瓦斯传感器信号采集及处理电路的设计与制作.docx
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瓦斯传感器信号采集及处理电路的设计与制作
瓦斯传感器信号采集及处理电路设计与制作
[摘 要]在2050年之前,煤炭生产,作为我国能源工业支柱,其地位将是长期的、稳定的。
可是煤炭工业的安全生产状况却不容乐观,频发的甲烷爆炸事故已经直接威胁到整个煤炭工业的稳定生产。
进行瓦斯浓度监控,预防瓦斯事故势在必行。
本次设计一种基于STC12C5A60S2/AD/PWM单片机的瓦传感器,用于实时监测瓦斯浓度。
采用催化燃烧式传感头作为敏感元件,设计电路将敏感元件的电阻变化通过电桥转换成毫伏信号,再通过放大电路将之转换成A/D转换器可以接受的0-5v信号。
然后由单片机完成数据的采集、处理。
最后通过数码管可以显示瓦斯浓度以及实时监控报警。
本次尝试从经济,简便等方面对瓦斯浓度监控进行了探索,对煤矿企业采购设备进行瓦斯监控具有很大的参考借鉴作用。
[关键词]瓦斯传感器;信号采集;放大处理;浓度监控
TheDevelopedTrendandInnovationofHumanResourcesManagement
MeasurementandControlTechnologyandInstrumentsXuYan-qing
Abstract:
By2050fromcoalproduction,asourcountry,theenergyindustry,itspositionwillbethebackboneoflong-term,stable.Butthecoalindustrysafetysituationisnotoptimistic,frequentmethaneexplosionaccidenthasadirectthreattothestabilityofthecoalindustryproduction.Forgasconcentrationmonitoring,preventgasaccidentisimperative..ThisdesignUSEScatalyticcombustiontypesensorheadassensitivecomponents,circuitdesignwillsensitivecomponentsresistancechangethroughthebridgeconvertmillivoltsignal,againthroughamplifyingcircuitwillconvertA/Dconverteracceptable0-5vsignal.Thenbysingle-chipcommputercompletesdataacquisition,processing.Finallythroughdigitaltubecandisplaythegasconcentrationandreal-timemonitoringalarm.Thisattemptfromaspectsofeconomic,convenientgasconcentrationmonitoringcarriedontheexplorationofthecoalmineenterprisespurchaseequipment,hasverybigongasmonitoringreference.
Keywords:
GassensoracquisitionofsignalAmplificationprocessingConcentrationmonitoring
目录
1概述1
1.1瓦斯浓度监测的必要性1
1.2国家关于煤矿安全浓度的规定1
1.3国内外研究水平和动向2
1.4本论文的结构安排2
2设计原则与总体方案3
2.1设计原则3
2.2设计总体思路3
3硬件设计19
3.1敏感元件19
3.1.1敏感元件分类6
3.1.2热催化元件的结构7
3.1.3热催化元件工作原理7
3.1.4MC113型催化元件8
3.2信号放大设计9
3.2.1放大器的选择9
3.2.2放大电路9
3.3微控制器CPU12
3.4晶振电路15
3.4.1晶振15
3.4.2晶振电路15
3.5复位电路16
3.5.1外部RST引脚复位16
3.5.2复位电路16
3.6电源部分16
结束语17
参考文献18
致谢19
1概述
1.1瓦斯浓度监测的必要性
从我国煤炭生产的现状及我国能源结构规划均可看出,在本世纪中叶以前,煤炭仍是支持我国国民经济发展的主要能源,煤炭生产,作为我国能源工业的支柱,其地位将是长期的、稳定的,但是煤炭工业的安全生产状况却不容乐观,中小型煤矿的情况尤为严重,已经直接威胁到整个煤炭工业的稳定生产,给国家财产和人民生命造成了很大的损失,作为“万恶之首”的瓦斯爆炸事故更是重大事故发生率之首。
