基于随机采样的高速数据采集系统设计--《西安电子科技大学》2005年硕士论文
基于随机采样的高速数据采集系统设计
【摘要】：现代数字信息处理技术能够处理越来越复杂的信号，并且可对信息进行多样化的描述。当外部信息是模拟量时，在数字化信息处理的过程中要提取信号的时间域特征、频率域特征等参数时，就必须对模拟信号进行数字量化。当输入信号的频率足够高时，一般采用并行处理技术或等效采样技术。并行处理技术以处理速度和电路的复杂程度换取ADC采样带宽的降低，同时系统的成本也很高。等效采样技术是一个经济且行之有效的选择，进行等效采样的前提是被采样信号必须是周期信号。等效采样系统通过对该信号多次触发，用多个等效采样序列重建输入信号。也就是说，利用转换速率比较低的单个A／D转换器实现对宽频带周期信号的捕捉。
随机等效采样系统的特点是输入信号频率高、时序要求严格，在采样带宽相同的情况下，可以大幅度降低系统制造成本，这正是随机采样系统的优点。本论文介绍的随机采样的高速数据采集系统既能完成对频率为1MHz以下的信号实时采样，又可对1MHz以上的周期信号采用随机等效采样技术进行采样。论文介绍了系统设计主要包括的几个部分：(1)双斜率充放电电路设计，并进行了仿真和硬件电路调试，它是随机等效采样系统的关键部分；(2)编码开关控制下的输入衰减／放大电路的设计；(3)数据采集系统触发电路、随机采样短时间产生电路、存储器地址计数器电路等相关控制电路的设计、仿真和调试；(4)实时数据采集、随机等效采样算法等软件的设计；(5)印制电路板的设计及电路调试的技术和体会。
【学位授予单位】：西安电子科技大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2005【分类号】：TP274.2
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基于单片机的甲烷浓度监测报警仪设计 基于单片机的甲烷浓度监测报警仪论文～１～ 第一章 概述 1项目提出的必要性和国内外研究水平与动向从我国煤炭生产的现状及我国能源结构战略规划均可看出，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”的甲烷爆炸 事故更是重大事故发生率之首。在去年，又接连发生了多起甲烷爆炸事故，事 故的结果触目惊心，因此通过强化甲烷管理，提高通风、甲烷监测监控水平， 已经成为中小型煤矿甲烷监测监控的最迫切的任务之一。煤矿生产安全监控系统，是目前为止实际通风甲烷管理工作中最重要和最 有效的自动化手段，已经装备监控系统的煤矿的甲烷事故发生率大为下降，实 践证明，煤矿生产安全监控系统对保障煤矿安全生产，提高煤矿生产率，提高 煤矿自动化程度以及促进煤矿管理现代化水平，都有着举足轻重的作用。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:·造价高，系统最基本的配置过于庞大，运行费用大·传感器测量稳定性差，调校频繁，寿命短 ·系统安装、维护复杂，操作不便，人机界面较差·系统设备可靠性差·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，其它仅具一定的参考价值。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。甲烷浓度检测仪器基于单片机的甲烷浓度监测报警仪论文～２～ 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，需要说明的是，由于 我国煤矿习惯把甲烷叫做瓦斯，因此检测甲烷浓度的仪器，有的叫瓦斯检定器， 有的又叫沼气检定器。在这里，甲烷，沼气和瓦斯是同义词。 2煤矿安全仪器概况煤矿生产是地下作业，自然条件和生产条件都复杂，在采掘过程中出现的 瓦斯涌出、煤尘飞扬、自然发火等都有可能造成严重事故。