（机械电子工程专业论文）矿用智能瓦斯传感器及其实验装置研制.pdf

论文题目 矿用智能瓦斯传感器及其实验装置研制 专业 机械电子工程 硕士生 杨小刚 指导教师 马宏伟 摘要 签名 签名 本文介绍了智能传感器的概念 工作原理和特点 分析了我国煤矿安全事故的现状 指出了瓦斯是煤矿的主要危害之一 总结了我国煤矿瓦斯检测的基本方法以及现有瓦斯 检测设备存在的基本问题 提出了以智能传感器技术与传统瓦斯检测技术相结合的智能 瓦斯传感器的研制方法 本文基于智能传感器技术 融计算机技术与传统的瓦斯检测技术为一体 完成了智 能瓦斯传感器方案设计 在硬件研制方面 选用m e g a 4 8 v 单片机作为核心处理器 进行 了瓦斯气敏元件检测电路的设计 信号放大电路的设计 电源模块的设计 防高浓度瓦 斯冲击电路的设计 r s 2 3 2 通讯接口电路的设计以及声光报警电路设计等 为了提高瓦 斯检测的精度和可靠性 研制了多瓦斯气敏元件检测电路 为多信息融合奠定了基础 在软件开发方面 采用c 语言编写单片机程序 采用平均值滤波算法 去除采样过程中 的噪声 采用零点补偿算法 补偿瓦斯气敏元件的零点漂移 采用多传感器信息融合算 法 提高整个系统的检测精度和可靠性 设计了传感器电子数据表格 t e d s 根据煤矿标准研制了智能瓦斯传感器标定试验台 基于l a b w i n d o w s c v i 软件平台 开发了p c 机监控软件 提出了智能瓦斯传感器的标定校准方法 实现了智能瓦斯传感 器测试和标定的自动化 智能化 提高了测试 标定的精度和可靠性 关键词 智能传感器 瓦斯检测 单片机 多传感器信息融合 研究类型 应用研究 s u b j e c t d e v e l o p m e n to fam i n e r a ls m a r tg a ss e n s o ra n di t st e s t i n g d e v i c e s p e c i a l t y m e c h a t r o n i ce n g i n e e r i n g n a m e y a n gx i a o g a n g i n s t r u c t o r m ah o n g w e i a b s t r a c t s i g n a t ur e s i g n a t u r e t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec o n c e p to fs m a r ts e n s o r s p r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i c s a n d a n a l y z e st h es i t u a t i o no ft h ec h i n ac o a lm i n es a f e t ya c c i d e n t p o i n t so u tt h a tt h ec o a lm i n eg a s i so n eo ft h em a i nh a z a r d s t h et h eb a s i ca p p r o a c ho ft h ee x i s t i n gg a sd e t e c t i o na n dp r o b l e m s o fe q u i p m e n ti no u rc o u n t r yc o a lm i n ea r es u m m e du p d e v e l o p m e n tm e t h o do fs m a r ts e n s o r g a si sp u tf o r w o r d w h i c hi n t e g r a t e ds m a r ts e n s o rt e c h n o l o g ya n dt h et r a d i t i o n a lg a sd e t e c t i o n t e c h n o l o g y b a s e do nt h es m a r ts e n s o rt e c h n o l o g y c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dt r a d i t i o n a lg a sd e t e c t i o n t e c h n o l o g y d e s i g no fam i n e r a ls m a r tg a ss e n s o rw a sc o m p l e t e d i nt h ec o n t r o ls y s t e mo f h a r d w a r e m e g a 4 8 vm i c r o c o n t r o l l e rw a sc h o s e na sac o r ep r o c e s s o r t h ep e r i p h e r a lc i r c u i t s a l ed e s i g n e d w h i c hi n c l u d e st h eg a ss e n s o rd e t e c t i o nc i r c u i t s i g n a la m p l i f i c a t