【正文】 對(duì)。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。對(duì)溫度的補(bǔ)償采用了線性插值的方法。 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。可將測(cè)得的數(shù)據(jù)通過(guò)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。 (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) )。若超過(guò)標(biāo)準(zhǔn) ,則根據(jù)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的程度 ,進(jìn)行提示、報(bào)警。 (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。通過(guò)按鍵選擇確定 MCU 45 的工作狀態(tài)。 (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。打開(kāi)電源開(kāi)關(guān) ,就可以連續(xù)自動(dòng)地進(jìn)行測(cè)量 。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(guò) MCU的脈沖開(kāi)關(guān)循環(huán)讀入這3 種信號(hào)。 (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)。 44 (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。計(jì)算結(jié)果通過(guò) D/A 轉(zhuǎn)換后 ,可由上位機(jī)通信接口上傳或下載。 只要測(cè)出吸收度 A,就可以用 (7)式計(jì)算出 CO 的濃度。l 為光路長(zhǎng)度。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) 。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。 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。探測(cè)器探測(cè) 43 到能量的變化 ,產(chǎn)生輸出信號(hào) 輸出信號(hào) 2。這是光學(xué)技術(shù)探測(cè)氣體的理論基礎(chǔ)。 帶補(bǔ)償?shù)募t外雙光源雙探測(cè)器結(jié)構(gòu) 光經(jīng)過(guò)媒質(zhì)時(shí) ,其能量就會(huì)被媒質(zhì)吸收、散射而減弱。探測(cè)器 1和探測(cè)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(cè)器接受靈敏度 (R R2)不穩(wěn)定的影響。 當(dāng) LED1發(fā)出脈沖光時(shí) ,探測(cè)器 1接受到的是來(lái)自 LED1的直接輻射 ,探測(cè)器 2接受到的光是經(jīng)過(guò)氣室被吸收后的紅外輻射。 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。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。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。 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。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。吸收氣體的吸收帶由許多吸收譜線組成。 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。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。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 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(cè)和日常生活等方面有廣泛的應(yīng)用市場(chǎng)。紅外 。 關(guān)鍵詞 :煤礦 。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 。 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(yǔ)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(cè)儀的研究 劉中奇 , 王 汝琳 ( 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)北京校區(qū) ,北京 100083) 摘要 :用紅外技術(shù)檢測(cè)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。 時(shí)間過(guò)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(xiě)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 。 在整個(gè)畢業(yè)論文的寫(xiě)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。 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(cè)，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(guò)調(diào)試和實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明可以在實(shí)際生活中使用。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。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(cè)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。 