便携式瓦斯检测仪的设计-开题报告

中 北 大 学毕业设计开题报告学 生 姓 名 ： 学 号：学 院 、 系 ： 信息与通信工程学院 电气工程系专 业 ： 电气工程及其自动化设 计 题 目 ： 便携式瓦斯检测仪的设计指 导 教 师 : 2013 年 03 月 09 日毕 业 设 计 开 题 报 告1结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写 2000 字左右的文献综述：文 献 综 述一、研究背景及意义随着国民经济的不断发展，对煤炭的需求也与日俱增，但要保证采矿业顺利进行，安全是非常重要的。近年来，作为煤矿事故的主要原因之一的瓦斯爆炸事件频繁发生，造成了重大伤亡和经济损失，教训深刻，为此使得煤矿生产管理单位对煤矿瓦斯监测非常重视，同时开展煤矿瓦斯检测工作也成为煤矿是否可以生产的必要条件 123。目前，国内煤矿所用的瓦斯报警系统已有一定的规模，但其检测精度低，且检测范围窄，难以检测高浓度的瓦斯，同时由于其它气体的干扰，造成无效判断，这也是一些瓦斯检测人员采用传统检测仪造成窒息死亡的原因。另外，气敏检测传感器的一致性、互换性差，需要经常校准，使用不方便。从这一点出发，研究和开发新型的传感器来克服这些问题，是当务之急 4。再者，对于目前煤矿周边用户大量使用天然气以及使用从矿下集中收集的大量甲烷气体的家庭来说，安装微型的气体传感器，保证家庭人员和财产安全也是至关重要的 5。二、国内外研究现状及趋势国外发达国家对气体在线检测仪器研究和应用较早，现已研制出的基于光干涉原理、热催化原理、热导原理的传感器都在气体检测中起到了推动作用 6。在大多数的检测方法和仪器中,红外光谱吸收型气体传感器技术方案是最有效和广泛采用的方法 7。国外对气体检测的研究已有一定的历史，也取得了较大的进展。但是对于研制新型的检测系统，用更新的检测方法去研究新的探测器以更适应应用场所的需要，是目前研究的热点 8。国外虽然有一些基于红外技术的瓦斯传感器，但价格昂贵，应用受到了限制 9。目前，国内大部分煤矿使用的都是基于电子式的瓦斯报警传感器。这种报警器虽然价格比较便宜，但其存在许多不容忽视的弊端 10。电子传感器具有稳定性差，精度不高，易与矿井下的其它气体如 CO 做出反应，产生误报警，而且由于环境的影响必须对其进行定期校准，使用寿命也很低，既浪费人力又耗费财力，安全性也不高。从长远利益来看，现有的瓦斯传感器系统有待改进 11。总的来说，目前国内煤矿应用的甲烷检测的仪器有多种，主要有：气相色谱仪，气敏元件传感器，光学干涉仪等 12。1气相色谱仪该类仪器可以检 CO、CO 2等多种气体。测量范围大而且精度很高，但成本较高 13。这种仪器的缺点是：体积较大，无法方便携带：工作环境要求很高，测量时要先对气体取样，无法实时探测，功率很大。这种仪器目前主要应用在实验室内 14。2气敏元件传感器该类仪器是利用催化元件在不同浓度甲烷中使电桥电阻变化不同制成，是目前矿井中最常见的甲烷检测手段 15。它的特点是：使用方便，价格便宜。该仪器的缺点是：测量范围有限；精度很低，结果不可靠；响应时间很长 16。3光学干涉仪该类仪器是利用光学干涉的原理，当两束光所经过光程相同时，干涉条纹不发生移动。如果气样室中气体的成分、温度、压力发生改变，则是折射率起了改变，光程也发生变化，所看到的干涉条纹也发生移动 17。光学干涉仪的特点是：使用的条件要求不高，精度可以达 0.1左右，一般矿井中的瓦斯安全员用的多为这种仪器。缺点是：1.当水蒸气含量较高时，测量精度下降，需要经常更换药品；2.仪器的安装较困难，读数不方便，读数的精度直接与使用人员的操作有很大关系；3.测量范围有限，精度不高 18。这些检测手段在不同程度上存在着缺陷，并且无法进行远距离探测，这也是我国煤矿甲烷爆炸事件频繁发生的一个重要原因 19。以全固体、气体或半导体激光器为发射源的甲烷探测器具有对大气成分进行实时的、灵敏的、远距离的探测等特点，但由于激光器的本身价格昂贵，限制了这类探测器在实际中广泛应用 20。综上所述，目前国内外缺小一种微型化的、低功耗的气体传感检测设备来满足目前国内外的需要，每种系统都可能存在量程小、体积大、功耗大、需短期内校准、使用寿命短、无数据传输方式等其中某种或某几种缺点 21。而微红外传感系统高度集成光发射、光接收、光路传播及气室等部分，使整个系统紧凑，并采用新型的 NDIR(非分光红外技术)技术，大大提高了探测的灵敏度。采取先进的红外探测技术，利用先进的 MEMS 工艺和集成技术，选用高集成度的混合集成芯片作微处理单元，优化软件和硬件的设计，大大简化了系统功耗和体积，使系统向微型化、微功耗等方向发展。所以目前微红外传感检测系统的研究具有深刻的意义和广阔的应用前景 22。参考文献：1李文峰.煤矿瓦斯可燃性气体及井下环境参数的检测J.煤炭安全，2006(8):12-14.2陈永占.