【正文】 個(gè)傳感器組成的陣列檢測(cè) m 種氣體組成的混合氣體，采用氣敏電阻的分?jǐn)?shù)電導(dǎo)作為傳感器的輸出向量，記為 s=[s1， s2 ，sn]T，設(shè)被測(cè)氣體濃度與傳感器的輸出信號(hào)之間的回歸方程為線性。 C= (cij)mp ，S= (sij)mp ，輸入輸出關(guān)系為 C=SA+ε。主成分的提取法則是沿著觀測(cè)數(shù)據(jù)向量方差最大的方向提取，因此它們與被測(cè)氣體濃度之間的線性依賴關(guān)系也并非最好 [24]。 聚類分析在電子鼻數(shù)據(jù)處理中應(yīng)用也較為廣泛，它是一種無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)過(guò)程，用于尋找數(shù)據(jù)樣本之間的空間關(guān)系或相似性，主要包括三個(gè)基本步驟 :(a) 定義樣本之間的不相似性法則，通常采用歐式距離； (b)定義一種優(yōu)化聚類的法則，. . 通?；陬悆?nèi)和類間結(jié)構(gòu) (如擴(kuò)展類間距離，壓縮類內(nèi)距離等 )； (c)定義一種搜索算法，用于將某一測(cè)試樣本賦給某一類。將訓(xùn)練樣本隨機(jī)設(shè)定為 C 個(gè)不相連的類，計(jì)算每個(gè)類的均值，然后重新分配各樣本到 C個(gè)類中再計(jì)算各類的平均值，直到相鄰兩次重新分配的各類均值不變就結(jié)束迭代計(jì)算，這種方法就是 C均值法。倘若將“類”作為一個(gè)變量尋求輸入和這個(gè)變量之間的關(guān)系，那么分類實(shí)際上又是回歸的一種。測(cè)試樣本的選取方. . 法也有多種，如使用新的樣本集或多次交叉驗(yàn)證法等，在氣體分析中多采用新樣本集進(jìn)行驗(yàn)證。 溫度調(diào)制模式 調(diào)查發(fā)現(xiàn)，最早關(guān)于溫度調(diào)制方面的文獻(xiàn)資料源于美國(guó)專利， 1975年 [28]申請(qǐng)了用于 CO檢測(cè)的氣體傳感器溫度調(diào)制技術(shù)方面的專利，即控制傳感器低溫檢測(cè)、高溫清洗的檢測(cè)方法，該技術(shù)現(xiàn)已經(jīng)被 Figaro公司的 CO傳感器采用 。 Clifford 總結(jié)指出，提高氣體檢測(cè)系統(tǒng)的選擇性，可以使用工作在不同工作溫 度下的傳感器組成陣列，也可以使用一個(gè)依次工作在不同 溫度下的傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些都是兩個(gè)溫度點(diǎn)之 間的階躍 ,但是 Sears[35]等認(rèn)為全量程周期性 (cyclictemperature)加熱電壓在傳感器的溫度調(diào)制方面更具有優(yōu)越性和發(fā)展前景。因此比較合適的方法還是在一定偏壓和幅值下的溫度調(diào)制技術(shù)，而“遍歷”一定范圍內(nèi)的溫度點(diǎn)的思想仍然得到了延續(xù)。 , , 等分別考察了厚膜氣體傳感器在正弦溫度調(diào)制模式下的響應(yīng)特征，頻率都為 50mHz,溫. . 度調(diào)制范圍一般低溫 2020 C 至高溫 4000 C 左右。 微熱板式薄膜氣體傳感器由于具有尺寸小、溫度響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，能夠快速跟蹤加熱電壓的變化，在溫度調(diào)制方面 應(yīng)更具有優(yōu)越性。由于該二階信號(hào)比較微弱，他們又提出了使用 2 倍頻的電壓信號(hào)對(duì)正弦加熱電壓調(diào)制后的信號(hào)進(jìn)行疊加增強(qiáng)二階諧振信號(hào)，提高信號(hào)的幅度 [38]，及將考慮的諧頻信號(hào)增加到 3 階諧振，提高氣體識(shí)別的準(zhǔn)確率。 Clifford. . 引入了半導(dǎo)體勢(shì)壘模型來(lái)分析傳感器受溫度的影響 [39]， 在該模型的基礎(chǔ)上添加了傳感器表面的化學(xué)反應(yīng)機(jī)制，并討論了 CO，O2 等在材料表面的化學(xué)吸附和反應(yīng)機(jī)理，對(duì)傳感器的遲滯現(xiàn)象進(jìn)行了定性的解釋。對(duì)于多成分氣體的識(shí)別和量化技術(shù)，目前較成功 的方法是將各個(gè)濃度的氣體設(shè)定為一種模式，根據(jù)氣體傳感器陣列的響應(yīng)特征對(duì)各種模式進(jìn)行識(shí)別，要識(shí)別的模式數(shù)目依賴于量化的精確程度。 