瓦斯是制约煤矿安全生产的主要灾害之一,我国95%以上的煤矿为瓦斯矿井,其中近49.2%为高瓦斯矿井。
解决瓦斯突出及爆炸问题,必须加强对瓦斯的监测监控。
通过瓦斯监测系统实现对矿井各个地点的瓦斯进行实时监测,使得工作及管理人员能够及时获取井下瓦斯的情况,对井下生产状况作出正确及时的判断,当瓦斯浓度超限,对矿井安全构成威胁时,井上和井下各个部门就能及时采取有效措施加以处理,可以有效地控制和减少瓦斯重大事故的发生,确保矿井的正常生产及矿工的生命安全。
1.2国家关于煤矿安全浓度的规定
《煤矿安全规程》对井下各点瓦斯浓度如下规定:
(l)矿井总回风巷或一翼回风巷风流中瓦斯浓度超过0.75%,矿总工程师必须立即查明原因,进行处理,并报告矿务局总工程师。
(2)采区回风巷、采掘工作面回风巷风流中瓦斯浓度超过l%时,必须停止工作,撤出人员,并由矿总工程师负责采取措施,进行处理。
(3)综合机械化、水采和煤层厚度小于0.8米的保护层的采煤工作面,经抽放瓦斯和增加风量已达到最高允许风速后,其回风巷风流中瓦斯浓度仍不能降低到1%以下时,经矿务局局长批准,瓦斯浓度最高不得超过1.5%,并应符合下列要求:
①工作面的风流控制必须可靠;②通风巷必须保持设计断面;③必须制定安全措施,配有专职瓦斯检查员并安设瓦斯自动检测报警断电装置。
(4)采掘工作面风流中瓦斯浓度达到1%时,必须停止用电钻打眼;放炮地点附近20米以内风流中的瓦斯浓度达到1%时,严禁放炮。
采掘工作面风流中瓦斯浓度达到1.5%时,必须停止工作,撤出人员,切断电源,进行处理;电动机或其开关地点附近20米以内风流中瓦斯浓度达到1.5%时,必须停止运转,撤出人员,切断电源,进行处理。
(5)采掘工作面内,体积大于0.5立方米的空间,局部积聚瓦斯浓度达到2%时,附近20米内,必须停止工作,撤出人员,切断电源,进行处理。
(6)综合机械化采掘工作面,应在采煤机和掘进机上安设机载式断电仪,当其附近瓦斯浓度达到1%时报警,达到1.5%时必须停止工作,切断采煤机和掘进机的电源。
1.3国内外研究水平和动向
煤矿生产安全监控系统虽在国内已有生产和应用,但还没有一种真正适合于中小型煤矿使用的产品,我国从八十年代初期开始引进煤矿生产安全监控系统,历经了直接引进、消化吸收、仿制配套、自主开发的过程,但迄今为止的产品大多都是面对大型矿井设计的,而且自身尚有一些有待解决的问题,如:
1、造价高,系统最基本的配置过于庞大,运行费用大
2、传感器测量稳定性差,调校频繁,寿命短
3、系统设备可靠性差
4、必须依赖专业的维护队伍,对人员技术,素质有较高的要求。
国外的监控系统技术理论上讲高于国内发展水平,但应用于国内煤矿尚有一定的局限性,如煤矿管理模式生产方式的不同,价格过高不适于国内煤矿现有条件,除在传感器技术方面可供借鉴外,其它仅具一定参考价值。
综上所述,开发研制适用于中小型煤矿生产安全监控系统的任务迫在眉睫,而根据我国煤矿生产和管理模式,依照我国的有关技术标准,其技术的先进性、产品的可靠性和实用性则是本项目的关键所在。
沼气(甲烷CH4的俗称)矿井在我国煤矿生产矿井中所占比重很大,随着矿井开采强度和深度的增加,沼气涌出量也在不断增加,沼气积聚可能引起沼气事故,及时掌握煤矿井下沼气动态是一件十分重要的工作。
甲烷浓度检测仪器就是用来监视矿井沼气动态的有效工具。
鉴于沼气在矿井中存在的普遍性及其可能造成灾害的严重性,甲烷浓度检测仪器在煤矿是数量最多,使用最普遍的安全检测仪器,而且也是煤炭系统研制种类最多的仪器,
1.4本论文的结构安排
第一章是文章概述。
介绍了该课题提出的必要性和国家关于煤矿安全浓度的规定以及国内外研究水平与动向,同时给出整个论文的结构安排。
第二章是设计原则总体方案。
阐述了课题设计所遵循的原则以及课题设计的总体思路。
第三章是硬件设计。
对组成系统的敏感元件、小信号放大电路、CPU、复位电路,晶振电路,供电电路等都作了详细介绍。
第四章是结束语。
对整个系统作了一个概括性的总结,既介绍了仪器的优点又指出了其不足之处。
致谢中对参与了课题的研究和给予帮助的老师和同学作了感谢。
最后是文章的参考文献和中英文附录。
2设计原则与总体方案
2.1设计原则
仪器的设计,本着简明、科学、实用的原则,力求从整体出发,从实际使用出发,突出系统的可靠性、免维护、免培训特点和系统结构的简明和完整性,把对操作人员的专业技术要求降到最低,发挥系统整体设计的优势,使系统整体性能达到最佳,功能强大而操作简单,测量精确而维护方便。
在系统设计中,应充分应用近年来发展起来的各种新技术、新器件、新方法,在保证各项性能指标能够满足系统各方面要求的前提下,力求简化结构,降低成本,提高可靠性和稳定性。
