船舶機艙環境檢測系統的設計畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 部時鐘周期，然后開始進行32個內部時鐘周期的A/D轉換。第8個I/O CLOCK后，必須為高，或I/O CLOCK保持低電平，這種狀態需要維持36個內部系統時鐘周期以等待保持和轉換工作的完成。如果為低時I/O CLOCK上出現一個有效干擾脈沖，則微處理器/控制器將與器件的I/O時序失去同步；若為高時出現一次有效低電平，則將使引腳重新初始化，從而脫離原轉換過程。在36個內部系統時鐘周期結束之前，實施步驟(1)～(4)，可重新啟動一次新的A/D轉換，與此同時，正在進行的轉換終止，此時的輸出是前一次的轉換結果而不是正在進行的轉換結果。若要在特定的時刻采樣模擬信號，應使第8個I/O CLOCK時鐘的下降沿與該時刻對應，因為芯片雖在第4個I/O CLOCK時鐘下降沿開始采樣，卻在第8個I/O CLOCK的下降沿開始保存。 溫度傳感器的選型溫度對于精密儀器來說是最重要的環境參數。傳統的溫度的測量，選用熱電阻為傳感器，然后采用兩線制、三線制、四線制等接線方式搭建電橋，根據熱電阻在不同溫度下的電阻來確定所處位置的溫度值。但是由于熱電阻隨溫度變化而引起的變化值較小，例如，常用的鉑電阻在零溫度下的阻值為100Ω，銅電阻阻值為50Ω，因此在傳感器與數據采集電路之間的引線過長會引起較大的測量誤差，而系統實際應用中，要求有較長距離的測量。此外，熱電偶是溫度測量中使用最廣泛的傳感器之一。其測溫原理是把兩種不同的導體連接，構成閉合回路，若是兩個連接點保持在不同溫度時，將產生熱電勢，即Seebeek效應。其測量溫區寬，一般在180℃~2800℃的溫度范圍內均可使用。測量的準確度和靈敏度都較高，尤其在高溫范圍內，有較高的精度，因此熱電偶在一般的測量和控制系統中，常用于中高溫區的溫度檢測。但是這種測溫方法需要做冷端補償。以上兩種方法都是根據溫度的不同，而產生微弱的電壓變化信號，經過信號放大、調理電路后送入A/D轉換器，然后做相應的運算得出最后的溫度值。但是這些方法的采用雖然傳感器廉價，但是需要很多外圍電路，總成本并沒有降低。而且所要測量溫度的位置往往離測試儀器比較遠，所以溫電阻和熱電偶要通過比較長的導線投入到測量點，在信號送入放大和調理電路之前可能已經衰減了一定的程度，所以還需要進行調零校準。此外信號的放大和調理電路中噪聲，干擾容易串入檢測信號中，造成誤差，這樣不但提高了對模擬電路設計的要求，同時也降低了檢測的可靠性[6]。所以根據所要監測的溫度范圍50℃~80℃，在本設計中放棄上面的測量方法，而是采用集成溫度傳感器AD590。集成溫度傳感器AD590是美國模擬器件公司生產的集成兩端感溫電流源。AD590是電流型溫度傳感器，通過對電流的測量可得到所需要的溫度值[7]。 溫度傳感器主要特性流過器件的電流(μA)等于器件所處環境的熱力學溫度(開爾文)度數：Ir/T=1，式中，Ir—流過器件(AD590)的電流，單位為μA；T—熱力學溫度，單位為K；AD590的測溫范圍為55℃～+150℃；AD590的電源電壓范圍為4～30V，可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件即使反接也不會被損壞；輸出電阻為710mΩ；精度高，AD590在55℃～+150℃范圍內，非線性誤差僅為177。℃。 AD590的工作原理AD590溫度感測器是一種已經IC化的溫度感測器，它會將溫度轉換為電流。其規格如下：溫度每增加1℃，它會增加1μA輸出電流。可量測范圍55℃至150℃。供應電壓范圍+4V至30V。： 溫度傳感器AD590的外觀圖Fig Appearance of the temperature sensor AD590AD590的輸出電流是以絕對溫度零度(273℃)為基準，每增加1℃，它會增加1μA輸出電流，因此在室溫25℃時，其輸出電流Io=(273+25)=298μA。Vo的值為Io乘上10K，以室溫25℃而言，(10K298μA)。量測Vo時，不可分出任何電流，否則量測值會不準。 