溫度調(diào)制模式對(duì)傳感器選擇性的改善程度起著決定性的作用，溫度調(diào)制模式主 要由調(diào)制波形、調(diào)制頻率、調(diào)制溫度的幅度以及偏移量等幾個(gè)參數(shù)決定，而迄今為止，氣體傳感器的溫度調(diào)制模式的選擇仍處于試錯(cuò)研究階段，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)根據(jù)實(shí)際情況考察適用的溫度調(diào)制模式，其中正弦溫度調(diào)制模式使用最多。 器件的結(jié)構(gòu)原理 MOTOROLA 一氧化碳 (CO) 傳感器 MGS1100 是一種新型的專門用于家庭的 CO氣體檢測(cè)器。通常加熱器及 SnO2 層的溫度與加熱電壓 VH 、加熱電流 IM 有關(guān)。其中在大約 400 C的高溫時(shí) , 對(duì)傳感器的敏感部位進(jìn)行清潔 (維持 300ms),在小于 100 C 的低溫時(shí)檢測(cè) CO。實(shí)驗(yàn)表明 ,如果低溫段時(shí)間為 10s ,在 Rs值最適合。經(jīng)過(guò)一定的算法處理修正后 , 最后通過(guò)判斷作出相應(yīng)的數(shù)據(jù)顯示和報(bào)警輸出。 . . 電路原理 電路的核心部件為 MOTOROLA MCU 的 MC68HC705P9 作為核心控制元件。該電路同樣適用于其他公司生產(chǎn)的 CO傳感器 , 僅僅工作周期、驅(qū)動(dòng)電流大小不同 , 需要加以調(diào)整即可。環(huán)境的 CO濃度檢測(cè)和溫度檢測(cè)的數(shù)據(jù)采集 , 分別通過(guò) MC68HC705P9 的有關(guān)的 A/D 口來(lái)進(jìn)行。由于環(huán)境濕度的對(duì) CO 傳感器影響相對(duì)較 小 , 故忽略 , 不進(jìn)行濕度校正。故對(duì) MGS1100 進(jìn)行采集的數(shù)據(jù)要進(jìn)行兩步處理。 傳感器 MGS1100 的靈敏度輸出曲線可分為 :60ppm 以下、60ppm100ppm、 100200ppm、 200400ppm、 400ppm 以上 5 段 , 經(jīng)分析 , 每一段可作為直線處理近似。加之采用 MC68 HC705P9 單片機(jī) , 其 A/D變換電路置于片內(nèi) , 故產(chǎn)品的整體設(shè)計(jì) ,體積小、功耗低、外圍電路簡(jiǎn)單。 . . 本章小結(jié) 本章主要介紹了家庭中應(yīng)用的一氧化碳報(bào)警器，并對(duì)設(shè)計(jì)報(bào)警器的 MOTOROLA MGS1100 一氧化碳傳感器，進(jìn)行傳感器的原理及 設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹和分析，另外還對(duì)調(diào)試和結(jié)果做了闡述 。所以這個(gè)研究的題目對(duì)實(shí)際生活中意義非?？傄?。采用雙光源雙探測(cè)器光路對(duì)其它氣體、粉塵等雜質(zhì)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償 。一氧化碳 。實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地測(cè)出這些場(chǎng)合 CO 的濃度 ,對(duì)保障工業(yè)安全生產(chǎn)、提高人們生活質(zhì)量具有十分重要的意義。紅外光經(jīng)過(guò)氣體的過(guò)程中 ,氣體對(duì)它的能量吸收與它的波數(shù)有關(guān)。常 用的模型有 Elsasser 周期模式、 Goody 統(tǒng)計(jì)模式和隨機(jī) El2sasser 模式。 但要找出譜帶吸收的計(jì)算式是很難的 ,解決的方法之一是逐線積分求得總和 ,但所得值與實(shí)測(cè)值相差 5%～ 10%,精度不高 ,且計(jì)算量大、不方便。發(fā)光二極管 LED光強(qiáng)為 I I2,探測(cè)器靈敏度為 RR2,被測(cè)氣體的投射比為τ a 以及氣室的投射比為τ 0。將抵消后的結(jié)果送到單片機(jī)處理 ,減少了誤差的來(lái)源 ,提高了測(cè)量的精度。為了解決發(fā)光光源能量 E的不穩(wěn)定性、探測(cè)器接受靈敏度的穩(wěn)定性不停變化等因素 ,同時(shí)也為了補(bǔ)償其它雜質(zhì)氣體、粉塵等的干擾誤 差 ,采用具有補(bǔ)償功能的紅外雙光源雙探測(cè)器 ,其結(jié)構(gòu)如圖 2所示 工作時(shí) ,發(fā)光二極管 LED LED2發(fā)出紅外光 ,經(jīng)過(guò)各自的參比氣室、待測(cè)氣室后能量被吸收 ,到達(dá)對(duì)應(yīng)的探測(cè)器 探測(cè)器 2。