i o nc i r c u i t t h e p o w e rs u p p l ym o d u l e t h ep r e v e n t i n gh i g hg a si m p a c tc i r c u i t r s 2 3 2c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e c i r c u i t a n ds o l da n dl i g h ta l a r mc i r c u i t i no r d e rt oi m p r o v eg a sd e t e c t i o na c c u r a c ya n d r e l i a b i l i t y t h em u l t ig a ss e n s o rd e t e c t i o nc i r c u i th a sb e e nd e v e l o p e d s o t h ef o u n d a t i o nf o r m u l t i s e n s o ri n f o r m a t i o nf u s i o ni se s t a b l i s h e d i ns o f t w a r ed e v e l o p m e n t m c uc o d ei s w r i t e di nc l a n g u a g e t h ea v e r a g ef i l t e rt or e m o v en o i s ei nt h ep r o c e s so fs a m p l i n g z e r o c o m p e n s a t i o na l g o r i t h m t h ec o m p e n s a t i o ng a ss e n s o r sz e r op o i n td r i f t m u l t i s e n s o r i n f o r m a t i o nf u s i o na l g o r i t h mw e r ea d o p t e dt oi m p r o v et h ed e t e c t i o na c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t y o ft h es m a r tg a ss e n s o r t h ef o r mo ft r a n s d u c e re l e c t r o n i cd a t as h e e t t e d s w a s d e s i g n e d t h ec a l i b r a t i o nt e s td e v i c eo fs m a r tg a ss e n s o r sw a sc o n s t r u c t e d w h i c hb a s e do nt h e m i n es t a n d a r d s t h ep c m o n i t o r i n gs o f t w a r ei sd e v e l o p db ym e a n so fl a b w i n d o w s c v i s o f t w a r ep l a t f o r m t h ec a l i b r a t i o nm e t h o d so fs m a r ts e n s o ra r ep r e s e n t e d a n da u t o m a t i o na n d i n t e l l i g e n c eo fi n t e l l i g e n tg a ss e n s o rt e s t i n ga n dc a l i b r a t i o na r er e a l i z e d s o t h ea c c u r a c ya n d r e l i a b i l i t yo ft e s t i n ga n dc a l i b r a t i o na l ee n h a n c e d k e y w o r d s s m a r ts e n s o r g a sd e t e c t i o nm c um u l t i s e n s o ri n f o r m a t i o nf u s i o n t h e s i s a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 要料技大学 学位论文独创性说明 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 及其取得研究成果 尽我所知 除了文中加以标注和致谢的地方外 论文中不 包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得西安科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料 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 学位论文作者签名 怕 j 融日期 如蜃 弘 