電路設計AD590的輸出電流I=(273+T)μA(T為攝氏溫度)，因此量測的電壓V為(273+T)μA 10K=(+T/100)V。為了將電壓量測出來又需使輸出電流I不分流出來，我們使用電壓追隨器其輸出電壓V2等于輸入電壓V。由于一般電源供應較多零件之后，電源是帶噪聲的，因此我們使用齊納二極管作為穩壓零件，再利用可變電阻分壓。接下來我們使用差動放大器其輸出Vo為（100K/10K）（V2V1）=T/10，如果現在為攝氏28℃，輸出電壓接A/D轉換器，那么A/D轉換輸出的數字量就和攝氏溫度成線形比例關系。 AD590溫度傳感器使用原理圖Fig AD590 temperature sensor schematic濕度傳感器是非密封性的，為保護測量的準確度和穩定性，應盡量避免在酸性、堿性及含有機溶劑的氣氛中使用。也避免在粉塵較大的環境中使用。為正確反映欲測空間的濕度，還應避免將傳感器安放在離墻壁太近或空氣不流通的死角處。如果被測的房間太大，就應放置多個傳感器。有的濕度傳感器對供電電源要求比較高，甚至無法工作。使用時應提供合適的、符合精度要求的供電電源。濕敏電阻的特點是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時，元件的電阻率和電阻值都發生變化，利用這一特性即可測量濕度。濕敏電阻的種類很多，例如硅濕敏電阻、陶瓷濕敏電阻等。濕敏電阻的優點是靈敏度高，主要缺點是線性度和產品的互換性差。濕敏元件的線性度及抗污染性差，在檢測環境濕度時，濕敏元件要長期暴露在待測環境中，很容易被污染而影響其測量精度及長期穩定性[8]。本設計中采用相對濕度傳感器HIH3610。HIH3610是美國Honey well公司生產的相對濕度傳感器，該傳感器采用熱固聚酯電容式傳感頭，同時在內部集成了信號處理功能電路，因此該傳感器可完成將相對濕度值變換成電容值，再將電容值轉換成線性電壓輸出的任務，同時該傳感器還具有精度高、響應快、高穩定性、低溫漂、抗化學腐蝕性能強及互換性好等優點。 圖 濕度傳感器HIH3610外觀圖 Fig Humidity Sensor Appearance of the HIH3610 HIH3610主要特性（1）熱固性聚合物電容傳感器，帶集成信號處理電路；（2）3針可焊塑封；（3）寬量程：0～100%RH非凝結，寬工作溫度范圍 –40～85℃；（4）高精度：177。2%RH，極好的線形輸出；（5）5VDC恒壓供電，；（6）低功耗設計 200181。A驅動電流；（7）激光修正互換性；（8）快速響應 5秒 慢流動的空氣中；（9）穩定性好,低溫飄,抗化學腐蝕性能。 HIH3610電壓與濕度特性曲線Fig the HIH3 610 voltage curve with the humidity HIH3610主要技術指標Table the HIH3 610 major technical indicators測量范圍/ (%RH)測量精度/ (%RH)電源電壓/ V電源電流μA輸出范圍或輸出形式工作溫度范圍/℃主要特點0～100+2/24～200～40～+85線性電壓輸出線，性能最好，抗污染能力最強由輸出電壓與相對濕度關系曲線可得出如下結論：（1）HIH3610在供電電壓為5V時，其消耗電流僅為200μA，故HIH3610濕度傳感器對電源沒有功率方面的要求，為低功耗產品的設計提供更好的解決方案。（2）HIH3610輸出電壓為：Vo=Vi[+] （公式1）即輸出電壓Vo不僅正比于溫度測量值，且與電源電壓值Vi有關，若Vi固定為5V，則其值僅由相對溫度值決定。（3）HIH3610測量的濕度值還與環境溫度有關，故應進行溫度補償，補償公式為：RH=RH0/() （公式2）式中：T為環境攝氏溫度值。利用HIH3610的線性電壓輸出可直接輸入到控制器或其他裝置。一般僅需取出200μA電流，HIH3610系列測濕傳感器就能理想地用于低引出、電池供電系統。HIH3610系列測濕傳感器作為一個低成本、可軟焊的單個直插式組建（SIP）提供儀表測量質量的相對濕度（RH）傳感性能。RH傳感器可用在二引線間有間距的配量中，它是一個熱固塑料型電容傳感元件，其芯片內具有信號處理功能。