为了防止事故发生， 保障矿工的健康和安全，促进生产发展，提高煤炭企业的经济效益，应对井下 的气象进行检测，对可能造成灾害事故的各种有害气体及矿尘进行及时而准确 的检测和严格控制，一旦发生灾变，必须 及时救护遇难人员和处理事故。所有这些都需要有相应的检测仪器和救 护装备。最初，人们为了防止井下空气中混有一氧化碳造成中毒事故，曾使 用过金丝雀一类的小动物来进行检测。1815年英国人在煤矿井下开始使用安全 火焰灯检测瓦斯。1897年瑞典制成第一台容积压力式瓦斯浓度测量仪。随着矿 井开采深度的增大，机械化和综合机械采煤的普遍推广，通风安全方面问题日 益突出。与此同时，随着仪表工业及电子技术的发展，矿井通风安全仪器也得 到了不断的发展。1927年日本制造成光干涉原理甲烷检定器，以后又陆续出现 热导、热催化原理、气敏半导体等各种不同原理的甲烷检定器，其测量精度不 断提高，检测方式从“间断” 、 “就地”检测发展到“连续” 、 “集中自动”遥测。 特别是随着电子计算机技术的应用，一套监测系统，除能检测高低浓度甲烷外， 还可测一氧化碳、氧、氢的浓度，气温，风速等等。同时还能对井下设备的工 作状态进行监控。如英国 DYNSLINK-MINOS 系统的监测容量为 986个模拟量， 896个开关量，传输距离为 13 1n。在地面中心站一般都配有用来进行数据采集 和处理的计算机、打印机、显示器、控制台和模拟盘等。譬如当井下某测点的 甲烷浓度超限时，能发出声、光报警信号，切断该测点附近的电源。作为间断 方式检测的携带式仪器，也随着测试技术的飞速发展及多功能集成电路的出现， 检测元件的性能不断提高而实现了单机分级报警，数码显示，自动校正，电源 监视和故障指示等功能。而且操作简单，维修量小，体积小。例如美国 MSA 公司生产的携带式甲烷检测仪重量只有 0. 28吨，外形尺寸为 146*65*38 }解放前我国煤炭工业技术十分落后，矿井通风安全仪器更是属于空白。解 放后，党和政府对安全工作极为重视，煤矿安全状况及劳动条件得到了很大的 改善，通风安全仪器从无到有地发展起来在仪器的研究、生产制造方面，多年基于单片机的甲烷浓度监测报警仪论文～３～ 来投入了很大的力量，形成了以抚顺、重庆、西安、常州、上海等地为中心的 安全仪器生产基地，除生产大量的通风安全仪器和救护设备外，从 1980年起， 先后从波兰、英国、美国和西德等地引进了多种形式的煤矿安全监测系统和生 产监控系统，在引进消化的基础上，我国也研制了一批安全监测系统，如常州 煤研所的 KJl 型，北京长城科学仪器厂的 KJ4 型，重庆煤矿安全仪器厂的 TF- 200型和 AWJ-80 型，西安仪表厂的 MJC-100 型，抚顺煤矿安全仪器厂的 AU1 型，总参 6904厂的 WDJ-1 型和镇江煤矿专用设备厂的 A-1 型等安全监控系统 来装备矿井。其中 KJ4 型的系统容量为 1536个，传输距离为 13 }n。所有这些 成就，表明我国的安全监测仪器的研制和装备进入了新的水平。但是目前安全 监测传感器的种类和质量与国际水平的差距还较大，这是需要解决的问题。 3.仪器的基本性能 一、测量仪器的概念煤矿安全仪器是用来检查测量矿井安全状况的物质手段。什么是测量呢?测 量是人们对自然界的客观事物取得数量观念的一种认识过程。在这一过程中， 借助于专门的技术工具，通过实验方法，求出以所采用的测量单位表示的未知 量的数值大小。测量的目的是为了在限定的时间内尽可能正确地收集被测对象 未知信息，以便掌握被测对象的参数及控 制生产过程。例如，在采煤机上安装采灯机瓦斯断电控制仪。它不仅可以连续 监测采煤机附近风流的甲烷浓度，而且在甲烷浓度超限时还可发出声、光报警 信号，并自动切断采煤机的工作电源以防发生瓦斯事故，确保生产安全。 二、测量仪器的基本性能评价测量仪器品质的指标是多方面的。仪器的基本性能，主要是衡量仪器 测量能力的一些指标，如精确度、稳定性、测量范围、动态范围等。