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西安科技大学 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 同时本人保证 毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学 保密论文待解密后适用本声明 学位论文作者签名 一 心 础指导教师签名 j j 荔 7 即秀年 月不日 1 绪论 1 1 选题背景 1 绪论 二十世纪八十年代末期 人们将微机械加工技术应用到传感器 从而产生新概念 传感器 s m a r ts e n s o r 智能传感器 智能传感器的功能是通过模拟人的感官和大脑的协 调动作 结合长期以来测试技术的研究和实际经验而提出来的 是一个相对独立的智能 单元 它的出现对原来硬件性能苛刻要求有所减轻 而靠软件帮助可以使传感器的性能 大幅度提高 智能型传感器是一种带有微处理器并兼有检测和信息处理功能的传感器 智能型传感器被称为第四代传感器 使传感器具备感觉 辨别 判断 自诊断等功能 是传感器的发展方向 1 1 煤炭是我国主要的能源之一 煤炭工业是我国重要的基础产业 我国是全球产煤最 多的国家 2 0 0 7 年中国煤炭产量达2 5 亿吨左右 也是世界上发生矿难最多的地区之一 2 0 0 7 年中国煤矿事故死亡人数仍高达3 7 8 6 人 与发达国家相比差距依然很大 瓦斯是 我国煤矿的主要灾害因素之一 瓦斯煤尘爆炸 煤与瓦斯突出等灾害严重威胁着我国煤 矿的安全生产 由于灾害因素多 治理难度大 矿井瓦斯一直是我国煤矿安全工作的重 点和难点 目前 我国所有煤矿均为瓦斯矿井 据统计 在1 0 0 个国有重点煤炭生产企 业的6 0 9 处矿井中 高瓦斯矿井占2 6 8 煤与瓦斯突出矿井占1 7 6 低瓦斯矿井占 5 5 6 国有地方和乡镇煤矿中 高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出矿井占1 5 左右 瓦斯灾 害已成为制约煤矿安全生产和煤炭工业发展的重要因素1 3 j 1 4 j 1 2 瓦斯气体检测的基本方法 气体检测方法有电化学方法 光学方法 电气方法 气相色谱法等很多种 电化学 法是利用电化学方法 使用电极与电解液对气体进行检测 光学法是利用气体的光折射 率或光吸收等特性检测气体 电气法是利用气敏器件检测气体 主要用半导体气敏器件 它适合于自动 连续过程检测 目前应用广泛 气相色谱法是色谱法中的一种分析方法 色谱分析是一种对多组分混合物的分离 分析工具 它主要利用物质的理化性质不同进 行分离并测定混合物中各组分的含量 应用以上检测原理制成的瓦斯检测元件有 催化 传感器 红外传感器 光纤传感器等 1 2 1 催化传感器 热燃烧式催化传感器 简称 催化传感器 是一种化学原理的气敏传感器 广泛 应用于矿井瓦斯的检测 对保障煤矿安全生产 防止瓦斯爆炸事故的发生 发挥了重要 西安科技大学硕士学位论文 的作用 目前 我国的催化瓦斯传感器主要有两类 一种是只采用催化元件的只能检测 0 4 低瓦斯浓度的瓦斯传感器 另一种是同时采用催化元件和导热元件 能够检测o 1 0 0 的瓦斯浓度 在检测0 4 浓度的瓦斯时 催化元件起作用 检测4 1 0 0 浓度时 热导元件起作用的瓦斯传感器 该类瓦斯传感器的不足之处在于长期工作的稳定性不理 想 调试周期短 按照良好工艺和配方制造的元件正常工作温度 即在0 4 c h 4 环境 中工作温度为4 0 0 4 8 0 如果配方或者制造工艺中有某些缺点 则工作温度可能达到 5 0 0 在如此高的温度下长期工作 元件的输出 检测电桥的输出 不容易在长期工 作中保持不变 这种变化一般是无规律的 主要趋势是逐渐下降的 但也有各种波动 经过初期老化后的元件 在0 4 c h 4 中长期工作 其输出灵敏度常常是在波动中逐 渐下降 这种传感器的敏感元件难以准确检测瓦斯的异常变化和突出瓦斯的瞬时大幅度 变化 对分析研究和瓦斯涌出的规律性不能提供可靠的科学依据和数据 3 引 1 2 2 瓦斯红外传感器 不同气体对红外光有着不同的吸收光谱 某种气体的特征光谱吸收强度与该气体的 浓度相关 甲烷气体对特定波长的红外光具有强烈的吸收作用 甲烷的浓度越大 吸收 越强烈 利用这一原理可以测量甲烷浓度 此类传感器灵敏度高 选择性好 使用和维 护简单 易损坏元件少 使用寿命长 维护费用低 由于该传感器设备复杂 价格昂贵 光学系统和电路的结构都不适于在井下应用并且这种传感器受环境因素影响 温度 湿 度等 较大 3 3 1 2 3 光纤瓦斯传感器 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 适于远距离遥测 体积小 可灵活柔 性挠曲等 很适于在恶劣和危险环境中应用 因而得到广泛重视 上世纪八十年代就有 人报道了光纤瓦斯检测的实验 对瓦斯传感器的研究将是广大科技工作者长期努力的任 务 必将受到广泛的重视1 3 3 j 1 3 瓦斯检测仪器的发展现状 从硬件角度看 现有瓦斯检测仪器有模拟式和数字式两种类型 其工作原理都是对 传感器测量电路 惠斯顿电桥 输出进行放大处理 瓦斯超限后触发报警装置实现声音 报警或光源闪烁报警 传统模拟式瓦斯检测系统无法处理传感器长时间工作出现的零点 漂移和灵敏度非线性变化 测值稳定性差 导致校准周期短 另外系统校准大多采用电 位器调节电桥平衡 调校 