傳感元件的多層結構對應用環境的不利因素，諸如潮濕、灰塵、污垢、油類和環境中常見的化學品具有最佳的抗力。 Fig and the HIH3160 interface 光電器件的種類與選擇光電式傳感器的物理基礎是光電效應，即半導體材料的許多電學特性都因受到光的照射而發生變化。光電效應通常分為兩大類，即外光電效應和內光電效應。在光照度測量中，常用的光電器件是光電池和光敏二級管。光電池作為光電器件需要保持溫度恒定，以保證測量精度。光敏二極管的溫度變化對暗電流影響很大，對光電流影響很小，較適合于光照度的測量。通過對兩者的結構與工作原理及四個特性的比較可知，光電池的漏電流、結電容較大，并聯電阻較小。用光電池探測輻射時，有噪聲大、動態范圍和線性區小、響應慢等缺點。同時，光電池的疲勞現象直接影響其響應度的穩定性。另外，這兩種器件的光譜特性也不同，光敏二極管的光譜特性與光譜光視效率更接近。硅光敏二極管在光照特性上、溫度特性上、頻率特性上等，都更適合于智能溫室控制光照度傳感器的測量。從光譜特性上可以看出，硅光敏二極管的光譜響應范圍是400nm~1l00nm，可滿足設計要求的波譜范圍300nm~1100nm。選擇硅光敏二極管作為光照度傳感器的光電轉換元件。根據工作環境、測量精度、線性度、互換性、靈敏度、相應速度、穩定性、功耗、體積大小以及易于與MCU接口等，本監測儀選用集成光照度傳感器TSL253。（1）.關于光照度的說明根據國際照明委員會制定的標準，光通量與光譜輻射能通量有如下關系: 式中，單位為W/mm。 單位為Im。 是683(Im/W)。 為光譜光視效率。所謂照度，是每單位面積中入射的光通量，照度單位采用lm/mm，但這種單位跟光發射強度(從單位面積發射的光量)的單位相同。為了避免混淆，一般以Ix作單位。（2）.采集電路的組成與原理與溫度、濕度采集電路組成相比，光照采集電路的組成較為復雜。其測光原理是利用光敏器件的光電轉換原理設計的。其光譜靈敏度的特性在可見光區與十分接近，而對紫外光和紅外光則無響應。:圖 光照度測量電路結構 Structure of illumination measure circuit濾光片的前面加一塊乳白色玻璃片，為的是使濾光片接收的是漫射光，這樣光敏二極管的響應就與入射光的方向無關了，這就是余弦修正。氣體傳感器種類繁多。按所用氣敏材料及其特性不同，可分為光學式、熱學式，質量式，電化學式等，其中電化學式氣體傳感器根據其原理可分為:電位型，電導型，電流型。電流型傳感器以其既能滿足一般檢測所需要的靈敏度和準確性，又有體積小，操作簡單，攜帶方便，可用于現場監測且價格低廉等優點，在目前己有的各類氣體檢測方法中占有重要的地位。該類傳感器可檢測氣體濃度范圍之寬(由ppb級直至百分濃度)，應用范圍之廣是任何一種氣體傳感器所難以比擬的。電流型氣體傳感器有許多種，用于檢測不同氣體，其主要應用領域有:安全檢測，環境監測，以及其它特殊用途。本課題中，氣體傳感器用于室內空氣中有毒有害氣體氨氣、苯、甲醛的檢測。氣體傳感器是將空氣中氨氣、苯、甲醛氣體的濃度轉化為相應電信號的元件。傳感器產生的電信號在傳送、放大過程中常受各種惡劣環境和各種干擾的影響，特別是固定式儀器的傳感器，長期連續運轉，又有防爆和供電容量的限制，因此對氣體傳感器的要求非常嚴格。可見，傳感器是氣體檢測報警儀的基礎和核心的部件，它的優劣決定了有害氣體檢測報警儀的質量和功能指標。一般考察傳感器有以下幾個項目:①檢測范圍和分辨率。②檢測精度和重復性:③穩定性和零點漂移。④反應速度。⑤選擇性和抗干擾能力。⑥抗中毒能力和壽命。⑦抗環境(溫濕度)影響能力。⑧安全性，防爆性能。⑨互換性和檢修方便。⑩體積小，重量輕、電流小、節電性好。在實際的測試中，因為本課題中不涉計到高溫、易燃性氣體的測量，所以選用熱線型半導體氣敏傳感器MR511。1 機艙通風量的確定方法 1）按換氣次數計算 通風量 式中 n——換氣次數，可根據有無集控室在換氣次數每小時25～40 次范圍內選取； V——機艙容積（m3）。2）按設備散熱量計算式中 m1——主機工作場所余熱計算因數； q1——主機每單位功率每小時散熱量，kJ/ kwh； N－主機功率（kw）； △t1——工作場所與艙外空氣的溫度差，可取5～8℃。 對于低速柴油機 q1=