【正文】 業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計 (論文 ) 電子信息系 8 體時，還原性氣體（如 CO 或 H2 ）就與晶粒所吸附的氧發(fā)生反應，把其電子給予半導體，進入到 N型半導體內的電子，束縛其少數(shù)載流子的空穴，是空穴與電子的復合率降低。 傳感器的選擇 天然氣的主要成分是 CH4，屬于可燃性氣體，所以本設計選擇電阻式氣敏傳感器 QMN10 來檢測氣體。 另外，控制系統(tǒng)濃度采樣周期是 1S，采用中值濾波方法去控制現(xiàn)場對采樣值的干擾。由于 AD574A片內包含高精度的參考電壓源和時鐘電路，這使它不在需要任何外部電路和時鐘信號的情況下完成一切 A/D 轉換功能，應用非常方便。 本次設計中采用逐次逼近型 A/D 轉換器 AD574A。由于本裝置需要檢測 2個存氣罐，而每個存氣罐上有 8個濃度監(jiān)測點，因此要對 16 個點采集信號，所以本裝置選用多路模擬開關 CD4051。2 為多路開關； 3 為放大電路； 4 為控制電路； 5 為 A/D 轉換； 6為接口電路； 7為 CPU； 8 位顯示電路； 9 為報警電路。 以上方法的原理簡單，但由于誤報警率高，而且無法定位，所以不能作為主長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計 (論文 ) 電子信息系 5 要的檢測方法。 基于軟件的方法： 這種方法主要依靠的是檢測泄漏引起的壓力、流量等參數(shù)的變化，利用特定的算法來進行泄漏檢測和定位。 c. 聲學檢測法 聲學檢測法依據(jù)下面的原理：發(fā)生泄漏的時候，流體經(jīng)過漏點時會產(chǎn)生泄漏聲波。檢測器主要有火焰電離 檢測器和可燃氣體監(jiān)測器。天然氣無色無味，輸送進管道之前要添加臭味劑以便及時發(fā)現(xiàn)其泄漏。本文使用基于硬件和軟件編程的分類方法對輸氣管道的泄漏檢測技術進行分類評述。此巡測系統(tǒng)把天然氣的濃度通過氣敏傳感器轉換成電壓信號并顯示出來，如果濃度超過限度就報警 ,提示工作人員采取保護措施。在這類應用系統(tǒng)中，單片機通常用以做前置機，后臺機是一臺系統(tǒng)機或網(wǎng)絡工作站。單片機是將微處理器、存儲器、 I/O 接口和中斷系統(tǒng)集成在同一芯片上，具有完整功能的微型計算機，這塊芯片就是其硬件。常用的儀表如流量計，功率計，壓力表，溫度計，電壓表，等等，值班工人必須 24 小時不斷來回地巡視，記錄這些儀表的數(shù)值，這種人工巡視，記錄的管理方式，不僅勞動量 大，有時還不精確。二是增強可靠性，實現(xiàn)元件和應用電路集成化，多功能化，發(fā)展 MEMS 技術，發(fā)展現(xiàn)場適用的變送器和智能型傳感器。 國外氣體傳感器發(fā)展很快，一方面是由于人們安全意識增強，對環(huán)境安全性和生活舒適性要求提高；另一方面是由于傳感器市場增長受到政府安全法規(guī)的推動。結構型式有袖珍型便攜式、手推式、固定式報警等；工業(yè)用固定式報警又有壁掛式、臺放式、單臺監(jiān)控式、多路巡檢式等。 氣體巡檢在國內外的發(fā)展現(xiàn)狀 在應用方面，目前最廣泛的是基于單片機的可燃性氣體的巡檢，本設計所應用的是 QMN10 型氣敏元件傳感器，已普及應用于氣體泄漏檢測和監(jiān)控，從工廠企業(yè)到居民家庭，應用十分廣泛。天然氣一旦泄漏，不僅會帶來經(jīng)濟上的損失和環(huán)境污染，還會發(fā)生火災和爆炸，造成人員傷亡事故。長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計 (論文 ) 電子信息系 1 第 1 章 緒 論 氣體甲烷濃度測試系統(tǒng)研究 目的和意義 天然氣（主要成分甲烷）是大自然給予我們的巨大財富，它已日漸成為人們生產(chǎn)、生活中不可缺少的能源。因此，對天然氣儲存、輸送設備進行泄漏檢測，保障其安全性和可靠性是十分必要的。僅以用于安全保護家用燃氣泄漏報警器為例，日本早在 1980 年 1 月開始實行安裝城市煤氣、液化石油氣報警器法規(guī)， 1986 年 5月日本通產(chǎn)省又實施了安全器具普及促進基本方針。氣體檢測技術與計算機技術相結合，實現(xiàn)了智能化、多功能化。因此，國外氣體傳感器技術得到了較快發(fā)展，據(jù)有關統(tǒng)計預測，美國 1996 年 — 2021年氣體傳感器年均增長率為（ 27～ 30）％。