测试过程繁琐 对调试人员水平要求高 且受人为因素影响 较大 使得调校工作量大 维护成本高 限制了瓦斯检测安全设备的推广和发展 2 1 绪论 近年来发展迅速的数字式瓦斯报警器 充分利用微处理器丰富 强大的计算能力 对瓦斯测量数据进行分析处理 在传感器自动检测机理和检测系统自动校正方面取得了 一些成果 但是 由于长期以来 瓦斯气敏元件热催化元件本身存在的诸如稳定性等方 面问题 使得现有数字式瓦斯报警性能不稳定 而且智能化 信息处理能力有限 难以 满足现场对瓦斯检测系统自诊断 自校准和自补偿的需要 1 4 单瓦斯气敏元件矿用智能瓦斯报警器的研制 矿用智能瓦斯报警器是我们开发的第一代的数字瓦斯检测仪器 其主要和矿灯结合 使用 安装在矿灯上实现瓦斯的实时监控 到达报警阀值时控制矿灯闪烁报警 看到报 警信号 矿工立即撤离现场到达安全地点 它的特点就是体积小 便于和矿灯安装 功 耗低 1 4 1 整体组成模块及其功能 该系统主要由检测电桥电路 前置放大电路 a d 转换 微机控制电路 报警电路 等组成 能够实现对矿井瓦斯浓度的采集 信号处理 瓦斯传感器零点漂移自动校正 非线性补偿及报警控制功能 在硬件研制方面 以a t m e l 公司的8 位单片机m e g a 4 8 v 为 核一1 2 包括催化气敏元件 l c d 显示 报警电路 r s 2 3 2 通信接口 按键 电源管理等 电路单元 在软件开发方面 设计了软件滤波 软件零点校正 线性内插值和上位机通 讯等子程序模块 采用软件滤波技术 提高了信噪比 定期进行软件零点校正 避免了 标准气体校正的繁琐 有效地抑制了零点偏移 提高了检测的准确性 利用线性内插值 方法对传感器进行非线性校正 准确地获取报警阀值 提高了报警的可靠性 通过和上 位机通讯 由p c 机发送指令控制单片机采集数据 完成标定 减少了瓦斯报警器标定 过程中的人为因素影响 初步试验表明 系统具有操作简单 可靠性好 功耗低 抗干 扰性能好等优点 1 4 2 使用中存在的问题 1 零点漂移现象严重 报警性能不稳定 必须一周标定一次 2 智能化程度低 不能实现系统自检 自诊断 3 只能实现简单的阀值报警 不能线性显示瓦斯浓度值 4 通用性差 只能安装在矿灯上使用 5 报警精度较低 误差较大 6 遇到高浓度瓦斯气体会发生催化元件 中毒 的现象 西安科技大学硕士学位论文 1 5 本课题主要研究内容 传统的模拟式和数字式瓦斯检测设备 由于瓦斯气敏元件在性能和稳定性方面存在 不足 导致了测量精度低 测量稳定性差 零点漂移现象严重 校准周期长 维护费用 高 系统智能化程度低 我们研发的单瓦斯气敏元件智能瓦斯报警模块也存在着这些问 题 为了解决以上问题 本课题将研发一种矿用智能瓦斯传感器 它采用多个瓦斯敏感 元件组成瓦斯检测电路 带有微处理器并兼有检测和信息处理功能 本文在硬件研制方面 以a t m e l 公司的8 位单片机m e g a 4 8 v 为核心 采用多个催化 气敏元件 增加调零电路 通讯接口 浓度显示电路 声光报警 在软件方面采用 插 值算法 多传感器融合算法 零点漂移抑制算法 通过智能瓦斯传感器的研制 使其具 有测量精度高 标定简单 校准周期长 可维护性好等特点 克服传统的瓦斯检测设备 存在的问题 本文研究的主要内容如下 1 系统总体方案的设计 2 系统电源硬件电路的设计和调试 3 催化气敏元件检测电路及其放大电路的设计和调试 4 主控芯片外围硬件电路和通讯接口的设计调试 5 智能瓦斯传感器单片机软件的设计及其调试 6 智能瓦斯传感器上位机监控软件的设计及其调试 7 智能瓦斯传感器标定校准平台设计及标定校准方法 8 智能瓦斯传感器报警点稳定性试验平台设计及其试验分析 4 2 系统总体方案设计 2 系统总体方案设计 为了确保煤矿生产安全 提高瓦斯检测仪器的精度和可靠性 课题组先后研制了模 拟式瓦斯报警器 数字式瓦斯报警器 尽管使传感器的性能得到有效提高 但在实际 使用中仍然存在维护成本高 性能不稳定等问题 对此 课题组提出研制多催化元件智 能瓦斯传感器的思路 实现这一思想的关键 就是确定好的传感器方案 为此 必须认 真分析检测需求和技术指标 明确功能要求 同时 还要考虑传感器的性能价格比 为 智能瓦斯传感器的推广应用奠定基础 2 1 智能瓦斯传感器的需求分析 2 1 1 智能瓦斯传感器的技术指标 1 r 作电压 3 8 v 4 2 v 2 i 作环境温度范围 1 0 5 0 3 7 作环境大气压力 8 0 11 0 k p a 4 5 1 2 作环境相对湿度 9 8 5 r 作环境风速 8 m s 6 催化气敏元件供电电压 2 5 0 1 v 7 催化气敏元件供电电流 1 0 0 5 m 8 报警响应时间小于2 0 s 9 甲烷测量范围为 0 0 0 4 0 0 c h 4 2 1 2 智能瓦斯传感器的功能设计 1 当瓦斯浓度小于1 时 报警器不产生报警信号 当瓦斯浓度大于1 时 灯光 闪烁报警蜂鸣发声报警 测量范围0 4 能实时显示被测瓦斯气体的浓度 显示误差 为 0 1 2 防高浓度瓦斯冲击的功能 当瓦斯浓度超过检测范围上限时 由单片机控制切 断载体催化气敏元件的电源 3 零漂校正功能 防止由于催化气敏元件的漂移引起的测量误差 4 采用了多传感器的提高测量精度 并采用了多传感器数据融合算法 插值算法 提高了测量的精度和线性度 5 采用了上位机软件监控智能瓦斯传感器的采样并显示瓦斯浓度曲线图 6 通过上位机软件对智能瓦斯传感器报警点的标定和校准 