便攜式瓦斯檢測儀設計(完整版)

　　

【正文】 片機處理后送往 LED 顯示出來，當瓦斯濃度達到報警極限是實現聲光報警功能。 開始氣體檢 測 單片機向 ADC0809發送采集端口 單片機讀取ADC0809 轉換之后的信號 Vrl 單片機根據 Uo計算出 Uab 值 將 Uab 代入傳 感器靈敏度特性曲線求出濃度 得出最終結果 圖 42 A/D 轉換 程序流程圖 東北石油大學 本科生畢業設計（論文） 30 圖 43 LED 顯示子 程序流程圖 鍵盤掃描子程序流程圖 本設計采用的鍵盤為獨立式鍵盤， 軟件采用的是查詢式結構， 先逐 位查詢 每根 I/O 口 線 的輸入狀態，如 果 一 根 I/O 口 線 輸入為低電平， 則 可 確認 該 I/O 口 線 所對應的按鍵 已 按下，然后再轉 向 該按鍵的功能 處 理程序， 其鍵盤軟件的流程圖見圖 44 所示 。 其主要的功能及特點如下： 設計的便攜式瓦斯檢測儀能實現數碼管顯示及聲、光報警功能。 我要衷心的感謝測控技術與儀器教研室的全體老師 以及我的室友們 ，是他們在 我 的學習生活中，給予了我很大的信任、鼓勵、關心和幫助，使我能夠以優異的成績完成本科階段的學習任務。 東北石油大學 本科生畢業設計（論文） 33 參考文獻 [1] 吳建峰 ,孔慶鈁 ,王保東 .混合氣爆炸 極限的理論計算方法 [J].油氣儲運 .1994,(5):2. [2] 李耀勇 .瓦斯檢查工 [M].中 國礦業大學出版社 .20xx:79. [3] 李學來 .瓦斯災害治理新技術 [J].中國安全科學學報 .20xx (4):100104. [4] 張國棟 .談礦井瓦斯爆炸 [J].煤炭技術 ， 20xx(2): 315319. [5] 劉迎春 .傳感器原理設計與 應用 [M].國防科技大學出版社 ， 1997:3442. [6] 徐毓 .國外氣敏傳感器發展動向 [M].第二版 .科學出版社， 1996:2128. [7] 謝寶衛 ,李國斌 .催化燃燒型瓦斯檢測儀器性能特征及影響因素淺析 [J].煤礦安全 ， 20xx(3):3335. [8] 凌志浩 .智能儀表原理與設計技術 [M].華東理工大學出版社 .20xx,8392. [9] 郭振強 ,李傳友 ,李觀平 .多功能便攜式氣體檢測儀技術探討 [J]. 山東煤炭科技 .20xx,(5):4546. [10] 金篆芷 .現代傳感技術 [M].電子工業出版社 .1995,2332. [11] 單成祥 .傳感器的理論與設計基礎及其應用 [M].國防工業出版社 .1999,3753. [12] 李廣弟 .單片機基礎 [M].北 京航空航天大學出版社 .1994, 13. [13] 陳慶 陸 .便攜式礦用瓦斯檢測系統設計 [J].山西電子技術 .20xx(1), 2526. [14] 劉思偉，李一男，王汝琳 .新型礦用紅外瓦斯檢測儀的研制 [J].河北理工大學學報 .20xx(4), 2025. [15] 劉麗霞 .嵌入式煤礦瓦斯檢測儀應用研究 [J].煤炭技術 .20xx(6), 4547. [16] 郭文川 .井下車載瓦斯檢測報警器的設計 [J].煤炭技術 .20xx(7), 8688. [17] 江丙友，張念超，劉萌 .瓦斯檢測傳感器概述 [J].山西焦煤 科技 .20xx(5), 46. [18] M. A. Ryan, M. L. Homer, et al. Monitoring the Air Quality in a Closed chamber Using an Electronic Nose, Proceedings of the International Conference on Environmental Systems, Society of Automotive Engineers, Lake Tahoe, Nevada, 1997:2332. [19] V. Demare,. Intergrated semiconductor gas sensors evaluation with an automatic test system. Sensor and Actuators B, 1990:8792. [20] Julian W. Gamder. Detection of vapours and odours from a multisensor array using Pattern recognition. Sensor and Actuators B, 1991,(4):109115. 