但工作可 靠性、经济性也很重要，这些因素在很大程度上影响仪器的使用。 (一)精确度与这个性能有关的指标有:1.精密度精密度是指在测量中所测数值重复一致的程度。即对某一稳定的 被测量在相同的规定工作条件下，由同一测量者用同一仪器在相当短的时间内 按同一方法连续重复测量多次，其测量示值的不一致程度。不一致程度愈小， 说明测量愈精密。例如某温度仪表精密度为 0. 5K，意即用该仪表测量温度时其 不一致程度不会大于 0. 5K。但精密不一定准确。2.准确度准确度是指仪器的示值有规律地偏离真值大小的程度。3.精确度(简称精度)精度是测量的精密与准确程度的综合反映。精密度高是 精度高的必要条件，但并非充分条件。要使仪器的精度高，还必须使其准确度基于单片机的甲烷浓度监测报警仪论文～４～ 高才行。在工程测试中，为了简单表示仪器测量结果的可靠程度，引入一个仪 器精度等级的概念，用 A 表示。A 以一系列标准百分比数值进行分档。这个数 值通常是仪器在规定条件下，其最大绝对允许误差值相对于仪器测量范围的百 分数，即: 式中: —仪器在全刻度范围内的最大绝对允许误差; —测量范围的上、下限值: —仪器的精度等级。 科学研究用的仪器的精度等级值约为 10-，一 10-工业检测用的仪器的精 度等级值约为 。 (二)稳定性稳定性是指仪器的性能在工作条件保持恒定的情况下，在规定的时间内保 持不变的能力。它用精密度的数值和观测时间长短一起来表示。例如，某仪表 24小时内示值变化幅度达 1. 3mV，则该仪表的稳定度为 1 .3mV/d0 (三)影响系数 仪器由于室温、大气压、振动等外部状态变化及电源电压、工作条件变化对 示值的影响统称为环境影响，为仪器在校准时都规定有一个标准工作条件，用 影响系数表示。频率等这是因但在实际使用该仪器时又很难达到这个要求。影 响系数是用示值变化值与影响量变化值之比来表示。例如某压力表的温度影响 系数为 2Pa/℃即温度每变化 1 0C，就会引起压力表示值变化 2Pa。 (四)仪器输入输出特性 说明仪器输入输出对应关系的主要性能有; 1.灵敏度灵敏度是指仪器在稳态下输出变化对输入变化的比值，用 S 表示， 即 S=dy/dx。它是仪器在稳态下输入输出关系的静特性曲线上各点的斜率。在 线性特性的仪器中灵敏度 S 是常数。在非线性特性的仪器中灵敏 S 在整个量程 内不是常数。对特定的测量装置来说，其灵敏度的定义方法往往是不同的。例如，在接 收机中，灵敏度定义为产生具有指定信噪比的输出信号所需的最小输入信号;而 在频率计中，它与频率计的输出示值之间没有直接的关系。基于单片机的甲烷浓度监测报警仪论文～５～ 2.分辩率如果输入量从某个任意非零值慢慢地变化，我们将会发现，在输 入变化值没有超过某一数值之前，仪器示值是不会变化的，这个使示值变化的 最小输入变化值叫做仪器的分辩率，也应该对示值的变化从量上规定一个数值。 一般模拟式仪表的分辩率规定为最小刻度分格值的一半，数字式仪表的分辩率 是最后一位数的数值。 3.线性度线性度用来说明输出量与输入量的实际关系曲线偏离直线的程度。 无论是模拟式的仪表，还是数字式的仪表，都希望它们的特性是线性关系。这 样模拟式仪表的刻度就可以做成均匀的刻度，而数字式仪表就可以不必采用线 性化环节。 4.滞环滞环是指仪器正向特性和反向特性不一致的程度。这种现象是由于 仪器元件吸收能量所引起的。例如机械仪表中有内摩擦，电磁仪表中有磁滞损 耗。 (五)量程 量程 B 是指测量上限值与下限值之差，即仪表刻度盘上的上限值 减 去下限值 ，其表达式为 。通常仪表的 ，这 时。但在整个测量范围内仪表提供被测量信息的可靠程度并不相 同， 一般在仪表的上、下限值附近的测量误差较大，故不宜在该区使用。这样， 更确切的量程概念应定为:在工作量程内的相对误差应该不超过某个设定值。 量程用绝对值 B 来表示时，各类不同仪表之间便无法比较，所以常用量程比 D 作为量程的指标，即 (六)可靠性 可靠性是指仪器对规定的条件在规定时间内完成所要求功能的能力。