提高了标定的准确性 西安科技大学硕士学位论文 延长校准的周期 2 2 智能瓦斯传感器的设计方案 该矿用智能传感器采用多个瓦斯气敏元件组成瓦斯气体测量电路 将瓦斯信号转换 为微小的电压信号 通过放大电路将小信号放大 送入a d 将模拟信号转换为数字信号 利用微处理器强大的运算和逻辑控制功能 分析处理采样数据并输出在数码管上显示瓦 斯浓度 如果瓦斯浓度超限制 则控制蜂鸣器和l e d 实现声光报警 并有自检功能 能 判断简单的硬件故障并输出报警信号 留有通讯接口方便和其他设备或p c 机传输数据 设计e e p r o m 用来存放传感器电子数据表 t e d s 智能瓦斯传感器系统结构图如图2 1 所示 广一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一i 软件层 q lf i t j 层 硬件层 单片机软件p c 监控软件 r a 加 r o m z o 鼙群芤 p c 1 1 e d s 接口 显示电路报警电路 智能瓦斯传感器系统 图2 i 智能瓦斯传感器总体结构图 2 3p c 机监控系统设计方案 为实现对智能瓦斯传感器测试和监控 选择把智能瓦斯传感器采集到的数据发送到 上位机上 通过上位机强大的功能 显示采样的瓦斯气体的体积百分比浓度 并建立瓦 斯传感器的数据库 对每一个瓦斯传感器的数据都有备案 以方便管理和校准 采用 l a b w i n d o w s c v i 是n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司推出的一套面向测控领域的软件开发平 台 它以a n s ic 为核心 将功能强大 使用灵活的c 语言平台与数据采集 分析和表 达的测控专业工具有机地接和起来 它的集成化开发平台 交互式编程方法 丰富的控 6 2 系统总体方案设计 件和库函数大大增强了c 语言的功能 为熟悉c 语言的开发人员建立检测系统 自动测 量环境 数据采集系统 过程监控系统等提供了一个理想的软件开发环境 智能瓦斯传 感器上位机监控软件总体方案如图2 2 所示 图2 2 智能瓦斯传感器上位机监控软件总体结构图 2 4 智能瓦斯试验标定校准方案设计 智能瓦斯传感器硬件调试完毕以后必须设置标定点 智能瓦斯传感器为满足测量精 度而选择的校准气样的体积百分比浓度值 将其保存在微处理芯片中或e e p r o m 中 把 它与采样的数据比较通过数学的方法分析计算得出被采样的瓦斯的实际浓度 传统的标 定过程都是采用人为的方式给瓦斯检测设备通入某种体积百分比浓度的瓦斯气体 然后 通过a d 采样转换为数字量 触发按键将其保存在e e p r o m 中 整个标定过程没有监控措 施 由于瓦斯浓度的变化 以及人为因素 使设置的标定点偏大或偏小于真实值 导致 检测的瓦斯浓度偏小或偏大于真实值 本文采用上位机和下位机相配合的方式完成设置标定点 在标定的过程中先将智能 瓦斯传感器放在一个气室中 再给通入某种百分比浓度的瓦斯气体 智能瓦斯传感器采 样被测气体 并将采样数据通过通讯口传送到上位机上 上位机软件实时监控整个过程 中的瓦斯浓度的变化过程 在瓦斯气体稳定以后将采样的数据保存在微处理器中 通过 上位机向智能瓦斯传感器发送命令查询刚才写入的标定点的数据 是否正确 2 5 本章小结 本章首先分析了智能瓦斯传感器的设计要求 提出了以传统瓦斯传感器为基础 以 微处理器为核心 构建多催化气敏元件的智能传感器方案 为提高瓦斯检测的精度和可 7 西安科技大学硕士学位论文 靠性开辟了新的途径 为了研究该智能瓦斯传感器的特性 提出了基于p c 的上位机监 控传感器特性方案 对于掌握催化气敏元件的瓦斯检测特性和规律奠定了基础 提出了 该智能瓦斯传感器的标定的设计方案 旨在简化标定程序 提高系统的易维护性 降低 维护成本 8 3 系统的硬件设计 3 系统的硬件设计 智能瓦斯传感器的硬件系统是实现瓦斯检测数字化 智能化的关键 由于该传感器 应用于矿井 且属于多催化气敏元件系统 因此 在硬件系统的研制中要综合考虑性能 防爆 价格等多种因素 该智能传感器系统的硬件设计包括数据采集 电源设计 信 号放大电路设计以及控制输出电路设计等 数据采集系统主要由传感器 放大电路 单 片机等组成 电源包括传感器供电电源和单片机供电电源 本章着重介绍各元器件的选 择和一些重要电路的分析计算 3 1 系统硬件的组成 智能瓦斯传感器硬件包括系统电源模块 瓦斯气敏元件检测电路模块 信号放大电 路模块 微处理器模块 通讯模块 报警输出模块 浓度显示模块等 其结构如图3 1 所示 低压差稳压芯片2 5 v 一l i 电池卜 刊低压差稳压芯片3 a v j 叫 一atmega48v i 蓊聋 通讯接口 l l 塑卜叫竺型堡里l 图3 1 智能瓦斯传感器硬件结构图 3 2 系统电源设计 目前煤矿检测设备大部分采用锂电池供电 为了和其它煤矿检测设备对接方便 本 智能瓦斯传感器设计采用锂离子电池供电 可以和其它煤矿检测设备公用电源 也可以 单独使用锂电池供电 锂离子电池标称电压3 7 v 充电截止电压4 2 v 故需要采用专 用的稳压器件将锂离子电池的电压稳定到一定值 保证系统电源稳定可靠 传统的线性 稳压器 如7 8 x x 系列的芯片都要求输入电压要比输出电压高出2 v 3 v 以上 否则就不 能正常工作 l d o 1 0 wd r o p o u tr e g u