東北石油大學 本科生畢業設計（論文） 34 致 謝 本設計是在曹廣華教授的悉心指導下完成的。特別是瓦斯煤塵爆炸事故，危害更為嚴重。 系統主程序流程圖如圖 41 所示。 東北石油大學 本科生畢業設計（論文） 27 圖 319 MAX756 穩壓電路圖 5V 穩壓源的設計 該穩壓電源的設計采用芯片 ICL7660 來實現。 MAX756 是 CMOS 升壓 DCDC 開關小型，低輸入電壓或電池供電的系統監管 芯片 。 圖 317 報警電路圖 東北石油大學 本科生畢業設計（論文） 26 電源設計 本設計需要設計 +5V、 5V、 +3V 獨立電源，用來給單片機和諸多數字電路提供電壓。 獨立 式按鍵的軟件常采用查詢式結構、 先逐 位查詢 每根 I/O 口 線 的輸入狀態，如 果 一 根 I/O 口 線 輸入為低電平， 則 可 確認 該 I/O 口線 所對應的按鍵 已 按下，然后，再轉 向 該按鍵的功能 處 理程序。但非編碼鍵盤可 以任意組合、成本低、使用靈活。位驅動 DIG0 和數碼管的地端 COM1 腳相連，位驅動 DIG1 和數碼管的地端 COM2 腳相連，位驅動DIG2 和數碼管的地端 COM3 腳相連，位驅動 DIG3 和數碼管的地端 COM4 腳相連。 MAX7219 的引腳排列如圖 314 所示 。由于所有位的段選碼皆由一個 4 位 I/O 口控制，因此，在每個瞬間，4 位 LED 可能顯示相同的字符。 7 段 LED 顯示器 如圖 313 所示。這種顯示塊有共陽極和共陰極兩種，共陽極 LED 顯示塊的發光二極管陽極并聯（系統中接驅動電源）。當系統跑飛，用軟件陷阱等別的方法無法捕捉回程序時，則看門狗定時時間很快增長到預置時間，迫使系統復位。在看門狗定時器預置的時間內若沒有總線活動，則 X25045 將從 RESET 輸出一個高電平信號，經過微分電路 C1 R21 輸出一個正脈沖，使 CPU 復位。 X25045 是美國 Xicor 公司的生產的標準化 8 腳集成電路，它將 EEPROM、看門狗定時器、電壓監控三種功能組合在單個芯片之內，大大簡化了硬件設計，提高了系統的可靠性，減少了對印制電路板的空間要求，降低了成本和系統功耗，是一種理想的單片機外圍芯片。手動復位要求在電源接通的條件下， 在單片機運行期間，如果發生死機，用按鈕開關操作使單片機復位。其中單片機是系統的核心部分 ， 單片機發出控制信號以啟動 A/D 轉換器進行采樣 。在片內接至振蕩器的反相放大器輸出端和內部時鐘發生器輸入端。 AT89C51 單片機的介紹 AT89C51 是一種帶 4K 字節閃存可編程可擦除 只讀存儲器 的低電壓，高性能CMOS 8 位微處理器， 也被稱作單片機 [13]。 圖 37 74LS373 引腳圖 表 32 74LS373 鎖存器真值表 輸入管腳 輸出 OEN G D Q H X X 高阻 L H L L（數據傳送） L H H H（數據傳送） L L X （數據鎖存） 74LS373 引 腳 端符號： 東北石油大學 本科生畢業設計（論文） 16 D0D7：鎖存 數據輸入端 ； OE： 三態允許控制端（低電平有效） ； G： 鎖存允許端 ； Q0Q7：鎖存數據 輸出端 。 ADC0809 的主要特性有： (1) 8 路輸入通道， 8 位 A/D 轉換器，即分辨率為 8 位 ； (2) 具有轉換起停控制端 ； (3) 轉換時間為 100μs； 東北石油大學 本科生畢業設計（論文） 15 (4) 單個＋ 5V 電源供電 ； (5) 模擬輸入電壓范圍 0～＋ 5V，不需零點和滿刻度校準 ； (6) 工作溫度范圍為 40～＋ 85 攝氏度 ； (7) 低功耗，約 15mW。所謂數字化測量，就是以一定時間間隔測定某個時刻的瞬 時值，再將其轉換成數字量 。 圖 34 OP07 引腳圖 1 和 8 腳為偏置平衡 (調零端 )， 2 腳為反向輸入端， 3 腳為正向輸入端， 5 腳為空腳 ， 6 腳為輸出端， 7 和 4 分別接電源的正負極。