仪器 的可靠性可用平均无故障工作时间 MTBF 来表征。它是仪器连续运行时发生一 次故障的时间间隔的平均值。假设某仪器在 90000小时的运行中发生了 12次故 障，则该仪器的 MTBF 为 7500 小时。 (七)经济性 任何工业产品都要讲究经济性。对生产者来讲，以重金制造高质量的产品 是比较容易的。但是，如果生产出的仪器价格太高，使用者无力购买，出就谈 不上发挥作用。对使用者来讲总是希望有最少的钱买到一台具有指定性能的仪基于单片机的甲烷浓度监测报警仪论文～６～ 器。所以，工程检测仪器的经济性也是其重要的指标之一。 在实际工作中，对给定的测量任务只需达到规定的精度就行了，决不是精 度愈高愈好，盲目地提高测量精度的做法，往往会带来相反的效果，浪费人力 和财力，降低测量的可靠性。在工程检测中，应该根据测量的目的，全面考虑 测量的可靠性、精度、经济性经及操作的简便性，而在科研工作中往往把测量 精度放在首位。 甲烷浓度监测报警仪的发展已经历了三个阶段：模拟仪器、数字式仪器以 及目前的智能仪器。基于单片机的甲烷浓度监测报警仪即为一种智能仪器，因 为就仪器本身来讲，无论数据的采集还是处理都是由单片机来控制的。利用单 片机的算术逻辑处理能力和用软件取代过去电子线路的硬件功能，而软件的灵 活性又使得仪器可用各种算法和处理方法进行信息的采集、处理、存储和报警， 不再需要专用的电子线路，从而使仪器的控制结构得以很大的简化。 4 单片机系统性能特点 单片微型计算机简称单片,它是把组成微型计算机的各部件:中央处理器、存 储器、输入输出接口电路、定时器/计算器等，制作在一块集成电路芯片中，构 成一个完整的微型计算机。1971年，Intel 公司首次推出 4004的 4位单片微处 理器。1974年 12月仙童（Fairchild）公司推出 8位单片机 F8（需另加一块 3851芯片） ，其后 Mostek 公司和仙童公司一起推出了 F8 兼容的 3870单片机系 列。Intel 公司 1976年推出 MCS-48 系列单片机。GI(Gentra Instrument Crop)公 司在 1977年 10月宣布了 PIC1650 单片机系列。1978年，Rockwell 公司也推出 了 R6500/1 系列（与 6502兼容） 。有些单片机有 8位 CPU，若干个并行 I/O ，8位定时器/计算器，容量有限的 PAM 和 ROM，以及简单中断处理功能。 Motorola 公司和 Zilog 公司的单片机问世较迟，但是产品性能较高，单片 机内有串行 I/O，多级中断处理能力，内片的 RAM 和 ROM 容量较大；有些还 带有 A/D 转换接口。Motorola 公司在 1978年下半年宣布了与 6800微处理机兼 容的 6801单片机。Zilog 公司在同年 10月也推出了 Z80 单片机系列。Intel 公 司在原 MCS-48 基础上，于 1980年推出了高性能的 MCS-51 系列（包括 51） 。1982年，Mostek 公司和 Intel 公司先后推出了 16位单片机 MK68200（与 68000微处理器兼容）和 MCS-96（）系列。1987 年 Intel 公司推出了性能是 80962.5 倍的新型单片机 80296。 由于单片机超小型化，结构紧凑，可能性高，价格低廉，在国民经济中得 到广泛应用。 ① 工业方面：电机控制、工业机器人、过程控制、数字控制。基于单片机的甲烷浓度监测报警仪论文～７～ ② 仪器仪表方面：智能仪器、医疗器械、色谱仪、示波器。 ③ 民用方面：电子玩具、高级电视游戏机、录象机、激光盘驱动。 ④ 电讯方面：调制解调器、智能线路运行控制。 ⑤ 导航与控制方面：导弹控制、鱼雷执导控制、只能武器装置、航天导 航系统。 ⑥ 数据处理方面：图形终端、彩色黑白复印机、温氏硬盘驱动器、磁带 机、打印机。 ⑦ 汽车方面：点火控制、变速器控制、防滑刹车、排器控制。 单片机的发展趋势是：增加存储器的容量，片内EPROM开始EEPROM化，存 储器编程保密化，片内 I/O 多功能化及低功耗 CMOS 化。 目前单片机的现状为： ⑴4位单机片机 4位单片机的主要产品有： NEC 公司的μPD75xx； TI 公司的 TMS1000 系列； 松下公司的 MN1400 系列； NS 公司 COP400； Rockwell 公司的 PPS/1 系列； SAMSUNG 公司的 KS56 和 KS57 系列； 富士同公司的 MB88 系列。 其中，μPD75xx 与 COP400 在 4位机中占有重要地位，年产量已达到数 千万片。 4位单片机的特点是价格便宜，如 COP400 的价格仅为 8位单片机 8048和 6805价格的一半，但是功能并不弱，只是 4位 CPU，片内的 CPU 片内的 ROM 有 2K，PAM 为 128×4位。NEC公司的μPD75xx 片内的 ROM 可达 8K 字节， RAM 为 512×4位，I/O引脚位 58根，甚至还有 6位 A/D。近年俩，4位单片 机的产量仍在增长，但所占比例逐年下降，单片机的主角让给了 8位单片机。 4位机与 8位机进行竞争，只有进一步降低价格，并增强 I/O 的功能（特别是专 用 I/O 功能） 。4位机主要用于家用电器和电子玩具等方面。⑵8位单片机8位单片机的产量占整个单片机的 60﹪以上，并逐年增长。1985年的产 量位1.7亿片1986年的产量位2.1亿片，1992年达7亿片。8位单片机的旧的 机种正在被淘汰，新的机型不断涌现。自1985年以来，各种高性能、大容量、 多功能的新型8位单片机不断推出。如 Inte 公司的 8x552、μPI-452（8051的基于单片机的甲烷浓度监测报警仪论文～８～ 增强型） 、Motorola 公司的 MC68HC11（6801 增强型） 、Zilog 公司的 Super8 等， 它们将代表单片机发展的方向，将在单片机领域中起越来越大的作用。 第二章监控仪工作原理 2.1甲烷浓度检测仪原理分析 甲烷浓度检测仪器按其工作原理不同，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，硫化氢及硅蒸气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。但当浓基于单片机的甲烷浓度监测报警仪论文～９～ 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 220C、气压为 Pa 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 极度之间便有电流产生。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。根据设计要求，本项目采用热催化式工作原理。 2.2热催化元件的结构及工作原理 1.热催化元件的结构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。 2.敏感元件工作原理黑元件载体催化燃烧式元件，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，对非甲院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基于单片机的甲烷浓度监测报警仪论文～１０～ 烷浓度的高低，检测此电压便可测量出甲烷浓度。 3整机工作原理热催化原理又称催化燃烧原理。利用该原理的甲烷测定器是当前国内测量 低浓度甲烷的检测仪器中采用最广泛的一种，而且还在不断的高和发展。其基 本原理是根据甲烷在一定的温度条件下氧化燃烧，且在一定的浓度范围内，不 同浓度的甲烷在燃烧过程中要释放出热量不同的特性，来达到测定甲烷浓度的 目的。 