l a t o r 意为低压差线性稳压器 是相对于传统的线 性稳压器来说的 线性稳压器使用在其线性区域内运行的晶体管或f e t 从应用的输入 9 一报警模块 浓度显示一 胄 路二路二路电二电二电测 测二测检二检二检竺竺贿 西安科技大学硕士学位论文 电压中减去超额的电压 产生经过调节的输出电压 所谓压降电压 是指稳压器将输出 电压维持在其额定值上下1 0 0 m v 之内所需的输入电压与输出电压差额的最小值 l d 0 低 压降 稳压器通常使用p n p 功率晶体管作为传递设备 这种晶体管允许饱和 所以稳压 器可以有一个非常低的压降电压 通常为2 0 0 m v 左右 与之相比 使用n p n 复合电源 晶体管的传统线性稳压器的压降为2 v 左右 3 2 1 微处理器稳压芯片选择 系统中采用的有源器件有微处理器m e g a 4 8 v 运放b a 4 51 0 瓦斯气敏元件l x k 7 m a x 3 2 3 2 根据各个元件的供电电压需求选用s p i e x 半导体公司的l d o 芯片 s p x 2 9 4 0 3 3 v 将锂电池电压降低到3 3 v 为系统提供稳定的电压 s p x 2 9 4 0 3 3 v 的输入 电压范围2 5 v 1 6 v 输入输出电压差为0 1 8 v 最大能提供1 a 的负载电流 过流保护 及过热关断保护 其应用电路图如3 2 所示 u l 图3 2s p x 2 9 4 0 应用电路原理图 3 2 2 防高浓度瓦斯冲击电路的设计 c 4 l 仇l f 瓦斯气敏元件它的额定电压2 5 v 1 0 0 5 m a 本系统采用了3 个气敏元件 需要 2 5 v 3 0 0 m a 电流 选用s p 6 2 0 5 2 5 v 作为稳压芯片给瓦斯气敏元件检测电路提供稳定 的电源 s p 6 2 0 5 2 5 v 的输入电压范围2 5 v 6 v 内嵌0 6 qp m o s 型滤波模块输入输出 电压差为0 1 8 v 温度范围内误差小于2 1 2 u v r m s 带1 0 n f 旁通电容 2 2 u f 陶瓷电 容即可稳定输出 5 0 0 m a 负载时 地点电流仅为3 5 0 u a 节能断电模式 功耗小于1 u a 快速开 关功能 6 0 u s 过流保护及过热关断保护 出色的p s r r 特性6 7 d b 1 2 m v 1 c h 4 可燃气体浓度检测 可燃气体泄漏报警 3 4 系统主控制芯片的选择 系统主控制芯片是系统硬件系统的核心 其性能对系统测量精度 可靠性起着决定 性的作用 因此选择一个合适的主控芯片非常重要 本系统的要求其具有体积小 处理 西安科技大学硕士学位论文 能力强大 成本低等特点 3 4 1 当前流行嵌入式芯片比较 1 单片机单片机就是在一块芯片上集成了c p u r a m r o m e p r o m 或e e p r o m 时钟 定时 计数器 多种功能的串行和并行i o 口 如i n t e l 公司的8 0 3 1 系列等 除 了以上基本功能外 有的还集成有a d d a 如i n t e l 公司的8 0 9 8 系列 概括起来说 单片机具有如下特点 具有位处理能力 强调控制和事务处理功能 价格低廉 如低档 单片机价格只有人民币几元钱 开发环境完备 开发工具齐全 应用资料众多 2 d s p 器件具有较高的集成度d s p 具有更快的c p u 更大容量的存储器 内置 有波特率发生器和f i f o 缓冲器 提供高速 同步串口和标准异步串口 有的片内集成 了a d 和采样 保持电路 可提供p w m 输出 d s p 器件采用改进的哈佛结构 具有独立的 程序和数据空间 允许同时存取程序和数据 内置高速的硬件乘法器 增强的多级流水 线 使d s p 器件具有高速的数据运算能力 d s p 器件比1 6 位单片机单指令执行时间快8 1 0 倍 完成一次乘加运算快1 6 3 0 倍 d s p 器件还提供了高度专业化的指令集 提高 了f f t 快速傅里叶变换和滤波器的运算速度 此外 d s p 器件提供j t a g 接口 具有更先 进的开发手段 批量生产测试更方便 开发工具可实现全空间透明仿真 不占用用户任 何资源 软件配有汇编 链接c 编译器 c 源码调试器 3 a r m a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 微处理器a r m 不是单片机 而是一个单 片机的内核 a r m 是a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 的缩写 其r i s c 为精简指令计算机 同 时a r m 又是设计a r m 处理器的公司名称 它仅仅是一个单片机中的一个处理器 一般称 为a r m 处理器结构 这个处理器结构拥有自己的指令代码集 可以通过执行代码控制外 部设备 如果将这个处理器设计出各种外部设备 并用总线连接起来 就组成了不同结 构和性能的单片机 目前 世界上很多芯片生产商都利用a r m 处理器设计自己的单片机 目前a r m 家族中主要有5 个产品系列 a r m 7 a r m 9 a r m 9 e a r m i o 和s e c u r c o r e 所 谓以a r m 为核 就是把a r m 作为中央处理器 根据需要设计出外围功能模块 用总线把 这些功能模块和a r m 核连接在一起 