【導(dǎo)讀】師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加。均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文。不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學(xué)可以將本學(xué)位。印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。的情況下，可能引起人體中毒，產(chǎn)生致命后果。一氧化碳?xì)怏w進(jìn)行監(jiān)測。模式，基于統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，采用貝葉斯公式對(duì)各模式進(jìn)行識(shí)別。同時(shí)還對(duì)目前一氧化碳監(jiān)測中存在的主。要問題進(jìn)行了初步的分析。根據(jù)MGS1100芯片的結(jié)構(gòu)及工作模式，設(shè)計(jì)了報(bào)警器電路，并對(duì)。的調(diào)試，調(diào)試結(jié)果表明該報(bào)警器是可以在實(shí)際中使用。

　　

【正文】 設(shè)定 , 由 MCU 作出相應(yīng)的報(bào)警處理。 調(diào)試和結(jié)果 采用如圖 35 所示電路實(shí)現(xiàn)的 CO 報(bào)警器 , 由于 MOTOROLA MGS1100 傳感器具有的低功耗、穩(wěn)定性好、靈敏度高的特點(diǎn)。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 圍電路簡單。調(diào)試結(jié)果證明 , 其性能穩(wěn)定 , 重復(fù)性好 , 抗干擾能力強(qiáng) , 特別是系統(tǒng)采用的帶參數(shù)實(shí)時(shí)校正方式 , 對(duì)降低電路 CO 檢測誤差 , 提高 CO 報(bào)警的準(zhǔn)確率 , 克服傳感器參數(shù)離散性的影響 , 具有決定的意義。本系統(tǒng)雖然忽略濕度對(duì)測量的影響 , 但由于實(shí)際中 , 特別是在低 CO濃度的測量中 ,MGS1100受濕度的影響還是不能忽略的。由此一種帶有濕度、溫度同步修正 , 同時(shí)顯示的新型智能 CO報(bào)警器 , 正在積極的研制之中。 36 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)行簡單介紹和分析，另外還對(duì)調(diào)試和結(jié)果做了闡述 。 結(jié)論 本文從 CO傳感器的原理出發(fā)，分析了不同工作方式的 CO傳感器的原理，信號(hào)處理方法，并針對(duì)家庭生活中 CO 氣體的監(jiān)測，確定采用溫度調(diào)制模式方法，采用 MOTOROLA公司生產(chǎn)的 MGS1100 CO 傳感器，根據(jù)不同的 CO 氣體濃度采用不同的報(bào)警方式，設(shè)計(jì)報(bào)警電路，經(jīng)過調(diào)試和實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明可以在實(shí)際生活中使用。 37 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)過程中 雖然遇到了很多問題，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。 在整個(gè)畢業(yè)論文的寫作當(dāng)中，我對(duì)一氧化碳有了更加深刻的了解，同時(shí)也了解到它的危害性。所以這個(gè)研究的題目對(duì)實(shí)際生活中意義非?？傄?。 時(shí)間過得飛快，畢業(yè)論文的結(jié)束也預(yù)示著我們大學(xué)生活也就要結(jié)束了，這次的論文寫作 也是我在大學(xué)生活的最后一段時(shí)光里最寶貴的收獲 。感謝老師和同學(xué)對(duì)我的幫助，天下無不善之筵席，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。 38 參考文獻(xiàn) [1] 吳炳勝． 80C51 單片機(jī)原理與應(yīng)用．北京：冶金工業(yè)出版社， 2020． [2] 楊志亮． Protel99 SE 電路原理圖設(shè)計(jì)技術(shù)．西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社， 2020． [3] 胡偉，季曉衡．單片機(jī) C 程序設(shè)計(jì)及應(yīng)用實(shí)例．北京：人民郵電出版社， 2020． [4] 張培仁．基于 C 語言編程 MCS51 單片機(jī)原理與應(yīng)用．北京：清化大學(xué)出版社， 2020． [5] 周捷．有毒可燃?xì)怏w報(bào)警器原理及設(shè)計(jì) [J]．科技信息， 2020，5(1)： 2428． 39 附錄 礦用智能紅外一氧化碳檢測儀的研究 劉中奇 , 王 汝琳 ( 中國礦業(yè)大學(xué)北京校區(qū) ,北京 100083) 摘要 :用紅外技術(shù)檢測一氧化碳 (CO)濃度 ,由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集中智能控制和處理。采用雙光源雙探測器光路對(duì)其它氣體、粉塵等雜質(zhì)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償 。采集環(huán)境溫度和壓力 ,設(shè)計(jì)算法實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和壓力的補(bǔ)償 。