1、作为一种完整的瓦斯传感器系统,它至少应具备以下设备和功能:
(1)传感器:
监测要素的采集,转换
转换后电信号的处理,加工
(2)计算机系统
信号的采集
数据的处理
(3)声光报警
2、设计时需要注意的问题:
(1)产品的技术指标、生产工艺等要符合国家有关规定及煤炭部,地方管理部门的规定。
(2)运行的可靠性和稳定性一定要好,安装、维护要方便,操作要简单。
(3)各项功能要实用,既要满足国家和地方的有关规定也要考虑用户的要求。
(4)设计、制造尽可能使用通用的有替代产品的元件,器件和设备。
(5)能使用软件实现的功能,一般不使用硬件来实现,以减小体积,将成本降至最低。
(6)设计要从整体出发,分步、分层实施,突出系统的整体性能,力求系统整体性能最优化。
2.2设计总体思路
本次设计采用催化燃烧式传感头作为敏感元件,设计电路将敏感元件的电阻变化通过电桥转换成毫伏信号,再通过放大电路将之转换成A/D转换器可以接受的0-5v信号。
然后由单片机完成数据的采集、处理。
最后通过数码管可以显示瓦斯浓度以及实时监控报警。
1总体设计方框图:
2.总体的电路图
在催化元件电源端加上一正电压,使催化元件开始工作,输出与甲烷浓度相对应的电压信号,此电压经过放大电路放大后,送到A/D转换,A/D转换电路将模拟信号转换为数字信号送入CPU,CPU对采样值进行数值计算,处理后,驱动显示器显示出被测气体中的甲烷浓度值,若被测气体中甲烷浓度超过报警电路预定的数值时,报警电路即发出声、光报警信号。
3、硬件设计
3.1敏感元件
3.1.1敏感元件分类
敏感元件按其工作原理不同,有下列几种:
1.光干涉式
光干涉式是利用光波对空气和甲烷折射率不同所产生的光程差,引起干涉条纹移动来实现对不同甲烷浓度的测定。
其优点是准确度高,坚固耐用,校正容易,高低浓度均可测量,还可测量二氧化碳浓度;其缺点是浓度指示不直观,受气压温度影响严重,特别是空气中氧气不足或氮、氧的比例不正常时,要产生误差;光学零件加工复杂,成本较高和实现自动检测较困难。
2.热催化式
热催化式是利用甲烷在催化元件上的氧化生热引起其电阻的变化来测定甲烷浓度。
其优点是元件和仪器的生产成本低,输出信号大,对于1%气样,电桥输出可达15mV以上,处理和显示都比较方便,所以仪器的结构简单,受背景气体和温度变化的影响小,容易实现自动检测。
其缺点是探测元件的寿命较短,不能测高浓度甲烷,硫化氢及硅蒸汽会引起元件中毒而失效。
目前国内外检测甲烷的仪器广泛采用这一原理。
3.热导式
热导式是利用甲烷与空气热导率之差来实现甲烷浓度的测定。
其优点是热导元件和仪器设计制作比较简单,成本低、量程大,可连续检测,有利于实现自动遥测,被测气体不发生物理化学变化,读数稳定,元件寿命长。
其缺点是测量低浓度甲烷时输出信号小,受气温及背景气体的影响较大。
4.红外线式
红外线式是利用甲烷分子能吸收特定波长的红外线来测定甲烷浓度。
其优点是采用这一原理的仪器精度高,选择性好,不受其它气体影响,测量范围宽,可连续检测;其缺点是由于有光电转换精密结构,使制造和保养产生困难,而且体积大,成本高,耗电多,因此推广使用受到一定限制。
5.气敏半导体式
气敏半导体的种类较多,如氧化锡、氧化锌等烧结型金属氧化物。
这一原理是利用气敏半导体被加热到200℃时,其表面能够吸附甲烷而改变其电阻值来检测甲烷浓度。
其优点是对微量甲烷比较敏感,结构简单、成本低。
但当浓度大于1%CH4时,其反应迟钝,选择性和线性均较差,所以很少用于煤矿井下甲烷浓度的检测,而多用于可燃气体的检漏报警。
6.声速差式
在温度为220℃、气压为101325Pa条件下,声波在甲烷中的传播速度为432m/s,而在清洁空气中为332m/s。
比较这两种速度就可测定高浓度甲烷。
其优点是读数不受气压影响;其缺点是不适合测量低浓度甲烷,一般只用来检测矿井抽放甲烷管道中的甲烷浓度,对背景气体、粉尘及气温变化很敏感。
7.离子化式
气体在放射性元素的辐射作用下发生电离,在气体介质中的两个电极之间便有电流产生。
测量空气介质和被测甲烷中的电流大小,便可测出甲烷浓度。
其优点是快速,可以连续自动检测,灵敏度高,测量准确,可测二氧化碳浓度。
其缺点是测量低浓度甲烷困难,空气湿度对仪器读数有影响,传感器结构复杂。
3.1.2热催化元件的结构
载体催化元件最里层是用0.02~O.O5mm的高性能铂丝绕制的螺旋圈,外面是由三氧化二铝和催化剂组成的催化外壳。
铂丝螺旋圈完成加热;三氧化二铝载体有定型、传热和载附催化剂等功能。
催化剂由氯化钯外加稳定剂钍(Tu)配制而成,有降低起燃温度、加强选择性、提高稳定性等功能。
当载体催化元件遇到甲烷与空气的混合气体时,在催化剂的作用下,甲烷气体在元件表面发生无焰燃烧,产生的热量使铂丝的温度升高。
载体催化燃烧式传感器一般被制成一个便于测量的探头,探头可以单独设置,也可以作为一个独立单元装配在仪器内使用。
