检测系统当中，例如无线通信技术。但是矿井下的环境比较恶劣仍然不能很好的监测，一是由于监测技术还不够成熟，二是环境监测的监督表2.1 常用气体传感器的类型Table 2.1 types of gas sensors类型用途半导体方式主要用于检测还原性气体，城市排放气体，丙烷气体（灵敏度高，构造和电路简单，但是输出与气体的浓度不成比例）接触燃烧方式主要用于检测燃烧性气体（输出与气体的浓度成正比，但是灵敏度低）化学反应式主要用于检测如CO，H2，CH4C2H5OH,SO2等等（气体选择性较好，但是不能重复使用）光干涉方式主要用于检测和空气折射率不同的气体，CO2等等（寿命较长，但是选择性较差）热传导方式主要用于检测和空气热传导率不同的气体，H2等等（构造较简单，但是灵敏度较低，选择性较差）红外线吸收散射方式主要用于检测CO,CO2，NOX等等（能够定性测量，但是装置较大，价格较贵）不够。本文设计的矿用便携式多气体检测报警仪主要应用于煤矿井下有可燃性气体等爆炸环境当中，检测煤矿井下的环境的气体，依据煤矿安全设备相关的各种标准以及相关设计要求，能达到随身携带和实时检测多种气体的要求。2.2 便携式多气体检测仪的设计要求本设计检测煤矿井下甲烷、二氧化碳、一氧化碳、氧气4 种环境气体参数，研究并且开发气体检测仪表的电路，使之能够完全应用在市场上。2.2.1 设计依据由于煤矿井下工作环境比较险恶，存在瓦斯等各种混合型易燃易爆的气体，因此煤矿井下的电气设备必须要要求具有防爆、防水、防尘等等要求，防爆的性能应该符合以下相关标准5：(1) GB 3836.1-2010爆炸性环境第1部分：设备通用要求；(2) GB 3836.2-2010爆炸性环境第2部分：由隔爆的外壳的“d”保护的设备；(3) GB 3836.4-2010爆炸性环境第4部分：由本质安全型的“i”保护的设备；(4) 煤矿用低浓度载体催化式甲烷传感器要求M JC4 /3. 0L催化燃烧甲烷传感器；(5) DYNAMENT 公司的premier 二氧化碳传感器；(6) MT 704-2008 煤矿用携带型电化学式氧气测定器；(7) MT 703-2008 煤矿用携带型电化学式一氧化碳测定器；2.2.2 使用环境条件在具有爆炸性各种气体混合物的危险矿井下：表2.2气体检测仪使用环境条件Table 2.2 environmental conditions for gas detector温度040相对湿度98%大气压力86 kPa106 kPa风速不大于8m/s贮存温度为-40602.2.3 主要功能及特点矿用便携式多气体检测仪是煤矿井下的一种气体环境监测监控的设备，能够对矿井下环境的气体进行连续地，实时地，准确地检测，矿用便携式多气体检测仪基本功能如表2.3。2.3 检测仪总方案设计本设计的矿用便携式多气体检测仪是一种较新型的隔爆兼本质安全型的仪器，可以用于煤矿井下等具有爆炸性的气体环境当中，能实时检测甲烷、二氧化碳、一氧化碳、氧气4 种气体，该检测仪可以在巡检工作时便携使用，也可以在避难硐室等等场所作为多功能传感器的固定使用，该检测仪具备数据存储、RS485 通讯、传感器故障检测等功能，便携式多气体检测仪主要由微处理器、传感器以及调理电路、按键电路、LED 显示、声光报警电路、RS485 通讯电路，系统硬件原理框图如图2 .2所示。表2.3矿用便携式多气体检测仪基本功能Table 2.3 basic function of portable gas detector for mine环境气体参数：甲烷(CH4)、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、氧气(O2)显示：LED 屏实时显示检测的参数、日期、时间、电量，操作显示，提示显示等等报警：检测仪具有超限声光报警以及报警自检功能存储：手动存储日期、时间、检测参数，并且具有查看、删除功能电源：用锰酸锂蓄电池来供电通讯：以RS485 通讯的方式，与外部的设备来进行通讯，也可以下载数据到上位机其他：检测仪也可以手动设置日期、时间、报警点以及通讯地址；检测仪具有温湿度检测，传感器故障的诊断等等辅助功能图2 .2系统硬件原理框图Figure 2.2 system hardware block diagram3 便携式多气体检测仪的检测原理3.1 气体参数检测原理气敏传感器是通过感知4 种环境的目标气体及其浓度，并且将其相关的信息转变成为电信号，然后将对这些电信号的强弱进行相应的分析就能够得到环境中目标气体的有关信息15，从而进行气体的检测、环境的监控、危害报警；还可以利用接口电路连接计算机，和计算机组成在线检测系统，实现自动检测，并且进行控制以及报警。