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。 關(guān)鍵詞 :煤礦 。一氧化碳 。紅外 。雙光源 。檢測儀 中圖分類號(hào) : 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :B Research on Intelligent Inf rared Detector for Carbon Monoxide Used in Mine L IU Zhong2qi, WAN G Ru2lin (Beijing Campus of China U niversity of Mining and Technology,Beijing 100083,China) Abstract:Using infrared technology to detect the concentration of carbon system was con2t rolled and processed by single2chip microputer lamp2houses and double detectors wasadopted to pensate t he influence of impure gases and dust ure and pressure of surroundings 40 werepensated by algorit hm,and kinds of interface to f ulfill keyboard,display,alarm and up2down functions weredesigned. Key words:coal mine,carbon monoxide,inf rared,double lamphouses,detector 引言 一氧化碳 (CO)傳感器在工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測和日常生活等方面有廣泛的應(yīng)用市場。實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地測出這些場合 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。目前紅外檢測技術(shù)在地面各個(gè)領(lǐng)域 的應(yīng)用都取得了很好的效果。將紅外技術(shù)應(yīng)用到檢測礦井 CO,在國內(nèi)還是首次進(jìn)行這方面的研究。 1 紅外探測的光路原理和探測器結(jié)構(gòu) 雙光源雙探測器的光路原理 CO 的紅外吸收屬于輻射度學(xué)的范疇。紅外光經(jīng)過氣體的過程中 ,氣體對(duì)它的能量吸收與它的波數(shù)有關(guān)。吸收氣體的吸收帶由許多吸收譜線組成。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。每條吸收線都有確定的參數(shù) ， 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)測值 相差 5%～ 10%,精度不高 ,且計(jì)算量大、不方便。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。 采用具有補(bǔ)償能力的光路實(shí)現(xiàn)對(duì)雜質(zhì)氣體和 41 粉塵等的補(bǔ)償。 CO 紅外檢測儀采用了雙光源雙探測器的補(bǔ)償光路 ,其模型如圖 1 所示。發(fā)光二極管 LED光強(qiáng)為 I I2,探測器靈敏度為 RR2,被測氣體的投射比為τ a 以及氣室的投射比為τ 0。 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)測值相差 5%～ 10%,精度不高 ,且計(jì)算量大、不方便。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。 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 紅外檢測儀采用了雙光源雙探測器的補(bǔ)償光路 ,其模型如圖 1 所示。發(fā)光二極管 LED光強(qiáng)為 I I2,探測器靈敏度為 RR2,被測氣體的投射比為τ a 以及氣室的投射比為τ 0。 當(dāng) LED1發(fā)出脈沖光時(shí) ,探測器 1接受到的是來自 LED1的直接輻射 ,探測器 2接受到的光是經(jīng)過氣室被吸收后的紅外輻射。探測器 1 和探測器 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) ,探測器 2 接受到的是來自 LED2 的直接輻射 ,探測器 1接受到的光是經(jīng)過氣室被吸收后的紅外輻射。探測器 1和探測器 2 的輸出電壓分別為 42 V 3=I2 R1τ aτ 0 (3) V 4=I2 R2 (4) 綜合 (1)～ (4)式有 : S= V 2 V 3 /V 1 V 4=τ 2 aτ 20 (5) 這樣消除了發(fā)光二極管能量 (I I2)和探測器接受靈敏度 (R R2)不穩(wěn)定的影響。將抵消后的結(jié)果送到單片機(jī)處理 ,減少了誤差的來源 ,提高了測量的精度。 帶補(bǔ)償?shù)募t外雙光源雙探測器結(jié)構(gòu) 光經(jīng)過媒質(zhì)時(shí) ,其能量就會(huì)被媒質(zhì)吸收、散射而減弱。特別當(dāng)光波波長與媒質(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。這是光學(xué)技術(shù)探測氣體的理論基礎(chǔ)。