甲烷浓度报警监控仪的工作原理是 CPU 通过 Vo 口输出低电平经反相器加在 催化元件电源端，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，分别送到 A/D 转换、报警电路，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，报警电路即发出声音报警信号。遥控发射装置再将报警信号 传输给远方的接收装置，最远传输距离可达到 10km。 第三章 基于单片机甲烷浓度监测报警仪系统分析与设计的硬件 在硬件的设计前期，根据框图对电路中可能出现的电路进行了分析，并根 据指导老师提出的要求对硬件设计进行了合理化的修改完善。在第二章中已分 析了系统并绘制了框图，下面将根据框图分别设计各部分电路。 3.1 输入电路的设计 甲烷浓度信号的采集电路，放大电路输入口连接甲烷浓度传感器的两个引脚。 此传感器采用的是气敏元件是一种具有良好温度特性的电压输入/电流输出型气 敏元件。可以在-55℃~150℃温度范围内正常工作。 3.1.1 气敏元件 MQ-K7 简单介绍 1. 热催化元件的特性 在选择敏感元件时，主要从以下几个方面来衡量: (1)活性。元件活性是指元件对甲烷氧化燃烧的速率。元件活性高，通过电 桥测量甲烷时，可以得到较高的电压输出。 (2)稳定性。元件的稳定性是指元件在新鲜空气与一定浓度的甲烷中，在规 定的连续工作时间里的活性下降率。下降率其值越低越好，活性下降率越低， 表明元件工作性能越稳定。 (3)工作点与工作区间。元件工作点是指元件的标准工作电压和电流值。实 际使用中，为了便于组成电桥和选定电桥电流，通常是指一对元件(即一只黑元基于单片机的甲烷浓度监测报警仪论文～１１～ 件和一只白元件)的标准工作电压或电流值。在工作点上，元件具有较大的输出， 较好的稳定性和最小的零点飘移。目前国内元件的工作点有:直 1.2V, 2.2V, 2.4V, 2.8V 及 320mA 等几种。当元件的工作电压或工作电流变动时，在同一甲 烷浓度下输出活性大小是不相同的。只有当工作电压或工作电流在某一范围内 变动时，输出活性才接近直线。这个电压或电流的变动范围称为元件的工作区 间。区间越宽越好。目前元件的工作区间只能达到标准电压的士 10% o (4)输出特性。元件输出特性。是指在不同的甲烷浓度下，元件的活性与甲 烷浓度的关系。在 0-S%CH4 范围内，电桥输出信号与甲烷浓度呈线性关系。 当甲烷浓度在 9.5%处时，曲线出现拐点，以后随着甲烷浓度的增大，电桥输出 信号不断下降，出现了高浓度和低浓度输出信号相同现象。产生的原因是由于 高浓度甲烷气体中缺氧使燃烧不完全所造成的。所以，这种原理的甲烷检测仪 只能测量低浓度甲烷。 (5)元件的寿命。元件的寿命是指元件在使用过程中，其活性下降到某一规 定值的时间。 (6)元件的“中毒现象” 。矿井空气中的硫化氢、二氧化硫等气体会使元件 产生中毒现象，使活性降低。其原因主要是由于这些毒性气体元件活性下降。 此外，井下电气设备用的硅油、硅绝缘材料等挥发物，也会使元件中毒。这主 要是由于硅分子量大，一旦吸附在元件表面，就会阻止甲烷进入而影响元件氧 化速率，致使活性下降。 为防止元件中毒，可以加过滤器，例如用活性炭吸收管，1 cm厚活性炭的 吸收管，可使工作在有毒环境中的元件寿命延长数百倍。经过一段时间工作的元件，遇到较高浓度，工作数分钟后，元件的活性将 升高，高浓度消失后，元件在几十小时内活性才会逐步下降到原值附近，以后 又保持稳定的活性。这种现象称为元件被浓甲烷激活。元件的激活特性是一个 缺点，因为被激活的元件在一段时间内会造成不稳，这是在使用中应该加以注 意和调整的。 载体催化元件与纯铂丝元件相比，其抗毒性能较弱，在有毒气体的环境中， 宜采用铂丝元件。(7)反应速度。反应速度是工作元件的一个重要指标。特别是当元件应用 到各种运动机械上时，就更为突出。