3.1.1 气体检测方法及检测原理（1）催化燃烧式气体检测原理气体检测的领域中的一个比较重要的研究内容便是可燃气体的检测，在可燃气体检测当中的一个主要的检测方法就是催化燃烧法10。该种方法通常采用的是电桥检测原理，通过检测敏感件r1和补偿件r2电压差的变化来检测气体浓度变化，催化燃烧式传感器测量电桥原理图如图3.1所示。图 3.1 催化燃烧式传感器测量电桥原理图Fig. 3.1 Measuring bridge of catalytic combustible gas sensor检测可燃性气体时，可燃性气体在敏感元件表面涂的催化剂作用之下，在低于可燃气体燃点的温度，发生无焰的燃烧反应，反应产生的热量使敏感元件的温度升高，因为敏感元件是由反复缠绕的铂丝球和表面附着的催化载体材料所构成的，而铂丝是正温度系数的敏感材料，传感器的温度升高就会使其阻值增大，导致电桥两臂间产生了电压差 V，电压差的大小即可以反映被测的可燃气体的浓度。应用催化燃烧式的传感器一般都选用的是恒流式和恒压式两种检测方法。但这两种传统检测方法却存在很多问题，如检测范围较小，响应速度较慢，传感器的使用寿命短，恒流或者恒压的本质就是通过降低电功率以此来降低催化燃烧敏感件的温度，但在遇到高浓度的气体时将会出现即使完全去掉电功率仍然不能使敏感件停止催化燃烧反应，这样就会使得传感器失效。催化传感器存在的以上这些问题，制作技艺经过长期的改进并且未取得了实质性进展，通过探索的各种不同的气体检测的应用方式之后发现，如果采用恒温方式检测的方式就可以对上述的问题产生了有实质性的改变，恒温测量的过程就是直接使检测过程的物理环境相对稳定，这样极大地减小了外部干扰，从而提高了检测信号的准确性。其反馈的控制原理框图如图3.2所示。图 3.2 反馈的控制原理框图Fig. 3.2 control principle diagram of feedback催化燃烧传感器在正常的大气条件下，输出端的信号将会随着有效使用而逐渐的发生改变，该种变化被称为零点漂移。零点漂移所输出的信号与被检测的气体的信号发生混叠，这些干扰就会严重影响测量的精度，当零点漂移的信号过强时，甚至可能超过原始的真实信号，从而会导致气体检测的报警器误报。所以，减小零点漂移对于增大催化传感器检测的可靠性具有非常非常重要的意义，零点校准的基本方法一般是通过控制的电路来使催化燃烧式传感器的工作在不能够发生催化燃烧反应的状态，这时传感器得输出端输出的电压可以认为零气体浓度时的传感器的漂移信号，按照一定的比例关系式就可以算出在正常的工作温度下的零点漂移的信号。综合以上思路和实验结果得到关系式（3-1）。 （3-1）式中：VL：零点漂移； VC：参比元件上的电压； VL：低温时传感器的零点漂移； VC：低温时参比元件上的电压。所以零点漂移为式（3-2）： （3-2） （2）非色散红外检测原理红外吸收型CO2气体传感器是基于气体的吸收光谱随物质的不同存在差异的原理制成的。不同气体分子化学结构不同，对不同波长的红外辐射的吸收程度就不同，因此，不同波长的红外辐射依次照射到样品物质时，某些波长的辐射能被样品物质选择吸收而变弱，产生红外吸收光谱，故当知道某物质的红外吸收光谱时，便能从中获得该物质在红外区的吸收峰。同一种物质不同浓度时，在同一吸收峰位置有不同的吸收强度，吸收强度与浓度成正比关系，因此通过检测气体对光的波长和强度的影响，便可以确定气体的浓度。（3） 电化学式气体检测原理电化学气体的传感器采用密闭的结构设计，是由电极、过滤器、透气膜、电解液、电极引出脚、外壳等等部分组成16。一氧化碳、氧气气体传感器的最基础的应用是作为一种报警器。