组成一个单片机 这个单片机由a r m 核控制 由a r m 核执行指令 结合以上比较 考虑性能 开发成本 产品体积等重要因素 本系统决定采用以单 片机为主控芯片的设计方案 采用a t m e l 公司的m e g a 4 8 v 单片机作为本系统的主控芯片 3 4 2a v r 微处理器m e g a 4 8 v 的特点 本系统采用高性能 低功耗的8 位a v r 微处理器h 引 1 先进的r i s c 结构 一1 3 0 条指令一大多数指令执行时间为单个时钟周期 1 2 3 系统的硬件设计 一3 2 个8 位通用工作寄存器 一全静态工作 一工作于1 6m h z 时性能高达1 6m i p s 一只需两个时钟周期的硬件乘法器 2 非易失性程序和数据存储器 一8 k 字节的系统内可编程f l a s h 擦写寿命 1 0 0 0 0 次 一具有独立锁定位的可选b o o t 代码区通过片上b o o t 程序实现系统内编程真正的 同时读写操作 一5 1 2 字节的e e p r o m 擦写寿命 1 0 0 0 0 0 次 一1 k 字节的片内s r a m 一可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密 3 外设特点 一两个具有独立预分频器8 位定时器 计数器 其中之一有比较功能 一一个具有预分频器 比较功能和捕捉功能的1 6 位定时器 计数器 一具有独立振荡器的实时计数器r t c 一三通道p w m 一t q f p 与m l f 封装的8 路a d c 8 路1 0 位a d c 一p d i p 封装的6 路a d c 8 路1 0 位a d c 一面向字节的两线接口 一两个可编程的串行u s a r t 一可工作于主机 从机模式的s p i 串行接口 一具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器 一片内模拟比较器 4 特殊的处理器特点 一上电复位以及可编程的掉电检测 一片内经过标定的r c 振荡器 一片内 片外中断源 一5 种睡眠模式 空闲模式 a d c 噪声抑制模式 省电模式 掉电模式及s t a n d b y 模式 5 i o 和封装 一2 3 个可编程的i o 口 一2 8 引脚p d i p 封装 3 2 引脚t q f p 封装 3 2 引脚m l f 封装 6 工作电压 一2 7 5 5 v a t m e g a 4 8 l 西安科技大学硕士学位论文 一4 5 5 5 v a t m e g a 4 8 7 速度等级 一0 8m h z a t m e g a 4 8 l 一o 一1 6m h z a t m e g a 4 8 8 4m h z 时功耗 3 v 2 5 c 一工作模式 3 6m a 一空闲模式 1 0m a 一掉电模式 0 5ua t q f pt o pv i e w i n t l p d 3 x c k r f 0 p d 4 g n d v c c g n d v c c x t a l l t o s c l p b 6 x t a l 2 f f o s c 2 p b 7 n o 乱 匕 p c if a d c l p c 0 a d c 0 a d c 7 g n d a r e f a d c 6 a v c c p b 5 s c k 图3 5 m e g e 4 8 v 单片机管脚结构图 3 5 信号放大电路的设计 3 5 1 瓦斯信号的特点 分析本系统采集到的信号的特点发现 信号的变化范围是o 2 5 m v 当瓦斯浓度每上 升一个百分点的时候 其输出量为毫伏级 其中一组典型的数据如表1 所示 1 4 一袋vq 一魁u乱一nqq 一no乱一 o 每oov 咛q乱一一n s访 o 一酊 乱一 l山 山叱一oo乱一o 定一oia乱一q 上 i o乱一oj ni nq良 甘 屯一o 一互一 1 d蠢 iqlso互一 掰色一 l o o j 访 一 i 乱一 1 do o 乱 艮q 1 卜d九一liz v o q 艮一0 2 一v 3 系统的硬件设计 表11 i c l1 4 输出信号的一组典型值 表1 的数据表明 随甲烷浓度的变化 电桥的输出信号很小 即有用信号的幅度绝 对值很小 因此必须采用相应的信号放大技术才能很好的处理 小信号对放大电路的基本要求 1 输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配 2 一定的放大倍数和稳定的增益 3 低噪声 4 低的输入失调电压和输入失调电流以及低的漂移 5 高共模输入范围和高共模抑制比 3 5 2 运算放大器的选用及其电路的设计 系统选用的单电压运放2 5 v 供电 因此 必须使其工作予j 下向饱和区 如图3 6 为理想集成运放传输特性 图3 4 为瓦斯检测常用电路惠斯顿电桥 分析可见输入要保 证正向饱和输出 可以在电桥上串联或并联电阻 如在白元件上并联电阻 或者在r 2 下串联电阻 也可以针对每一个系统单独调整其零点和1 c h 4 时的输出 后一种方法 不足之处是可能一部分瓦斯要补偿由于电阻阻值等因素造成的电桥负向饱和输出 从而 造成检测结果显示浓度偏低 检测系统就必须单独进行标定 当检测环境中瓦斯浓度在o 一4 之间变化时 测试电路输出电压的变化范围是 o 2 5 m v 必须对信号进行放大 才能被单片机采样 取 玑 