在井下空气中，当甲烷浓度发生变化时，元件的反应速度由两个因素决 定，一是元件本身的时间常数:，二是甲烷向元件扩散的速度。元件的时间常数 可由下式确定:基于单片机的甲烷浓度监测报警仪论文～１２～ 式中 ：元件的时间常数;E：元件的热容量;A：等效热导系数;S：元件的表面积;0：常数;T：元件的工作温度;I：工作电流;R：元件电阻;RQ：铂丝电阻温度系数·通过对上式的分析，可以合理地选择元件参数，以提高工作元件的反应速度。 本设计中选择的敏感元件型号为:MQ-K7参数为: 测量介质:甲烷 工作电流:直流稳压工作点:2. 8V/ < 175MA 测量范围:0-4%CN 稳定性:灵敏度变化士 0. 1%CH4 响应时间:(20S) 3.1.2.气敏元件的组成及作用本设计选用的气敏元件是由太原电子厂和哈尔滨通江晶体管厂生产的 MQ—K7 型号的半导体气敏元件，太被用于做各种可燃气体的检测、检漏、监 控设备的敏感元件。气敏元件是准确检测甲烷气体含量的核心元件之一，它由 工作元件和补偿元件组成，将这两个元件分别接在惠斯登电桥上，在元件的电 端加入高电平时元件开始工作，当环境中无甲烷气体时，调整电桥使之输出为 零，当有甲烷气体时，甲烷气体以扩散方式进入仪器原测量气室，内部接于桥 臂的热催化元件或热导元件发生氧化一还原反应，引起元件温度升高，阻值增 大，使原来平衡的电桥失去平衡，输出与甲烷浓度相对应的电压信号，测量该 电压信号即可知甲烷浓度。 它的基本测试电路图如附一图所示 3.2 按键电路设计与器件选择基于单片机的甲烷浓度监测报警仪论文～１３～此次设计的甲烷浓度报警仪应具备两种基本功能，一是随时输入报警上限值， 二是随时对当前的报警上限值进行修改，要实现这两种功能，可以接入键盘输 入电路。 1.键盘的结构选择 在单片机组成的监测系统及智能化仪器中，用得最多的是非编码键盘。键盘 的结构分为独立式键盘和行列式键盘两类。 本设计中只需要三个按键，因此选择独立式键盘。如图所示，电路由按键和三 个电阻组成，按键分别命名为 SET、+1 和 RET 键。按键可以采用轻触开关， 电阻可以采用 4 脚排电阻（3*1K） 2.如附二图所示，将键盘直接与单片机的P3口连接。用P3.3引脚通过按键 SET接一格外部中断的请求信号INT1；P3.1、P3.0引脚作为I/O口使用，通过 两个按键+1、RET接入两个输入信号。 SET键功能：设置当前报警上限值，即当前报警仪的报警上限值有误差时，需 要随时对它进行调整，使用 SET、+1 和 RET 键配合完成这一功能。 ①当 SET 被按下时，在单片机的INT1引脚产生一个低电平触发中断请求信号， CPU响应中断请求时，就转移到INT1中断服务程序的入口地址，执行INT1的 中断服务程序。 ②+1调整键的功能：分别对报警值的十位、个位和小数位进行+1调整，即每按 一次键，对应的值调整为+1。 ③RET 确认键的功能：确认，即对+1 调整为进行确认，该键按下时，说明被 调整位的值已经确认，转去调整下一位。 3.3 蜂鸣器电路的设计设计要求报警上限浓度到时要有声音提醒信号产生，可选择一只蜂鸣器来实 现这一功能。压电式蜂鸣器工作时约需 10mA 的驱动电流，并设计一个相应的 驱动及控制电路。电路设计如图所示，蜂鸣器作为三极管的集电极负载，当它 导通时，蜂鸣器发出声音，截止时不发声。它的报警时间长短是靠软件设置的。 3.4 放大电路的设计 在许多需要 A/D 转换和数字采集的单片机系统中，很多情况下，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，这种情况下，就必须选择一种符 合要求的放大器。仪表器的选型很多，可选用的运算放大器相当多，如 OP- 07，OP-725，如果要求不高，甚至可选价廉的 uA741 等通用运算放大器。