作为检测的元件，被测的气体经过过滤器和透气膜扩散到工作电极时，传感器内部就会发生一系列化学的反应，在反应过程中会伴随着电荷的转移以及电压差的产生，这样就将化学反应剧烈的程度通过电能来表现出来。这个反应过程并不需要进行额外的供电，并电极所输出的电流强弱就表现出了化学反应的强弱程度，也就将直接反映了扩散到反应室内气体的浓度。该电流在经过了所设计的电路进行相应的放大，至合理的范围之内并滤除杂波干扰之后再输出处理，当检测到的环境气体的浓度达到了危险值时，就通过声、光、振动等等方式通知管理的人员。以此为基础来构成一套比较完整的气体检测预警系统。一氧化碳传感器的结构图如图3.3。图3.3 一氧化碳传感器结构图Fig.3.3 The structure of CO sensor下面分别介绍二种传感器的工作原理。（1）.一氧化碳电化学传感器 一氧化碳的混合气体混合物从气孔经过过滤器，滤除粉尘颗粒等干扰物之后在通过透气膜渗透到工作的电极，在工作电极上具有催化剂，使一氧化碳发生氧化反应，反应过程中释放电子，产生电荷转移。在工作的电极上的化学反应式为（3-3）。2CO+2H 2O 2CO2+4H +4e- （3-3）在该电极上的反应产生的氢离子以及自由电子，在电解液中移动到，同样在电解液之中的对电极之上，对电极和工作电极之间是分开的，在对电极上的氢离与自由电子以及溶解在电解液之中的氧气分子发生还原的反应。其化学反应式（3-4）。 O2+4H+4e- 2H2O （3-4） 因此，在催化剂的作用下在传感器内部就会发生一系列的可逆的氧化-还原反应。该反应本身对传感器来说，资源并不产生消耗，但是由于存在电解液的储存期和催化剂的有效活性时间等问题，所以传感器是具有使用寿命的。其完整的化学反应式为（3-5）。 2CO+2O 22CO2 （3-5）（2）.氧气电化学传感器 氧气电化学传感器与以上传感器有所不同，不具有参比极，它是一个具有两电极的电化学传感器。氧气传感器和上文所说到的电化学传感器的外形是非常相似的，最外面是由一个外壳将内部电解液以及电极保护起来，传感器的两个电极分别是由覆盖有聚四氟乙烯的阴极以及铅制的阳极构成。气体环境之中的氧气分子从设备的透气孔经过了过滤膜之后，接触到阴极的工作电极，在该工作的电极上，氧气被还原释放出氢氧根离子，反应式为（3-6）。 O2+2H2O+4e-4OH- （3-6）这些氢氧根离子便通过电解质到达铅电极，和阳电极的金属发生氧化反应，反应后生成氧化铅。这个反应的过程是需消耗阳极铅金属的，就是这一点决定着了氧气电化学传感器使用的寿命是有一定期限的，反应式如（3-7）。 2Pb+4OH-2PbO+2H2O+4e- （3-7）上述（3-6）（3-7）反应都伴随电子和离子的转移，这一过程将会在两个电极之间产生，对应于反应剧烈程度的电流。因为单位时间反应的氧气分子数直接决定着该反应剧烈程度的，所以通过测定该电流的强弱就可以较准确的计算出气体环境之中氧气的浓度。以上所介绍的两种电化学传感器工作的原理虽然各不相同，但是因为输出的都是电流信号，因此应用的方法都是比较非常相似的，经过由电极引出的线将各反应之中产生的电流用外部的电路处理并且测量，以此便可以用以代表被检测气体的浓度，经过了一系列的温度补偿和数字补偿的处理之后便具有了非常优良的线性区间，从上述的原理介绍之中，可以看出电化学传感器信号输出的电流是它自己氧化还原反应时产生的，这一过程中并没有催化燃烧传感器的那种额外的电能的需求，就因为它的这一特性使得了电化学传感器的能耗非常之低，所以非常契合于便携式产品的低功耗的主题。4 便携式多气体检测仪硬件设计4.1 主控制芯片的选择多气体检测仪是基于ARM平台的一项设计，ARM平台之中采用的是一种高性能的ARMCortexTM-M3 32位的并具有RISC 内核的STM32F103VET6作为该检测仪的控制器7，供电的电压为2.03.6V，工作的频率可高达72MHz，内设置有高速的存储器（具有64K字节的静态SRAM和512K 字节的闪存存储器），并且含有较丰富的增强I/O 端口以及联接到两条APB 总线的外设8，其内部模块框图如图4.1所示。