經(jīng)過(guò)選擇濾光片后 ,紅外光經(jīng)過(guò)含有一定濃度 CO 的氣室后 ,其能量被吸收 ,而 CO吸收紅外光能量與其濃度直接相關(guān)。c為待測(cè)氣體濃度 。 2 系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)構(gòu)模型、軟硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型 紅外 CO 濃度探測(cè)儀將待測(cè)混合氣體中的 CO濃度轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào) ,該信號(hào)經(jīng)電壓跟隨放大電路放大、線性補(bǔ)償電路線性補(bǔ)償后送至模 數(shù)轉(zhuǎn)換電路 ,最后送至單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與處理 ,計(jì)算后將顯示濃度結(jié)果 ,根據(jù)測(cè)得的不同濃度值做出相應(yīng)的判斷和異常處理。當(dāng) CO濃 度較高 ,電壓跟隨放大電路輸出的信號(hào)較大時(shí) ,存在 Beer定律偏差 ,因此設(shè)計(jì)了對(duì)高濃度信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)碾娐贰? (3)計(jì)算機(jī) MCU系統(tǒng) 主要由 8051單片機(jī)、外圍的顯示、鍵盤、報(bào)警等組成。 8279芯片具有鍵盤掃描與輸出動(dòng)態(tài)顯示功能。若在正常范圍內(nèi) ,系統(tǒng)不動(dòng)作 。為了與地面測(cè)控室通信 ,設(shè)計(jì)了與上位機(jī)通信的接口和線路。 (1)補(bǔ)償和修正 由于 CO傳感器受溫度影響較大 ,因此先對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償 ,再計(jì)算壓力補(bǔ)償。同時(shí) ,在軟件設(shè)計(jì)時(shí) ,需要開(kāi)辟大量的存貯單元存貯這些標(biāo)準(zhǔn)濃度數(shù)據(jù)。根據(jù)檢測(cè)儀應(yīng)用行業(yè)的不同 ,將相應(yīng)濃度范圍的數(shù)據(jù)存到單片機(jī)即可。單片機(jī)根據(jù)輸入的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算 ,確定所測(cè) CO濃度并顯示 ,判斷 CO濃度是否在安全范圍內(nèi) ,并執(zhí)行相應(yīng)的正?；虍惓Ｌ幚?。采用紅外技術(shù)檢測(cè) CO,不僅克服了傳統(tǒng) CO 檢測(cè)儀選擇性差、受風(fēng)速影響大、反應(yīng)速度慢、探測(cè)范圍小、容易污染中毒老化、不能有效地進(jìn)行大空間可燃?xì)怏w的安全監(jiān)控等缺點(diǎn) ,還可在無(wú)氧環(huán)境中工作 ,使用壽命長(zhǎng) ,也不會(huì)因可燃?xì)怏w濃度過(guò)高而降低性能 ,探測(cè)靈敏度高、響應(yīng)速度快。具有實(shí)時(shí)信號(hào)的上傳或下載功能 ,可較好地實(shí)現(xiàn)礦井的安全監(jiān)控和調(diào)度。 本文實(shí). . 現(xiàn)了紅外對(duì) CO檢測(cè)的智能化 ,它通過(guò)外圍的硬件電路采集紅外 CO 傳感器的信號(hào)。 3 結(jié)語(yǔ) 目前 CO檢測(cè)儀的發(fā)展方向是微小型化、集成化、智能化和多功能化 ,并且對(duì)長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性、易維修性方面要求越來(lái)越高。然后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集 ,接受紅外 CO 傳感器傳來(lái)的經(jīng)過(guò)放大和濾波后的信號(hào)。在軟件設(shè)計(jì)中 ,按線性插值法確定修正. . 系數(shù) ,然后將壓力乘上修正系數(shù)后作為最終的結(jié)果。