如美國 GeneralMonitors 公司在傳感器中嵌入微處理器，使氣體傳感器具有控制校準和監(jiān)視故障狀況功能，實現(xiàn)了智能化；還有前已涉及的美國 IST公司 的具有微處理器的 MegaGas傳感器實現(xiàn)了智能化、多功能化?；趩纹瑱C的智能氣體巡檢裝置，是我國許多大，中型工礦企業(yè)步入生產(chǎn)自動化管理時必然要提出來研制的設備。軟件程序存放在片內或片外擴展的只讀存儲器內。 采用單片機來對它們進行控制，不僅具有控制方便、簡單和靈活性大等優(yōu)點，而且可以大幅度的提高被控對象的技術指標。從傳感器出來的氣體濃度的檢測范圍是 2021— 25000PPM，工作電壓是 VH工作電壓為 20V； VD— 燈絲的加熱電壓為 5V177。 基于硬件的方法 : 這類方法主要依靠的是人工巡視或者各種基于光 學、聲學、化學等原理的儀器設備對管壁和管道周圍環(huán)境進行監(jiān)測以實現(xiàn)泄漏檢測。臭味劑多為硫化物，其中四氫噻吩（ THT）使用最為廣泛。 火焰電離檢測器（ FID）通過計算烴類氣體在電場中灼燒產(chǎn)生的帶電碳原子數(shù)目來計算該氣體的濃度。在輸氣管道中，該泄漏聲波在超聲波范圍內，以聲波向管道兩端 傳播，可由相應的聲學傳感器檢測到。隨著計算機技術的發(fā)展和 SCADA 系統(tǒng)在管線上的應用，泄漏檢測技術已成為 SCADA 系統(tǒng)的一個重要組成部分。 擬定總體方案 根據(jù)生產(chǎn)實際要求，本設計對兩個儲氣罐的 16 個點進行在線巡回檢測，并且當濃度超限時報警，提醒工作人員采取措施。 由圖可知，當某點有漏氣時，便將氣敏傳感器采集的信號經(jīng)測量電路、多路選擇開關分時輸至信號放大器，再經(jīng) A/D 轉換轉變?yōu)閿?shù)字量送至微機進行處理，其結果由 LED 顯示，超過一定限度由報警裝置報警，提醒工作人員采取措施。多路開關的作用主要是用于切換信號，如1 （2CH≠（2DH）？ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計 (論文 ) 電子信息系 6 在某一時刻接通某一路，讓該路信號輸入而讓其他路斷開，達到切換信號的目的。 AD574A 是美國模擬器件公司（ Analog Devices）生產(chǎn)的 12 位逐次逼近型快速 A/D 轉換器。 濃度顯示部分采用 LED 顯示，自動顯示 16 個采樣點的濃度信息。 長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計 (論文 ) 電子信息系 7 第 2 章 方案論證 系統(tǒng)的配置方案：根據(jù)被測信號的路數(shù)以及信號變化快慢等的不同，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由多種配置方案，多路數(shù)據(jù)采集采用無采集保持器的多通道共享 ADC 多路框圖 ,如圖 ： X1 X2 多 ADC 接 CPU ?? 路 開 Xn 關 口 圖 ADC多路框圖 前向通道為由傳感器，放大測量電路以及 AD574 組成，后向通道由 825鍵盤組成，最后由 LED 顯示，存儲器用 6264，作為 89C51 的外擴存儲器。 電阻式氣敏傳感器的敏感元件多采用半導體材料如 SnO2 ，當這種半導體材料表面吸附某些氣體時，其電導率將隨氣體濃度的變化而發(fā)生變化。結果加強了自由電子形成電流的能力，因而元件材料的電 導率提高、電阻率減小，電阻也減小；與此相反，若 N 型半導體元件吸附氧化性氣體（如 O2 ），這些吸附態(tài)的氧化性氣體從晶粒表面俘獲電子，增大了材料表面的電子勢壘，結果使導帶電子數(shù)目減少，材料導電率降低、電阻率升高，電阻也增加。 ICL7650 采用 14 腳雙列直插式和 8腳金屬殼兩種封裝形式 .圖 14腳雙 列直插式封裝的引腳排列圖 . 引腳的功能說明 圖 ICL7650 引腳排列圖 圖 工作原理圖 長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計 (論文 ) 電子信息系 9 引腳的功能說明 CEXTB : 外接電容 ； CEXTA : 外接電容； I N : 反相輸入端； + I N : 同相輸入端； V : 負電源端； CRETN : CEXTA 和 CEXTB 的公共端； OUT CLAMP : 箝位端 ； OUTPU : 輸出 端； V +:正電源端； INT CLKOUT :時鐘輸出端 ； NT/EXT: 時鐘控制端； EXT CLKIN : 時鐘輸入端 可通過該端選擇使用內部時鐘或外部時鐘 .