选择STM32F103VET6 作为设计的核心控制器，是因为该单片机具有以下主要的特点：（1）它拥有ARM 核心：STM32F103VE T6拥有内置的ARM 核心，能够与所有的ARM 工具以及软件兼容；（2）处理速度较快：可高达72MHz 的工作频率，在存储器的0 等待周期的访问之时可达1.25Dmips/MHz；（3）低功耗：具有3 种低功耗的模式（睡眠、停机和待机），其中的RTC 以及后备寄存器所用的是VBAT 供电，内部具有比较完整的上电复位(POR)以及掉电复位(PDR)电路，只要当供电电压达到2V 时，系统即能正常工作；（4）丰富的资源 STM32F103VET6 的主要资源有：1) 64K 字节的SRAM 和512K 字节的闪存存储器；2) LCD 并行接口，并且支持Intel 8080 和Motorola 6800 模式；3) 具有3 个12 位的ADC，12 通道DMA 控制器；4) 有4 个通用的16 位定时器和2 个PWM 定时器；5) 通信接口：2 个I2C 接口；3 个SPI 接口；2 个I2S 接口；1 个SDIO 接口；5 个UASRT 接口；一个USB 接口和一个CAN 接口。6) 具有多达80 个多功能的双向的I/O 口，并且所有的I/O 口可以映像到16 个外部的中断，以及所有的端口均可以承受5V 信号；7) 有串行单线调试(SWD)以及JTAG 接口的调试模式。UART接口如图4.2，JTAG接口如图4.3。图 4.1 STM32F103VE6 内部模块框图Figure 4.1 STM32F103VE6 internal block diagram图4.2 UART接口Figure 4.2 the UART interface图4.3 JTAG接口Figure 4.3 the JTAG interface由此可见，STM32F103VET6 是一款性能非常优越、资源非常丰富的微处理器，完全能够处理方案设计中的所需相关要求，依据系统的结构框图，STM32F103VET6 的资源配置如图4.4 。图4.4 STM32F103VET6资源配置图Figure 4.4 STM32F103VET6 resource allocation diagramSTM32F103VET6 能够作为新型便携式多气体检测仪的核心处理器，可使用ADC 模块进行采集数据的模拟参数值数字化，可以使用SPI 接口来扩展容量，可使用FSMC 配置来控制LCD显示，但是本系统所采用的是LED显示，通过I/O控制，可以用通用的串行接口USART 来控制地址的采集，USB 接口为有线通信的方式，可以用RTC 模块来实现计时时钟，STM32F103VET6 采用LQFP 的封装的形式，从而减小了微处理器在电路板上所占据的面积，工业级的温度范围可以选择在-4085。STM32F103VET6单片机的引脚如图4.5。系统作用：1）集成嵌入式Flash和SRAM存储器的ARM Cortex-M3内核，和8/16位设备相比，ARM Cortex-M3 32位RISC处理器提供了更高的代码效率，STM32F103VET6的微控制器带有一个嵌入式的ARM内核，所以可以兼容所有的ARM工具以及软件。图4.5 STM32F103VET6单片机的引脚Fig.4.5 STM32F103VET6 microcontroller pin2）嵌入式的Flash存储器和RAM存储器：内设置多达512KB的嵌入式Flash，可以用于存储程序与数据，多达64KB的嵌入式SRAM可以以CPU的时钟速度进行读写（不待等待状态）。 3）时钟和启动：在启动的时候还是需要进行系统的时钟选择，但是复位的时候，内部8MHz的晶振被选用作CPU时钟，可以选择一个外部的4-16MHz的时钟，并且将会被监视来判定是否成功。在此期间，控制器被禁止并且软件中断管理也随后被禁止。与此同时，如果有需要（例如碰到一个间接使用的晶振失败），PLL时钟的中断管理完全可用。多个预比较器可以用来配置AHB频率，包括高速APB(PB2)以及低速APB（APB1），高速APB最高的频率可为72MHz，低速APB最高的频率可为36MHz。Boot模式：在启动的时候，Boot引脚被用来在3种Boot选项种选择一种：从用户Flash导入，从系统存储器导入，从SRAM导入。