探头内部的主要元件是黑元件(催化元件)和白元件(补偿元件),两个元件分别配置在电桥电路中,作为一组桥臂,另一组桥臂是两个固定电阻,作为电桥的比率臂。
与黑白元件相对应,为使电桥在无甲烷状态下处于平衡状态,桥路内装有调零电位器W。
此外,传感器电源应是经过稳压的稳压源。
根据设计要求,本项目采用热催化式工作原理。
3.1.3热催化元件工作原理
黑元件载体是催化燃烧式元件,当甲烷气体在元件表面与氧气产生无焰燃烧时,电桥失去平衡,输出一个电压信号。
白元件是补偿元件,基本结构和技术参数与黑元件相同,但表面不涂镀催化剂,所以,它不参加低温燃烧。
但由于它处于与黑元件相同的工作环境中,所以,对非甲烷浓度变化引起的催化元件阻值变化起补偿作用,以提高仪器零点稳定性和抗干扰能力。
使用时一般将黑白元件串联,作为电桥的一臂,用普通电阻构成电桥的另一臂,电桥的两端加上稳定的工作电压U。
当含有甲烷的空气在高温和催化剂的作用下,发生无焰燃烧,而在白元件上则不致使甲烷燃烧,从而使黑元件的温度比白元件的温度高,黑元件中的铂丝既是加热元件,又是感应温度的热敏元件,根据铂丝的正温度系数的特性,温度升高时电阻增大,黑元件上的电压降即增大,电桥失去平衡,输出一个电压信号△U,该电压值的大小反映了甲烷浓度的高低,检测此电压便可测量出甲烷浓度。
3.1.4MC113型催化元件
1、本次设计采用郑州威盛电子生产的MC113型催化元件,与其他敏感元件相比其具有如下特点:
(1)桥路输出电压呈线性
(2)响应速度快
(3)具有良好的重复性、选择性
(4)元件工作稳定、可靠
(5)抗H2S中毒
2、技术指标
3.2信号放大设计
3.2.1放大器的选择
本设计所选的放大器型号为LM324,LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。
与单电源应用场合的标准运算放大器相比,它们有一些显著优点。
该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下,静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。
共模输入范围包括负电源,因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。
每一组运算放大器有5个引出脚,其中“+”、“-”为两个信号输入端,“V+”、“V-”为正、负电源端,“Vo”为输出端。
两个信号输入端中,Vi-(-)为反相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反;Vi+(+)为同相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。
LM324的引脚排列见图3-2。
3-2 LM324引脚图(管脚图)
LM324的特点:
1.短路保护输出
2.真差动输入级
3.可单电源工作:
3V-32V
4.低偏置电流:
最大100nA
5.每封装含四个运算放大器。
6.具有内部补偿的功能。
7.共模范围扩展到负电源
8.行业标准的引脚排列
9.输入端具有静电保护功能
3.2.2放大电路
本次课程设计中,需要一个放大电路,我们将采用三运放大电路,主要的元件就是三运放大器。
在许多需要用A/D转换和数字采集的单片机系统中,多数情况下,传感器输出的模拟信号都很微弱,必须通过一个模拟放大器对其进行一定倍数的放大,才能满足A/D转换器对输入信号电平的要求,在此情况下,就必须选择一种符合要求的放大器。
图4-3三运放大电路结构图
如图所示
U1-U3=U5-U3①
U2-U4=U4-U6②
Ui=U1-U2③
根据U3=U4有:
①-②
Ui=U1-U2=U4-U3
④
⑤
④-⑤有
⑥
则
⑦
电路为三运放差分放大电路,电路中输入级由C、D两个同相输入运算放大器构成,其中C、D是增加电路的输入阻抗,差模信号按差模增益放大,远高于共模成分(噪声)。
后一级对其进行放大放大倍数A为
其中R为可调,使放大倍数的选择方便,灵活。
三运放差分放大电路特点:
(1)高输入阻抗。
被提取的信号是不稳定的高内阻源的微弱信号,为了减少信号源内阻的影响,必须提高放大器输入阻抗。
一般情况下,信号源的内阻为100kΩ,则放大器的输入阻抗应大于1MΩ。
(2)高共模抑制比CMRR。
信号工频干扰以及所测量的参数以外的作用的干扰,一般为共模干扰,前置级须采用CMRR高的差动放大形式,能减少共模干扰向差模干扰转化。
(3)低噪声、低漂移。
主要作用是对信号源的影响小,拾取信号的能力强,以及能够使输出稳定。
由此可知,上述电路具有输入阻抗高,共模抑制比高等优点,可称作为通用仪用放大器使用。
