【正文】 于嚴(yán)酷的操作環(huán)境下的各式各樣靈敏測試。 圖 313 放大濾波電路參考電路圖 圖 314 AD8552 圖 315 AD8552 引腳圖 華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院本探測器選用了 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器 TLC2543。 TLC2543 的引腳功能： AIN0～ AIN10： 11 路模擬電壓輸入端； CS ：片選端，低電平有效； DIN：指令串行輸入端； DOUT：數(shù)據(jù)串行輸入端； EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出端； VCC、 GND：電源端； IOCLK：輸入 /輸出時(shí)鐘端； REF（ +）、 REF（－）：基準(zhǔn)電壓端。本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng) MCU 設(shè)計(jì) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng) MCU 主要有 STC89C52 單片機(jī)、外圍按鍵選擇、外部存儲(chǔ)器、濃度顯示、發(fā)光報(bào)警等。該器件采用 ATMEL 搞密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工。這里選用 STC89C52 單片機(jī)。利用單片機(jī) I/O 口模擬 TLC2543 工作時(shí)序，實(shí)現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換。采用串行輸入結(jié)構(gòu)，分辨率高， A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)間 10μs，具有單、雙極性輸出，可編程輸出數(shù)據(jù)長度。 檢測信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)處理以前，需要將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。 （ 2） LMV358M 放大器 LMV358M 放大器由單電源供電，供電電壓為 到 ，雙運(yùn)放，高共模抑制比，擁有高運(yùn)行速率。 （ 1） AD8552 放大器 AD8552 放大器由單電源供電，供電打壓為 + 到 +5V 之間，具有非常低的補(bǔ)償電壓和漂移電流，高共模抑制比，高增益，無需外加電容。圖 313 為放大濾波電路參考電路圖。 放大濾波電路是對(duì)紅外 CO 濃度信號(hào)的放大和濾波。 ～ 12V 的工作電壓范圍， － 40℃ ～ +85℃ 的工作環(huán)境允許溫度。圖 311 為 ADP3330 引腳圖。 MIRL17900 紅華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院紅外光源調(diào)制電路已在 節(jié)說明，下面將重點(diǎn)闡述穩(wěn)壓源電路和放大濾波電路的設(shè)計(jì)。這就解釋了為什么讓 STC89C52 單片機(jī) 的 P1 口發(fā)出 1Hz 的脈沖信號(hào)，從而使得紅外光源的調(diào)制頻率為 1Hz。 TPS2534 G1 G20 \ 3195 紅外探測器的信號(hào)輸出強(qiáng)度與紅外光源的調(diào)制頻率也有直接的關(guān)系。參考信號(hào)窗口允許不被 CO 吸收的一波段紅外線（即波長為 ）通過，而測量信號(hào)窗口只允許被 CO 吸收的一波段紅外線（即波長為 ）通過。 TPS2534 G1 G20 \ 3195 紅外探測器如圖 37 所示，其總體設(shè)計(jì)規(guī)格如表 32 所示。本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 19 都覆蓋著濾波片。 TPS2534 G1 G20 \ 3195 紅外探測器在其封裝內(nèi)擁有兩個(gè)獨(dú)立的窗口，使得其可以檢測兩個(gè)波 段的紅外線信號(hào)。所以不宜選擇光探測器。 光探測器的主要特點(diǎn)是靈敏度高，響應(yīng)速度快，響應(yīng)頻率高。光電效應(yīng)靈敏度高，響應(yīng)速度比熱探測器快得多，是選擇性探測器。它們改變電子能量狀態(tài)，引起各種電學(xué)現(xiàn)象，統(tǒng)稱為光子效應(yīng)。 紅外熱探測的機(jī) 理是熱學(xué)的變化，因此當(dāng)紅外光照射到探測器上以后，探測器的響應(yīng)時(shí)間一般有毫秒到秒不等的滯后。如溫差電動(dòng)勢、電阻率變化、自發(fā)極化強(qiáng)度變化等。常用的紅外探測器按探測過程 的機(jī)理主要分為熱探測器和光探測器。紅外光源、紅外探測器與氣室三者的軸線平行，盡量減少了紅外光在氣室內(nèi)的反射。 氣室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖 36 所示。氣室內(nèi)壁要求光潔，不吸收紅外光，化學(xué)穩(wěn)定性好，對(duì)待測氣體沒有吸附作用。此型號(hào)的場效應(yīng)管導(dǎo)通電壓為 +4V，單片機(jī)發(fā)圖 35 調(diào)制紅外光源電路圖 華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院 當(dāng)單片機(jī) 口沒有任何信號(hào)發(fā)出時(shí)，場效應(yīng)管的 D極與 S 極處于斷開狀態(tài)， 紅外光源兩端無電壓，處于暗狀態(tài)。