Boot导入程序位于系统存储器，用于通过USART1重新对Flash存储器编程。4）电源供电方案：VDD ，电压的范围为2.0V3.6V，外部电源是通过VDD引脚来提供，用于I/O以及内部调压器；VSSA和VDDA，电压的范围为2.0-3.6V，外部模拟电压的输入，用于ADC，复位模块，RC以及PLL，在VDD范围之内（ADC被限制在2.4V），VSSA与VDDA必须相应连接到VSS和VDD；VBAT，电压的范围为1.83.6V，当VDD无效之时为RTC，外部的32KHz晶振以及备份寄存器供电（通过电源切换来实现）。5）电压调节：调压器有3种运行模式：主（MR），低功耗（LPR）和掉电。6）低功耗模式：STM32F103VET6支持3种低功耗模式（休眠模式；停止模式；待机模式），从而在低功耗，短启动时间和可用唤醒源之间达到一个最好的平衡点。4.2 传感器的选择4.2.1传感器的分类气体传感器是一种将气体的成分、浓度等信息转化成对应电信号的转换器。作为本系统的气体传感器的选型对气体浓度检测尤为重要,它的灵敏度高低、寿命长短等技术指标直接决定着仪器的性能。从大的方面讲,气体传感器可分为以下几大类:a、催化燃烧式气体传感器这种传感器只适合检测可燃气体的浓度,它是由白金电阻表面制备耐高温催化剂层,在一定温度下,可燃气体在其表面催化燃烧,导致电阻升温,阻值发生变化,而变化值也就与可燃气体的浓度值对应。这种传感器具有响应快速、计量准确、寿命较长的优点,但是对不可燃气体不敏感,在高温环境下有引燃爆炸危险。b、热导池式气体传感器这是一种老式的传感器,应用范围较窄,限制的因素较多，它是利用每种气体特定的热导率来分辨其中各组分的含量,可用于氢气、二氧化碳、高浓度甲焼的检测。C、磁性氧气传感器很明显,这种传感器只可用来检测氧气的浓度,选择性极好。它的原理是在强磁场下空气中氧气可以被吸收。d、半导体式气体传感器此传感器是利用金属氧化物半导体材料制造的,其检测原理是在一定温度下,电导率随环境气体成分的变化而变化。它主要用于一氧化碳、二氧化碳、甲焼、丙院、酒精、乙烯等气体的检测。而且,这种传感器具有成本较低、寿命较长、灵敏度较高、响应速度较快的优点,缺点是稳定性较差,受到环境影响较大,功率要求较高,不宜用在计量准确的场所。e、红外气体传感器这种传感器是一种基于不同气体分子的近红外光谱选择吸收特性,利用气体浓度与吸收强度关系(朗伯-比尔Lambert-Beer定律)鉴别气体组分并确定其浓度的气体传感装置。与催化燃烧式、半导体式等相比具有应用广泛、稳定性好、寿命长、灵敏度高、性价比高、成本低等一系列优点,可有效分辨气体种类,准确测定气体浓度,己广泛用于二氧化碳、甲焼等气体浓度的检测。f、光学气体传感器这种传感器包括焚光型、红外吸收型、光纤化学材料型等,主要以红外吸收型为主,它利用不同气体对红外的吸收峰差异,将红外吸收峰与气体浓度一一对应实现对气体浓度的检测。同时,该传感器可靠性好、灵敏度高,还可与上位机结合,在连续检测气体浓度的同时,有自运行、自校正的功能。g、电化学气体传感器对于一些可燃、有毒有害的气体,利用它们的电化学活性,当与电解质溶液接触后会发生氧化或还原反应,产生微弱的电流或电压信号,通过检测这些微弱的电流或电压信号就可以分辨出气体成分,检测气体浓度。电化学传感器不仅灵敏度高、准确可靠,而且性价比高、体积小、便于携带,广泛应用于便携式、手持式仪器仪表中,由于其气体检测范围广、种类多而大受青睐,在传感器市场上己经占有重要地位,应用前景一片大好。结合课题要求,对于气体传感器的选型,应该考虑多种因素,包括成本、使用寿命、稳定性、响应速度、灵敏度以及抗干扰性上。4.2.2 M JC4 /3. 0L催化燃烧甲烷传感器系统所选用的M JC4 /3. 0L作为瓦斯传感器。M JC4 /3. 0L型催化元件是根据催化燃烧效应的原理工作的, 是由检测元件以及补偿元件所配对而组成电桥的臂, 遇到可燃性气体的时候，检测元件的电阻升高, 桥路输出的电压变化, 该电压的变量随着气体浓度的增大而成正比例的关系而增大, 补偿元件起到参比以及温度的补偿作用，它具有桥路输出的电压呈线性、响应速度非常快、具有良好的重复性、选择性、并且元件工作稳定、可靠以及抗H2S中毒等优点。