為了解決發(fā)光光源能量 E的不穩(wěn)定性、探測器接受靈敏度的穩(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)過各自的參比氣室、待測氣室后能量被吸收 ,到達(dá)對(duì)應(yīng)的探測器 探測器 2。探測器探測 43 到能量的變化 ,產(chǎn)生輸出信號(hào) 輸出信號(hào) 2。輸出信號(hào)經(jīng)過外圍電路的轉(zhuǎn)換、放大以及模數(shù)轉(zhuǎn)換后 ,送單片機(jī)進(jìn)行 處理。 由氦氖激光器可以獲得穩(wěn)定的對(duì) CO敏感的波長為 m的紅外光。經(jīng)過選擇濾光片后 ,紅外光經(jīng)過含有一定濃度 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)。最后由探測器接受并探測能量的大小 ,確定待測 CO 濃度。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)光路長度 (m)的乘積。入射光強(qiáng)度 I0 與剩余光強(qiáng)度 I 關(guān)系如下 : I=I0exp(μ cl) (6) 式中 :μ為氣體吸收系數(shù) 。c為待測氣體濃度 。l 為光路長度。 (6)式可簡化成 : c=A/μ l (7) 式中 :A為吸收度 ,A=ln(I/I0)。 只要測出吸收度 A,就可以用 (7)式計(jì)算出 CO 的濃度。 2 系統(tǒng)檢測結(jié)構(gòu)模型、軟硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型 紅外 CO 濃度探測儀將待測混合氣體中的 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)測得的不同濃度值做出相應(yīng)的判斷和異常處理。計(jì)算結(jié)果通過 D/A 轉(zhuǎn)換后 ,可由上位機(jī)通信接口上傳或下載。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 3所示。 44 (1)放大濾波 由前一級(jí) (紅外探測器 )輸出的是很弱的毫伏級(jí)電壓信 號(hào) ,需要進(jìn)行放大處理后才能進(jìn)行后續(xù)的工作。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? (2)模 數(shù)轉(zhuǎn)換 (A/D) 在信號(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)。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。這里主要是轉(zhuǎn)換探測器、環(huán)境溫度和壓力信號(hào) ,它通過 MCU的脈沖開關(guān)循環(huán)讀入這3 種信號(hào)。 (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。打開電源開關(guān) ,就可以連續(xù)自動(dòng)地進(jìn)行測量 。設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘不斷發(fā)出檢測脈沖來循環(huán)讀入 A/D 轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。 (4)鍵盤、顯示器、報(bào)警器與 MCU 的接口 鍵盤、顯示器與 MCU的接口芯片采用 8279 可編程接口芯片。 8279芯片具有鍵盤掃描與輸出動(dòng)態(tài)顯示功能。通過按鍵選擇確定 MCU 45 的工作狀態(tài)。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。 (5)結(jié)果處理 系統(tǒng)自動(dòng)判斷并處理測得的 CO 濃度數(shù)值。若在正常范圍內(nèi) ,系統(tǒng)不動(dòng)作 。若超過標(biāo)準(zhǔn) ,則根據(jù)超過標(biāo)準(zhǔn)的程度 ,進(jìn)行提示、報(bào)警。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。 (6)信號(hào)上傳 得到的信號(hào)實(shí)時(shí)地傳輸給地面的測控室 (上位機(jī) )。為了與地面測控室通信 ,設(shè)計(jì)了與上位機(jī)通信的接口和線路?？蓪y得的數(shù)據(jù)通過井下事先敷設(shè)的通信線直接上傳到地面測控室 ,實(shí)現(xiàn)綜合調(diào)度。也可將測得的數(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。 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 對(duì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) ,需要考慮如何對(duì)環(huán)境的溫度和壓力進(jìn)行補(bǔ)償 ,以及標(biāo)準(zhǔn)值如何確定。 (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。對(duì)溫度的補(bǔ)償采用了線性插值的方法。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。使用這種方法需要做大量的實(shí)驗(yàn)才能測得標(biāo)準(zhǔn)值。同時(shí) ,在軟件設(shè)計(jì)時(shí) ,需要開辟大量的存貯單元存貯這些標(biāo)準(zhǔn)濃度數(shù)