本 设计的放大电路采用高精度集成运放 OP-07 做放大元件,OP-07 为一种具有低基于单片机的甲烷浓度监测报警仪论文～１４～ 失调电压、低失调电流和低温漂的超低失调运算放大器，其广泛地应用于稳定 积分、精密加法、比较、阖值电压检测、微弱信号精确放大等场合，是一种通 用性极强的运算放大器。OP-07 的电源电压范围 3～ 18V，输入电压范围为 0～ 14V， 3.5 TLC1549 与 AT89C2051 接口电路的设计TLC1549 芯片与单片机 AT89C2051 的连接比较简单，如图所示。被测电压 从 2、4 脚输入，经 A/D 转换后在 6 脚输出，5、6、7 分别与单片机的 P3.2、P3.7、P3.1 连接。其工作原理是：由单片机产生片选控制信号和时钟信 号，当 P3.0=0（CS=1）时，片选信号有效，P3.2引脚输出时钟脉冲送到I/O CLOCK引脚，在10个时钟脉冲的作用下，电压转换值从DATAOUT引脚输出，按 照高位在前低位在后的顺序通过P3.7引脚送入单片机。当P3.1=1（CS=0）时， 片选信号无效，DATA OUT引脚输出为高阻状态。 3.5.1 AT89C2051芯片概述AT89C2051是美国和ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机， 片内含2k bytes的可反复檫写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随 机存取数据存储器（RAM） ，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技 术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存 储单元，功能强大AT89C2051单片机可为您提供许多高性能价比的应用场合。主要性能参数： ·与MCS-51产品指令系统完全兼容·2k字节可重檫写闪速存储器 ·1000次檫写周期 ·2.7-6V的工作电压范围基于单片机的甲烷浓度监测报警仪论文～１５～·全静态操作CHz-24MHz ·两极加密程序存储器·128×8字节内部RAM·15个可编程I/O口线·两个16位定时/计数器·6个中断源·可编程串行UART通道·可直接驱动LED的输出端口·内置一个模拟比较器·低功耗空闲和掉电模式功能特性概述：AT89C2051提供以下标准功能：2k字节Flash闪速存储器，128字节内 部RAM，15和I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两极中断结构， 一个全双工串行通信口，内置一个精密比较器，片内振荡器及时钟电路。同 时，AT89C2051可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工 作模式，空闲方式停止CPU的工作，但允许PAM，定时/计数器，串行通信口 及中断系统继续工作，掉电方式保存PAM中的内容，但振荡器停止工作并禁 止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。 方 框 图基于单片机的甲烷浓度监测报警仪论文～１６～引脚功能说明·Vcc:电源电压·GND地·P1口：P1口是一组8位双向I/O口，P1.2- P1.7提供内部上拉电阻， P1.0和P1.1内部无上拉电阻，组要是考虑它们分别是内部紧密比较器的同相 输入端（AINO）和反向输入端（AIN1） ，如果需要应在外部接上拉电阻。P1口 输出缓冲器可吸收20mA电流并可直接驱动LED。当P1口引脚写入“1”时可 做输入端，当引脚P1.2- P1.7用作输入并被外部拉低时，它们将因内部的上 位电阻而输出电流（In） 。P3口还用于实现AT89C2051特殊性能，如下表示：
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