M JC4 /3. 0L催化燃烧甲烷传感器的技术参数如表4.1 ，M JC4 /3. 0L催化燃烧甲烷传感器实物图如图4.6，瓦斯检测变换电路如图4.7.表4.1 M JC4 /3. 0L催化燃烧甲烷传感器技术参数Table 4.1 M JC4/3. 0 l catalytic combustion of methane sensor technology parameters 工作电压（V)3.00.1工作电流（mA）12010灵敏度（mV）1甲烷20401丁烷30501氢气2545线性度（）5测量范围（LEL）0100响应时间（90）小于10秒恢复时间（90）小于30秒 使用环境-40+70低于95RH储存环境-20+70低于95RH外形尺寸（mm）大：9.51419 小：81014图4.6 M JC4 /3. 0L催化燃烧甲烷传感器实物图Figure 4.6 M JC4/3. 0 l catalytic combustion of methane sensor object graph 图4.7 瓦斯检测变换电路Fig.4.7 gas detection circuit4.2.3 COAF一氧化碳传感器一氧化碳气体检测系统所选用的一氧化碳气体检测探头，该探头是由英国的阿尔法公司的生产的，型号为COAF的探头。其工作的原理是：该探头由三个电极所组成，分别是工作电极(WE)和参考电极(RE)以及对电极(CE)，每当一氧化碳气体的进入到探头内以后，将以工作电极为阳极，并以对电极为阴极来发生氧化还原反应，在两个电极之间的产生一个正比于一氧化碳的浓度的电流，参考的电极会给工作的电极提供一个比较稳定的电位，确保传感器的工作在一个比较理想的V-I区间，参考电极的电位的要求要尽可能的稳定，它可确保传感器有稳定的灵敏度以及良好的线性28。CO-AF一氧化碳传感器主要特性如表4.2，COAF一氧化碳传感器实物图如图4.8，一氧化碳信号调理电路如图4.9。表 4.2 CO-AF一氧化碳传感器主要特性Table 4.2 CO - AF carbon monoxide sensor main features 测量范围5000ppm灵敏度5590nA/ppm响应时间25s线性范围1225ppm过载10000ppm分辨率0.5ppm尺寸20.2*16.5使用寿命2年存储周期6个月工作温度-3050工作湿度1590RH负载电阻1047图4.8 COAF一氧化碳传感器实物图Figure 4.8 CO - AF carbon monoxide sensor real figure图4.9 一氧化碳信号调理电路Figure 4.9 carbon monoxide signal conditioning circuit 4.2.4 MSH-DP-HC/CO2二氧化碳传感器选择DYNAMENT公司的premier 二氧化碳传感器作为二氧化碳传感器，此传感器运用了非色散红外原理的检测气体，它包括了长寿命钨红外光源和供扩散的气体进入的光通道以及一对经温度补偿的红外原理热电交换检测元件，半导体温度传感器以及处理红外热电交换检测器的信号的电子电路，使用方便非常快捷。二氧化碳传感器的外形封装图如图5.0，MSH-DP-HC/CO2技术指标如表4.3。二氧化碳传感器具有4 个引脚：分别为VCC、GND、RX、TX；其中的VCC、G ND 是传感器的两个供电两极，RX、TX 是传感器RS232 数字通讯的输出端口，设计使用的RX、TX 两端口直接和单片机上的USART2 串行接口，传感器的VCC 接到5V，而GND 接图5.0 二氧化碳传感器外形封装图Fig.5.0 Carbon dioxide sensor encapsulation shape电源地；RX 接到单片机TXD 端；TX 接到单片机RXD 端，在电源与地两者之间接入一个0.1F 的去耦电容，数据传输之间接100R 的电阻，以防止因为电流过大而损害器件，传感器与单片机之间建立通讯，通过串行的通信接口的方式，遵循传感器的串行通讯协议，进行二氧化碳检测。MSH-DP-HC/CO2 信号采集电路如图5.1。表4.3 MSH-DP-HC/CO