為了提高精度，放大器還應有較高的開環增益，較低的失調電壓、失調電流、噪聲以及漂移等 [11]。 表 31 MJC4/ 型傳感器技術指標 工作電壓 (V) 177。 該 瓦斯檢測儀由傳感器、放大器、報警電路、 A/D 轉換器、鍵盤、 LED 顯示器、直流電壓變換器等電路及高性能穩壓器等部分組成 。當采 用恒壓源 E 供電時，輸出的不平衡電壓 如式 (21)所示。 圖 23 檢測電路圖 載體催化元件使用 Pt 鉑 、 Pd 鈀 等金屬催化劑，其作用原理尚無統一完整的理論 [8] 。 白元件。 載體澆注成均勻的多孔體，它不僅牢固的固定鉑絲線圈，多孔表面還可以提高催化劑反應效果，提高催化劑的活性和提高抗毒性能。其特點是體積小（典型尺寸：長 3mm，直徑 ，重 7mg 的小圓柱體），結構簡單，功耗低、性能較穩定及使用壽命長 。 圖 21 光干涉原理圖 催化燃燒法 東北石油大學 本科生畢業設計（論文） 6 催化燃燒式傳感器是在鉑金加熱絲的周圍環繞一圈涂鍍著催化劑的載體，當傳感器置于待測可燃氣體中，加熱絲通以一定的電流時，載體被加熱，瓦斯與氧氣在催化劑的作用下，于較低溫度 (300500℃ )處發生無焰燃燒。但半導體氣敏器件在低濃度下靈敏度高，而在高濃度下器 件的電阻變化較小，所以，它只適合檢測低濃度微量氣體 。當兩只敏感元件被加以同樣的電流之后，產生的熱量相等。 實踐證明，空氣中的氧氣濃度降低時，瓦斯爆炸界限隨之縮小，當氧氣濃度減少到 12％ 以下時，瓦斯混合氣體即失去爆炸性。 瓦斯爆炸界限并不是固定不變的，它還受溫度、壓力以及煤塵、其它可燃性氣體、惰性氣體 的混入等因素的影響 [4] 。沼氣與氧氣在高溫下的反應是發光、放熱反應 ，其反應方程式如式 (11)所示 [1]。 第三章為硬件設計，對該瓦斯檢測單元模塊的各部分電路作了詳細的介紹和講解，分析了電路的構成和基本工作原理并進行說明。從新中國成立初期到 20 世紀 70 年代，煤礦下井人員主要使用光學瓦斯檢測儀，風表等攜帶式儀器檢測井下參數 。所以，對煤礦中的瓦斯氣體進行快速準確的檢測顯得尤其重要，對瓦斯氣體檢測儀表的研究和開發也一直是人們關注的問題。該系統主要由電源模塊、催化燃燒式氣體傳感器模塊、單片機控制模塊、鍵盤、 LED 顯示器和聲光報警模塊等部分構成。該裝置將單片機的適時控制及數據處理功能與傳感技術相 結合，不僅可精確檢測井下空氣中的瓦斯濃度，還能根據瓦斯濃度的大小及時發出聲光報警信號，而且可通過 LED 顯示裝置顯示出瓦斯的濃度。 為了確保礦井的生產安全，防止瓦斯爆炸，國內外煤礦 研究所在此領域進行了很長時間的研究，開發出很多種類型的瓦斯檢測儀，但目前已有的瓦斯檢測儀器都普遍存在著體積較大、安裝復雜、操作不便、智能化程度低等缺點。 20 世紀 60 年代初期，我國開始研制載體催化元件，隨著敏感原件制造水平的提高，使檢測技術進入了新的發展時期。 第四章為軟件設計部分，首先介紹了系統總的設計流程，然后分為各個模塊，并對部分模塊進行程序 編寫。 )/( 8 222 2224 m o lKjOHCOOCH ???? (11) 1mol 的沼氣完全氧化后，放出的熱量和理論值為 。 引火溫度 。如果 有新鮮空氣進入，氧氣濃度達到 12％ 以上，就可能發生爆炸。但是，由于散熱介質不同，使兩元件形成了一定溫差，電橋就會失去平衡，輸出端輸出一個與瓦斯濃度變化成比例的電信號。 光干涉法 光學瓦斯 檢測儀 是采用光干涉原理，測定沼氣和二氧化碳等多種氣體的一種便攜式檢測儀器。釋放出的熱量使鉑金絲的溫度上升，從而引起鉑金絲的電阻值發生變化，并以此來反映空氣中的瓦斯濃度大小。 目前 已 成為國內外檢測瓦斯的主要傳感元件，特別是我國和英、日、美諸國應用尤為廣泛 [6]。 鉑絲線圈。白元件是補償元件，基本結構和技術參數與黑元件相同，但表面不涂鍍催化劑，所以，它不摻入低溫燃燒。 催化劑的催化活性與其電子結構及吸附能力有關 。 2)()( 22122 ?????????? ErrrErrU ab (21) 東北石油大學 本科生畢業設計（論文） 9 第 3 章 硬件電路設計 前面已經介紹了瓦斯檢測方法的發展， 又介紹了載體催化燃燒式傳感元件的結構組成和