當選擇外部時鐘時 .該端接負電源端 V ,并在時鐘輸入端 (EXT CLKIN)引入外部時鐘信號 .當該端開路或接 V+ 時 .電路將使用內部時鐘去控制其它電路的工作 。 其中 INH 為禁止端，當 INH 為高電平時，八個通道全部禁止；當 INH 為低電平時，由 A、 B、 C決定選通的通道， COM 為公共端，真值表如表 21 所示。 LE：數(shù)據(jù)輸入鎖存選通信號，高電平有效。當該信號為高電平時，輸出線為高阻態(tài)。片內含 4K bytes 的可反復擦寫的只讀程序存儲器（ EPROM）和 128 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準 MCS51 指令系統(tǒng)，片內置通用 8 位中央處理器（ CPU）和 Flash 存儲單元，功能強大 AT89C51 單片機可為您提供許多高性價比的應用場合，可靈活應用于各種控制領域。 AD574A 是美國模擬器件公司（ Analog Devices）生產(chǎn)的 12 位逐次逼近型快速 A/D 轉換器。 顯示電路選擇 濃度顯示部分采用 LED 顯示，自動顯示 16 個采樣點的濃度信息。 壓電式蜂鳴器，約需 10MA 的驅動電流，可以使用 TTL 系列集成電路 7406 或7407 低電平驅動，也可以使用一個晶體管三級管驅動。譯碼電路可以使用現(xiàn)成的譯碼器芯片。在此系統(tǒng)中，外擴的數(shù) 據(jù)存儲器都采用靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器?？衫么龣z測氣體的物理吸附作用，如濕度傳感器利用吸附水的傳導作用引起表面電導率變化，獲得電信號；或是由吸附水引起電容變化，由靜電電容的變化取得電信號；利用待測氣體的化學吸附與反應引起表面附近的電子或空穴濃度變化而使表面電導率變化，這類敏感元件有 Zn、SnO2 等，用于檢測可燃氣、 CO N2類等 。 在本次設計中，從檢測對象來看，天然氣的主要成份是 CH4 ，所以選用 QMN10氣敏傳感器。 用于可燃性氣體的檢測（ CH C4H H2 等）； 2 靈敏度高； 響應速度快； 輸出信號大； 壽命長，工作穩(wěn)定可靠。片內含4K bytes 的可反復擦寫的只讀程序存儲器（ PEROM）和 128 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準MCS51 指令系統(tǒng)，片內置通用 8 位中央處理器（ CPU）和 Flash存儲單元，功能強大 AT89C51 單片機可為您提供許多高性價比的應用場合，可靈活應用于各種控制領域。 1000 次擦寫中期 32 個可編程 I/O 口線 低功耗空閑和掉電式能圖 特性概述： AT89C51 提供以下標準功能： 4K字節(jié) Flash 閃存存儲器， 128 字節(jié)內部 RAM， 32 個 I/O 口線，兩個 16 位定時 /計數(shù)器，一個 5向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路同時， AT89C51 可降至 0Hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。 AT89C51 有 40 條引腳，與其他 51 系列單片機引腳是兼容的。圖 33是 AT89C51 單片機的內部結構框圖。 1．運算器 運算器用來完成算術運算和邏輯運算功能，它是 AT89C51 內部處理各種信息的長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計 (論文 ) 電子信息系 20 主要部件。它是運算器的核心部件。 PSW 中各位狀態(tài)常量是操作過程中自動相成的，但也可以由用戶根據(jù)需要由位操作指令加以改變， PSW 各位定義如表 33所示。 ②輔助進位位 AC：表示累加器在加減運算時低 4 位（ A3）有無向高 4 位（ A4）進位或借位。編程時用與存放數(shù)據(jù)或地址。 表 34 RS1 RS0關系表 長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計 (論文 )