紅外光源通過微處理器來脈動(dòng)式開和關(guān)，燈絲能被加熱和降溫在毫秒級(jí)。時(shí)的輻射強(qiáng)度是最大的。中心最熱區(qū)域（ 0740C? ）形成橢圓形。薄膜自由懸掛部分的合成尖晶石面積是 。 表 31 MIRL17900參數(shù)表 參量 參數(shù) 光譜輸出范圍 20 m?? 發(fā)射器的表面積 ? 華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院能在連續(xù)工作模式以及脈沖模式下 工作，溫度范圍可高達(dá)750℃。 MIRL17900是 INTEX公司生產(chǎn)的 一種能在高頻率下工作，高強(qiáng)度輸出的微型脈沖紅外光源。 （ 2） 光源的輻射波長應(yīng)當(dāng)盡量在氣體的吸收波段內(nèi)。由于氣體對(duì)紅外吸收具有選擇性，同時(shí)氣體對(duì)紅外的吸收能力也是隨波長而變化的。發(fā)光二極管是常用的小型輻射光源?，F(xiàn)實(shí)生活中，絕對(duì)黑體是沒有的，實(shí)際的輻射源只有灰體和選擇體。單片機(jī)對(duì)輸入的數(shù)字量進(jìn)行處理，輸出到顯示部分，成為我們可讀的信息。 圖 31 總體方案設(shè)計(jì)框圖 如框圖所示，氣體通過擴(kuò)散進(jìn)入氣室，氣室兩端分 別裝載紅外光源與紅外探測器。通過提供適當(dāng)?shù)奈諑挼母甙l(fā)射率和帶寬之外的低發(fā)射率 , 將最大化有用帶寬的比率，因此使靈敏度最大化了。本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 12 時(shí)的閃爍。紅外光強(qiáng)和 CO濃度之間的精確的聯(lián)系是確定的，它可以用純氮?dú)?(0 ppm CO)以及已知 CO濃度 (1000 or 5000 ppm)的校準(zhǔn)儀表來確定。到達(dá)探測器的 的強(qiáng)度與傳感氣室的 CO濃度有反向的聯(lián)系?；?NDIR 的 CO 探測器核心裝置原理圖如圖 23 所示。 華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院 由研究可知， CO 對(duì)在中心波長為 ，而對(duì)在中心波長為 。 圖 21 紅外光在電磁波譜中的位置 華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院紫外光區(qū)和紅外光區(qū)都是人眼無法感受的電磁波區(qū)域。因此需要根據(jù)不同的檢測量程，設(shè)計(jì)并選擇最優(yōu)的、適合儀器檢測量程的吸收氣室長度。 可見，光學(xué)路徑值與氣室長度也密切相關(guān)。一般來講，傳感器氣室長度是根據(jù)儀器檢測量程來優(yōu)化確定的。它本身是一個(gè)與波長相關(guān)的參數(shù)。從理論上講，吸收截面系數(shù) k(λ)是一個(gè)只和氣體有關(guān)的量。對(duì)氣體的定量檢測，首先需要確定這兩個(gè)因素。 從式（ 21）可以看出，只要確定了 L與 K(λ)的值， 通過入射光和透射光的強(qiáng)度就能測出氣體濃度。在 2～ ，混合物的成分可以很容易地區(qū)分。本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 8 第二章 CO 探測基本原理 朗伯 比爾 (LambertBeer)吸收定律 當(dāng)某物質(zhì)受到紅外光束照射時(shí)，該物質(zhì)的分子就要吸收一部分光能量并將其轉(zhuǎn)換為另一種能量，即分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能量。此類儀器一般為合資生產(chǎn) ,在我國價(jià)格為 3～ 8 萬元 ,價(jià)格因素也限制了 NDIR 儀器在我國的廣泛使用。 基于 NDIR 紅外分析現(xiàn)狀 NDIR 為英文 Nondispersive Infared 的縮寫，意為非分光紅外。紅外吸收式氣體傳感器可以探測多種氣體，而具有靈敏度高、氣華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院沒有傳感器老化、疲勞或燒壞等問題，容易實(shí)現(xiàn)滿足防爆要求的結(jié)構(gòu)，這在煤礦、井下等要求防爆的場合特別適用，不受鉛、硫等有毒物質(zhì)的影響，沒有催化燃燒型的中毒現(xiàn)象，有很高的穩(wěn)定性和可靠性。相比于催化燃燒型，它的反應(yīng)速度極快。氣體的特征吸收頻率的紅外光是由分子種類決定的。 固態(tài)金屬氧化物傳感器的缺點(diǎn)是：它的選擇性很差，對(duì)可能造成誤觸發(fā)報(bào)警的干擾和背景氣體敏感，易受其他還原性氣體等揮發(fā)性有機(jī)物的干擾，誤警概率明顯高于其他技術(shù)。 固態(tài)傳感器 固態(tài)傳感器的工作敏感元件是由一種或幾種過渡 金屬氧化物組成的，金屬氧化物通常為 SnO、 SnO Fe2O3 三類材料。不宜探測高濃度可燃?xì)怏w，可燃?xì)怏w濃度越高，在探測元件上燃燒產(chǎn)生的熱量也越高，當(dāng)熱量超過一定限度后，就會(huì)燒壞探測元件。 CO 在鉑絲上燃燒產(chǎn)生的熱量，使鉑絲阻值上升，瓦斯?jié)舛仍礁?，燃燒產(chǎn)生的熱量越大，鉑絲阻值也越高，從而使原來平衡的電橋變得不平衡。 