根據(jù)存貯在機(jī)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)溫度下的準(zhǔn)確濃度值 ,將測(cè)得的溫度結(jié)果 ,按線性插值法確定對(duì)應(yīng)溫度值下的 CO 濃度。也可將測(cè)得的數(shù)據(jù)下載到存貯器中 ,由操作人員帶回地面分析處理、存檔等。報(bào)警采用555芯片的聲音報(bào)警電路 ,當(dāng)濃度超標(biāo)時(shí) ,555 芯片發(fā)聲報(bào)警。其鍵盤掃描用掃描線 SL0～ SL3 經(jīng) 74LS138譯碼器譯碼后得出的 8根鍵掃描線 ,與 RL0～ RL3 一起組成一個(gè) 32 鍵的陣列。設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘不斷發(fā)出檢測(cè)脈沖來(lái)循環(huán)讀入 A/D 轉(zhuǎn)換 的數(shù)據(jù)。采用電壓 頻率 (V/F)轉(zhuǎn)換 ,送入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 3所示。 (6)式可簡(jiǎn)化成 : c=A/μ l (7) 式中 :A為吸收度 ,A=ln(I/I0)。波段光強(qiáng)的變化量取決于氣體體積百分比濃度 (L EL)與該氣體所經(jīng)光路長(zhǎng)度 (m)的乘積。輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)外圍電路的轉(zhuǎn)換、放大以及模數(shù)轉(zhuǎn)換后 ,送單片機(jī)進(jìn)行 處理。特別當(dāng)光波波長(zhǎng)與媒質(zhì)分子的振動(dòng)頻率相等時(shí) ,光子與分子產(chǎn)生共振 ,光能量被強(qiáng)烈地吸收 ,透射光強(qiáng)幾乎為零。探測(cè)器 1 和探測(cè)器 2 的輸出電壓分別為 V 1=I1 R1 (1) V 2=I1 R2τ aτ 0 (2) 當(dāng) LED2 發(fā)出脈沖光時(shí) ,探測(cè)器 2 接受到的是來(lái)自 LED2 的直接輻射 ,探測(cè)器 1接受到的光是經(jīng)過(guò)氣室被吸收后的紅外輻射。 采用具有補(bǔ)償能力的光路實(shí)現(xiàn)對(duì)雜質(zhì)氣體和粉塵等的補(bǔ)償。 CO 紅外檢測(cè)儀采用了雙光源雙探測(cè)器的補(bǔ)償光路 ,其模型如圖 1 所示。通常在一個(gè)很窄的吸收帶內(nèi)可能有數(shù)十條或數(shù)百條吸收線 ,計(jì)算每條吸收線的吸收能量總和就是吸收帶的總吸收能。將紅外技術(shù)應(yīng)用到檢測(cè)礦井 CO,在國(guó)內(nèi)還是首次進(jìn)行這方面的研究。雙光源 。系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了各種接口 ,實(shí)現(xiàn)鍵盤、顯示、報(bào)警和上傳下載等功能。感謝老師和同學(xué)對(duì)我的幫助，天下無(wú)不善之筵席，分離總是難免的，愿同學(xué)們前程什錦，老師工作順利，大家事業(yè)有成。 . . 致謝 歷經(jīng)一個(gè)多月的畢業(yè)設(shè)計(jì)終于告一段落了，在這個(gè)過(guò)程中 雖然遇到了很多問(wèn)題，但是在導(dǎo)師的幫助下，我學(xué)習(xí)到了 很多書本上學(xué)不到的東西， 感謝劉老師 在這一段時(shí)間給予我們的幫助。本系統(tǒng)雖然忽略濕度對(duì)測(cè)量的影響 , 但由于實(shí)際中 , 特別是在低 CO濃度的測(cè)量中 ,MGS1100受濕度的影響還是不能忽略的。根據(jù)表 32 的報(bào)警功能設(shè)定 , 由 MCU 作出相應(yīng)的報(bào)警處理。 在溫度 T下 , 傳感器的輸出電阻 R s為 :Rs (X, T ) = Rs (X, 25)，即 Rs (X, 25) = Rs (X, T )/ ，其中 R s (X, 25)為在一定 CO 濃度下 (Xppm) 和 25 C室溫的環(huán)境下的傳感器的輸出電阻； A為溫度系數(shù) ,根據(jù) MO TOROLA 半導(dǎo)體提供的測(cè)定數(shù)據(jù) ,如表 32 所示。它具有程序簡(jiǎn)單、執(zhí)行速度快等優(yōu)點(diǎn)。 其主要功能是 : 通過(guò)控制 PA5 的輸出電平 , 使方波產(chǎn)生電路產(chǎn)生方波 , 去驅(qū)動(dòng)傳感器MGS1100 的加熱元件。其中 + 5V電壓主要提供單片機(jī)、溫度傳感器