3.3微控制器CPU
通过比较STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机,是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机,指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。
内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S即250万次/秒)
针对电机控制,强干扰场合。
引脚图如图3-1:
图3-1STC12C5A60S2引脚图
1.增强型8051CPU,1T,单时钟/机器周期,指令代码完全兼容传统8051
2.工作电压:
STC12C5A60S2系列工作电压:
5.5V-3.5V(5V单片机)
STC12LE5A60S2系列工作电压:
3.6V-2.2V(3V单片机)
3.工作频率范围:
0~35MHz,相当于普通8051的0~420MHz
4.用户应用程序空间8K/16K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K字节......
5.片上集成1280字节RAM
6.通用I/O口(36/40/44个),复位后为:
准双向口/弱上拉(普通8051传统I/O口)
可设置成四种模式:
准双向口/弱上拉,强推挽/强上拉,仅为输入/高阻,开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA,但整个芯片最大不要超过120mA
7.ISP(在系统可编程)/IAP(在应用可编程),无需专用编程器,无需专用仿真器
可通过串口(P3.0/P3.1)直接下载用户程序,数秒即可完成一片
8.有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM)
9.看门狗
10.内部集成MAX810专用复位电路(外部晶体12M以下时,复位脚可直接1K电阻到地)
11.外部掉电检测电路:
在P4.6口有一个低压门槛比较器
5V单片机为1.33V,误差为±5%,3.3V单片机为1.31V,误差为±3%
12.时钟源:
外部高精度晶体/时钟,内部R/C振荡器(温漂为±5%到±10%以内)
用户在下载用户程序时,可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟
常温下内部R/C振荡器频率为:
5.0V单片机为:
11MHz~17MHz
3.3V单片机为:
8MHz~12MHz
精度要求不高时,可选择使用内部时钟,但因为有制造误差和温漂,以实际测试为准
13.共4个16位定时器
两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1,没有定时器2,但有独立
波特率发生器做串行通讯的波特率发生器,再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器
14.3个时钟输出口,可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟,可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟,独
立波特率发生器可以在P1.0口输出时钟
15.外部中断I/O口7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模
块�,PowerDown模式可由外部中断唤醒�,INT0/P3.2,INT1/P3.3,T0/P3.4,T1/P3.5,RxD/P3.0,
CCP0/P1.3(也可通过寄存器设置到P4.2),CCP1/P1.4(也可通过寄存器设置到P4.3)
16.PWM(2路)/PCA(可编程计数器阵列,2路)
---也可用来当2路D/A使用
---也可用来再实现2个定时器
---也可用来再实现2个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持)
17.A/D转换,10位精度ADC,共8路,转换速度可达250K/S(每秒钟25万次)
18.通用全双工异步串行口(UART),由于STC12系列是高速的8051,可再用定时器或PCA软件实现多串口
19.STC12C5A60S2系列有双串口,后缀有S2标志的才有双串口,RxD2/P1.2(可通过寄存器设
置到P4.2),TxD2/P1.3(可通过寄存器设置到
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