電化學(xué)式氣體傳感器的主要不足是：除了與待測的氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)外，而且對(duì)其他雜質(zhì)氣體也會(huì)發(fā)生反應(yīng)，因而在有干擾氣體存在的地方這類傳感器的應(yīng)用就受到一定的限制，電化學(xué)氣體傳 感器需要定期標(biāo)定，在使用 1 至 3 年后需要更換。在 CO 自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)中，電化學(xué)傳感器占三分之二，而便攜式探測儀則幾乎 全部為電化學(xué)式。 華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院特別是當(dāng)井下發(fā)生煤層氣泄露、特殊煤層地質(zhì)條件下，可能使礦井 CO 氣體涌出局部積聚而超標(biāo)。低濃度長期暴露或反復(fù)發(fā)生輕度急性中毒可引起判斷力障礙、手指感覺障礙、記憶減退、無力等癥狀。因而造成血紅蛋白更能與 CO 結(jié)合而不容易與氧氣結(jié)合，使輸送到人體各組織器官的血液供養(yǎng)不足。由于相對(duì)密度約低于空氣，故能均勻地?cái)U(kuò)散于探測環(huán)境中。目前隨著城市煤氣、天然氣使用的迅速發(fā)展，城市鼓勵(lì)液化氣小區(qū)取代傳統(tǒng)的家用液化氣綱瓶以及城市里加油站的日益增多，這些因素都可能有大量 CO 出現(xiàn)，因而對(duì) CO 氣體的探測顯得日益重要。采用紅外技術(shù)探測 CO 不但克服了以往探測方法的不足，而且 還具有選擇性好、連續(xù)分析、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì) CO 的探測，裝設(shè)可燃?xì)怏w探測器，及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故隱患、盡早采取補(bǔ)救措施是非華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院它給工業(yè)安全生產(chǎn)帶來巨大危害，在煤礦井下 ,CO是引起瓦斯爆炸的主要?dú)怏w之一。但是在這一過程中，一些原有的國內(nèi)企業(yè)在合并中完全被外 資控制，失去原有的品牌，讓中國氣體探測器產(chǎn)業(yè)控制在外資手中，這值得深思。深圳特安電子有限公司目前是國內(nèi)最大的一家可燃、有毒氣體探測器設(shè)計(jì)、制造和銷售的單位。國家標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)的接軌，推動(dòng)中國產(chǎn)品向國際靠攏， 為中國產(chǎn)品走向世界奠定基礎(chǔ)。國家即將出臺(tái)的新的法規(guī)規(guī)定石華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院特安公司推出的 ESC500 型總線產(chǎn)品和日本新宇宙公司一款產(chǎn)品就具有此項(xiàng)功能。 （ 3）氣體探測器技術(shù)與現(xiàn)代通訊技術(shù)和數(shù)字技術(shù)結(jié)合 現(xiàn)代通訊技術(shù)和數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，帶動(dòng)了氣體報(bào)警器技術(shù)的發(fā)展。如日本費(fèi)加羅公司推出了探測（ ～ 10） 10－ 6 硫化氫低功耗氣體傳感器，英國 CITY 公司推出MICROceL?微型傳感器， 美國 IST 提供了壽命達(dá) 10 年以上的氣體傳感器，美國 FirstAlert公司推出了生物模擬型（光化反應(yīng)型）低功耗 CO 氣體傳感器等。本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 2 對(duì)氣體的探測和監(jiān)測設(shè)備提出了較高的要求。因此，這類事故具 有突發(fā)性強(qiáng)、擴(kuò)散迅速、救援難度大、危害范圍廣等特點(diǎn)。 隨著石油化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，易燃、易爆、有毒氣體的種類和應(yīng)用范圍都得到了增加。 僅以用于安全保護(hù)家用燃?xì)庑孤﹫?bào)警器為例，日本早在 1980 年 1 月開始實(shí)行安裝城市煤氣、液化石油氣報(bào)警器法規(guī)， 1986 年 5 月日本通產(chǎn)省又實(shí)施了安全器具普及促進(jìn)基本方針。如今廣大的工人和公眾不必依賴敏感的鳥類，現(xiàn)代氣體監(jiān)控儀表要先進(jìn)的多。s situation, development trend and classification based on the NDIR, the principle of concentration of CO detector, the probe39。論文中還具體闡述了硬件制作過程和制作過程中的注意事項(xiàng)。論文介紹了基于 NDIR 的 CO濃度探測器中的紅外光源與紅外探測器的選擇，并詳細(xì)介紹了紅外光源與紅外探測器的選擇理由以及性能。 論文從 CO 濃度探測器的現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢和分類開始，詳細(xì)介紹了 CO 探測器的各個(gè)方面，探討了研制 CO 濃度探測器的意義與基于 NDIR 的 CO 濃度探測器的實(shí)現(xiàn)原理。 論文中所制作的硬件部分均在實(shí)驗(yàn)室條件下完成，各個(gè)硬件在現(xiàn)有的制作條件下盡可能的達(dá)到理想效果。 關(guān)鍵詞： TPS2534， MIRL17900， NDIR， CO ii