新型全量程甲烷检测仪的研究与设计.硕士学位论文.武汉：武汉理工大学,2008.3任丽丽.便携式甲烷检测仪的设计方法J.科技与生活，2011(16):19-20.4刘敏.红外吸收型煤矿甲烷检测仪的研制.硕士学位论文.大连：大连理工大学,2006.5江丙友，张念超，刘萌.瓦斯检测传感器概述J.山西焦煤科技，2008(5):4-6.6李广弟.单片机基础M.北京：北京航空航天大学出版社，1994:1-3.7刘迎春.传感器原理设计与应用M.长沙：国防科技大学出版社，1997:34-42.8徐毓.国外气敏传感器发展动向M.第二版.北京：科学出版社，1996:21-28.9谢宝卫，李国斌.催化燃烧型瓦斯检测仪器性能特征及影响因素浅析J.煤矿安全，2002(3):33-35.10凌志浩.智能仪表原理与设计技术M.上海：华东理工大学出版社，2003:83-92.11郭振强，李传友,李观平.多功能便携式气体检测仪技术探讨J.山东煤炭科技，2005(5):45-46.12金篆芷.现代传感技术M.北京：电子工业出版社，1995:23-32.13单成祥.传感器的理论与设计基础及其应用M.北京：国防工业出社.1999:37-53.14陈庆陆.便携式矿用瓦斯检测系统设计J.山西电子技术，2011(19):25-26.15刘思伟，李一男，王汝琳.新型矿用红外瓦斯检测仪的研制J.河北理工大学学报，2007(4):20-25.16刘丽霞.嵌入式煤矿瓦斯检测仪应用研究J.煤炭技术，2010(6):45-47.17郭文川.井下车载瓦斯检测报警器的设计J.煤炭技术，2010(7):86-88.18M. A. Ryan, M. L. Homer, etal.Monitoring the Air Quality in a Closed chamber Using an Electronic C. Proceedings of the International Conference on Environmental Systems. Lake Tahoe, Nevada:Society of Automotive Engineers, 1997:23-32.19V. Demare,A.Grisel.Intergrated semiconductor gas sensors evaluation with an automatic test systemJ. Sensor and Actuators B, 1990,(32):87-92.20Julian W. Gamder.Detection of vapours and odours from a multisensor array using Pattern recognitionJ. Sensor and Actuators B, 1991,(40):9-15.21Hanry W.Ott.8-bit AVR Microcontroller with 32K Bytes In-System Programmable Flash ATmega32ATmega32LJ.Atmel Corporation,2008,(13):21-22.22Lrppino G.A.DMP2014V P-channel enhancement mode field effect transistorJ.Diodes Incorporated November，2007,(61):24-27. 毕 业 设 计 开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：一、本课题需要解决的问题：1、在熟悉便携式瓦斯检测仪工作原理的基础上，进行基于单片机的便携式瓦斯检测仪的总体设计；2、熟悉瓦斯气体测量的基本理论，选择合适的瓦斯气体测量方法和传感器；3、在理解单片机的工作原理后，进行便携式瓦斯检测仪的硬件选型与电路设计；4、绘制便携式瓦斯检测仪的硬件电路原理图；5、进行便携式瓦斯检测仪的软件流程设计。二、拟采用的研究手段系统设计原理框图如图1所示。传感器信号放大电路模数转换 单片机LCD 显示声光报警键盘复位电路看门狗电路图1 系统设计原理框图根据所学知识和出于经济性的考虑，决定采用催化燃烧式瓦斯传感器和单片机为主体进行设计。（1）数据采集功能：通过特定的瓦斯传感器对环境中的瓦斯浓度进行检测，并上传到单片机；（2）信号放大电路：研究微弱信号的放大和滤波，提高整个检测系统的信噪比和精度；（3）A/D 转换部分：即图中的数模转换，将采集到的模拟量转换成数字量，上传到单片机；（4）数据处理部分：选用单片机作微处理单元，来完成数据处理、传输等功能；（5）数据显示功能：采用液晶显示进行浓度和报警值；（6）浓度报警功能：当某种气体浓度达到预设定报警点时，通过发光、发声报警；（7）按键：通过按键实现按需调整报警浓度