理想运放符号 lu o m歹瓢特性 蜜际特性 o 虬一誓二 j u o m 运放el 堆倦输特性 图3 6 集成运放传输特性 基于成本和低电压供电的考虑本课题设计选择r o h m 公司的运放b a 4 5 1 0 其有如下 特点 西安科技大学硕士学位论文 1 输入失调电压最大6 m v 2 输入失调电流最大2 0 0 n a 3 输入偏置电流最大5 0 0 n a 4 高放大电压增益典型值9 0 d b 5 共模输入电压最大1 5 v 6 共模抑制比典型值为8 0 d b 7 电源抑制比典型值为8 0 d b 8 可以低电源供电双电源供电范围是l v 3 5 v 单电源供电2 v 7 v 9 宽的动态输出范围 其放大电路的原理图如图3 7 所示 r 7 图3 7 瓦斯检测信号放大原理图 3 6 通讯接口电路的设计 数据通讯借口采用串行通讯接口 电平转换电路采用m a x 3 2 3 2 芯片将t t l 电平转换 为r s 2 3 2 电平 其应用电路如图3 8 所示 图3 8 串口通讯原理图 1 6 3 系统的硬件设计 3 7 显示电路报警电路设计 显示电路采用四个八段共阳极数码管显示瓦斯浓度值 通过单片机p b 口来控制数 码管的八个段 用p c 2 p c 3 p c 4 p c 5 分别控制每个数码管的公共端 采用动态显示 的方法使4 个数码管依次点亮 刷新频率小于5 0 h z 保证显示稳定无闪烁现象 其应用 电路如图3 9 所示 日 日 日 日 田 口 l i o 占 s 3 j 图3 9 数码管显不电路图 3 8 本章小结 本章以国家煤矿瓦斯检测标准为依据 进行了智能瓦斯传感器研制 首先介绍了多 催化气敏元件智能瓦斯传感器系统的硬件组成 整体构架 其次分别介绍了电源模块的 设计 瓦斯气敏元件的选用及其检测电路的设计 主控芯片的选择 最后介绍了信号放 大电路 数码管显示电路和通讯接口电路的设计 该智能瓦斯传感器硬件系统具有结构 紧凑 性能可靠 功能完善等特点 奠定了智能瓦斯传感器的基础 为高可靠性瓦斯检 测提出了新的解决方法 1 7 西安科技大学硕士学位论文 4 系统软件设计 利用信号分析与处理技术提高信号的信噪比 提高传感器的检测精度和可靠性已成 为现代检测技术的重要研究内容 目前 普遍使用的催化瓦斯检测系统 存在系统零点 漂移 非线性等问题 直接影响瓦斯检测的精度和可靠性 本章将借助于数字信号分析 处理技术 抑制零点漂移 并进行非线性校正 4 1 单片机软件设计 系统软件采用模块化设计方法 软件流程如图4 1 所示 系统上电或复位后 m e g a 4 8 v 首先调用e e p r o m 中的参数 在调用传感器零漂补偿程序 然后调用数据采集模 块 将传感器输出的模拟电压值转换成对应的数字量 为提高系统检测精度 调用数据 处理模块对采集到的数据进行数字滤波运算 避免大的误差产生 然后再进一步进行线 性插值运算 所得瓦斯浓度与报警值比较 若浓度超限 则调用光报警模块 4 1 1 串口通讯程序设计 图4 1 单片机主程序流程图 串口中断子程序软件流程如图4 2 所示 其主要实现上位机和下位机通讯功能 接 收上位机发送的命令来判断单片机的工作模式 同步发送数据状态 设置参数状态 查 1 8 4 系统软件设计 询参数状态 查询错误代码 图4 2 串口中断于程序流程图 4 1 2 平均值滤波子程序设计 方法 连续取n 个采样值进行算术平均运算 n 值较大时 信号平滑度较高 但灵 敏度较低 n 值较小时 信号平滑度较低 但灵敏度较高 优点 适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波 这样信号的特点是有一个平均 值 信号在某一数值范围附近上下波动 缺点 对于测量速度较慢或要求数据计算速度较快的实时控制不适用 比较浪费 r a m 其算法为 x 坐警 x n n 4 1 式中 x 为均值 x l x 2 x n 为n 次测量值 本系统根据需要 选择采样点数为n 1 0 在通常情况下 矿井瓦斯浓度一般低于报 警值 1 采用平均值滤波可以防止噪声等原因引起误报警 总的来说 本系统的检 测信号在某一数值范围附近上下波动 即通常情况下 瓦斯浓度变化不大 因此 适 合采用此种方法 3 1 9 西安科技大学硕士学位论文 4 1 3 零漂移分析及抑制程序设计 零点漂移是指瓦斯传感器在规定的连续工作时间内零点的变化 按g b l 3 4 8 6 9 2 的 要求 便携式催化瓦斯传感器连续工作8 小时的零点漂移不应大于o 1 c h 4 这个标准 是很宽松的 但瓦斯传感器在使用较长时间后 就会出现严重的零点漂移 其主要原因 是热催化传感元件和补偿元件的物理参数一致性差 引起电桥漂移有两方面的因素 一 是催化元件组成的电桥在空气中工作时自身出现的漂移 另一方面是由于催化元件在甲 烷气氛下时间受热致使催化剂反应活性下降造成的输出漂移 3 2 1 瓦斯气敏元件 集成运 放和带a d 的微处理器可以构建最简数据采集系统 前向通道中的瓦斯气敏元件 放大 器和a d 易受温度 导致温漂 时间 导致时漂 等因素影响而引起系统 零位 动 态变化 并且电路的稳定性 线性度 抗干扰能力 直接影响到数据的采集质量 将智能瓦斯传感器接通电源 放置在新鲜空气环境中 通过上位机监控软件 对零 点漂移值进行采样 将读得值 即零点漂移值 经通讯端口写入智能瓦斯传感器内部的 e e p r o m 以后每次开