【導(dǎo)讀】好的情況下，可能引起人體中毒，產(chǎn)生致命后果。因此需要對(duì)大氣中。的一氧化碳?xì)怏w進(jìn)行監(jiān)測(cè)。制模式，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。和離散小波變換方法。同時(shí)還對(duì)目前一氧化碳監(jiān)測(cè)中存在。的主要問題進(jìn)行了初步的分析。同時(shí)對(duì)MGS1100傳感器的結(jié)構(gòu)及工作模式進(jìn)行了介。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。氣體傳感器溫度調(diào)制及信號(hào)處理技術(shù)………一種儀器來檢測(cè)家庭和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的一氧化碳?xì)怏w。空氣相對(duì)密度為。在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，1L氣體質(zhì)量為，100ml. 水中可溶解，燃燒時(shí)為淡藍(lán)色火焰。一氧化碳是有害氣體，對(duì)人體有強(qiáng)烈的毒害作用。能，造成缺氧癥。當(dāng)一氧化碳濃度為，無自覺

　　

【正文】 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(cè)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 . . 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(cè)和日常生活等方面有廣泛的應(yīng)用市場(chǎng)。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。目前紅外檢測(cè)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(cè)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(cè)的光路原理和探測(cè)器結(jié)構(gòu) 雙光源雙探測(cè)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(cè)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(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。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。 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。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(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。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。 當(dāng) LED1發(fā)出脈沖光時(shí) ,探測(cè)器 1接受到的是來自 LED1的直接輻射 ,探測(cè)器 2接受到的光是經(jīng)過氣室被吸收后的紅外輻射。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 接受到的是來自 LED2 的直接輻射 ,探測(cè)器 1接受到的光是經(jīng)過氣室被吸收后的紅外輻射。探測(cè)器 1和探測(cè)器 2 的輸出電壓分別為 . . 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(cè)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(cè)量的精度。 帶補(bǔ)償?shù)募t外雙光源雙探測(cè)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(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。這是光學(xué)技術(shù)探測(cè)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(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。探測(cè)器探測(cè). . 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(zhǎng)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(cè)器接受并探測(cè)能量的大小 ,確定待測(cè) 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(zhǎng)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(cè)氣體濃度 。l 為光路長(zhǎng)度。 (6)式可簡(jiǎn)化成 : c=A/μ l (7) 式中 :A為吸收度 ,A=ln(I/I0)。 只要測(cè)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(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。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。 . . (1)放大濾波 由前一級(jí) (紅外探測(cè)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(cè)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(cè)量。設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘不斷發(fā)出檢測(cè)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. . 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(cè)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(cè)控室 (上位機(jī) )。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。可將測(cè)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(cè)控室 ,實(shí)現(xiàn)綜合調(diào)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。 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(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。使用這種方法需要做大量的實(shí)驗(yàn)才能測(cè)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)據(jù)。對(duì)壓力的補(bǔ)償 ,把測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)壓力下的準(zhǔn)確 CO濃度 ,轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的修正系數(shù) ,并存貯在單片機(jī)中。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。 (2)標(biāo)準(zhǔn)濃度值的確定 取純凈的 CO氣體和凈化空氣混合 ,配成不同濃度的氣體 ,在一定進(jìn)氣流速及溫度下分別進(jìn)行測(cè)量 ,得到的數(shù)據(jù)就 是存貯在單片機(jī)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)值。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。系統(tǒng)工作時(shí)首先需要自檢 ,主要是 LCD檢測(cè)、存貯器檢測(cè)以及通道檢測(cè) ,判斷 LCD 能否正常顯示、存貯器能否正常讀寫數(shù)據(jù) ,檢測(cè)A/D 轉(zhuǎn)換器的 CO 接口、溫度接口和壓力接口能否正常傳輸數(shù)據(jù)。然后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集 ,接受紅外 CO 傳感器傳來的經(jīng)過放大和濾波后的信號(hào)。同時(shí)讀入環(huán)境溫度和壓力信號(hào)實(shí)現(xiàn)溫度和壓力補(bǔ)償。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幚怼Ｍ瓿珊?,判斷是否要求繼 續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。 3 結(jié)語 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越高。本文研究的智能化礦用 CO檢測(cè)儀正是符合了這個(gè)發(fā)展方向。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濃度過高而降低性能 ,探測(cè)靈敏度高、響應(yīng)速度快。并有零點(diǎn)、靈敏度自動(dòng)補(bǔ)償功能、不用定期校準(zhǔn)、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn) 。 本文實(shí). . 現(xiàn)了紅外對(duì) CO檢測(cè)的智能化 ,它通過外圍的硬件電路采集紅外 CO 傳感器的信號(hào)。通過單片機(jī)的智能化處理 ,完成相應(yīng)的動(dòng)作。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。 參考文獻(xiàn) : [1] 詹福如 ,袁宏永 ,疏學(xué)明 ,等 .紅外雙波段可燃?xì)怏w探測(cè)電路的實(shí)現(xiàn)和改進(jìn) [J].激光與紅外 ,2020,(6). 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