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)。 只要預(yù)先記錄 60ppm、 100ppm、200ppm、 400ppm在 25 C 下的傳感器輸出電阻值 , 由經(jīng)過(guò)溫度校正的電阻值 R s (X, 25 C),l 即可判斷出實(shí)際 CO 濃度值 X 的所屬范圍。 34 35 CO 線性濃度分析。 對(duì)于溫度變化的特性處理 (假設(shè) CO 的濃度為 60ppm)。 通常傳感器MGS1100 不但受環(huán)境溫度的影響 , 而且在一定溫度下 , 它的靈敏度輸出特性也是非線性的。對(duì)于溫度的測(cè)量 , 由于使用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 , 對(duì)于傳感器的非線性輸圖出 , 可使用查表法得出最終結(jié)果。通常設(shè)定在 1V 的 915s 時(shí)刻對(duì) MGS1100 的 CO濃度傳感器進(jìn)行采樣 , 同時(shí)對(duì)溫度傳感器采樣 ,采集當(dāng)時(shí)環(huán)境的溫度值 , 實(shí)時(shí)進(jìn)行傳 感器溫度校正。 33 控制過(guò)程 一氧化碳報(bào)警器的控制過(guò)程如圖 37所示。而 + 6V 電壓主要用來(lái)提供給報(bào)警電路和 CO 傳感器的加熱元件部分的電源。 本系統(tǒng)所需的直流電源 , 通過(guò) 780 7805穩(wěn)壓后 ,提供 + 6V 和 + 5V 的工作電壓。 調(diào)試結(jié)果證明 , 符合器件工作狀態(tài)的要求。傳感器 MGS1100 的工作需要周期為 15s(5s 的電壓為 5V,10s的電壓為 1V) 的方波驅(qū)動(dòng)。其功能要求根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定如表 31 所示。 作為一種家用 CO報(bào)警器 , 它主要是測(cè)量環(huán)境 CO的濃度 , 判斷該濃度 CO對(duì)人體的危害性 , 從而作出相應(yīng)的報(bào)警輸出。 (由于在探測(cè) 60ppm 以上的 CO濃度時(shí) , 環(huán)境濕度的變化對(duì) CO傳感器特性的影響較小 , 故忽略對(duì)傳感器 MGS1100的濕度修正 )。 一氧化碳報(bào)警器的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)的 CO報(bào)警器采用 MOTOROLA半導(dǎo)體公司的 CO傳感器 MGS1100作為敏感元件。若要得到重復(fù)性較好的 CO 濃度測(cè)量 ,應(yīng)在低溫段的適當(dāng)時(shí)刻對(duì) RS 進(jìn)行測(cè)量。 30 在不同的溫度下 ,傳感器的傳感電阻 RS 的阻值也不同 ,Rs 的低值對(duì)應(yīng)高溫狀態(tài) ,Rs的高值對(duì)應(yīng)低溫狀態(tài)。由于加熱器的電壓為周期性電壓 , 故敏感器的溫度呈現(xiàn)出周期性地變化 ,參見(jiàn)圖 34。在 CO氣體中 ,SnO2層電阻會(huì)隨 CO 濃度的增大而減小。 該傳感器共有 4 個(gè)管腳 ,兩個(gè)為加熱端 (管腳 1 和 3,腳 3 接地 ),兩個(gè)為傳感器輸出端 (管腳 2 和 4 ),等效電路如圖 32 所示 為使傳感器對(duì) CO的敏感特性處于最佳狀態(tài) , 必須保證 SnO2層達(dá)到預(yù)定的最佳溫度。 其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是采用微電子工藝 ,在微型硅橋結(jié)構(gòu)中嵌入的加熱器上制作一層 SnO2 薄膜。我 們?cè)O(shè)計(jì)的一氧化碳報(bào)警器主要應(yīng)用家庭中，因此選用 MOTOROLA MGS1100 一氧化碳傳感器進(jìn)行報(bào)警器的設(shè)計(jì)，下面我們對(duì)該傳感器的原理及設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。目前對(duì)溫度調(diào)制模式的研究給出了一些有意義的結(jié)果，但大部分都還局限于定性分析，定量分析以及溫度調(diào)制方面的規(guī)律性的結(jié)論尚未形成。作為一種化學(xué)傳感器，氣體傳感器的響應(yīng)受到環(huán)境中溫度、濕度以及各種氣體的影響，諸多干擾因素給氣體傳感器回歸 27 模型的建立增加了很多困難。精確程度越高，濃度劃分越細(xì)致，模式的數(shù)目就越多，導(dǎo)致訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間增長(zhǎng)，計(jì)算量增多，所需測(cè)量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)增多，給實(shí)際測(cè)量帶來(lái)不便。 存在的問(wèn)題 從基于統(tǒng)計(jì)的模式識(shí)別方法到人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，各種多維信號(hào)處理方法在氣體傳感器陣列的信號(hào)處理中都有嘗試和應(yīng)用，其中一個(gè)主要的應(yīng)用是氣味 的識(shí)別。 ，采用優(yōu)化的方法，模擬了正弦溫度調(diào)制模式下的傳感 器響應(yīng)，與實(shí)際結(jié)果吻合較好。之后提出了小波變換與Fuzzy ARTMAP 相結(jié)合的信號(hào)處理方法，使用正弦 信號(hào)或者多個(gè)正弦信號(hào)疊加后的信號(hào)加熱，通過(guò)小波變換提取典型頻率特征，然后使用Fuzzy ARTMAP 分類器對(duì)氣體進(jìn)行分類，確定出幾種頻率的正弦信號(hào)疊加調(diào)制傳感器的識(shí)別率中，哪幾種頻率的疊加最好。 在 1995 年報(bào)導(dǎo)了氣敏材料受器件溫度的影響，并在 1997年報(bào)導(dǎo)了在正弦溫度調(diào)制 (2020 C4200 C)，頻率為 50mHz模式下，傳感器的電阻值經(jīng)過(guò)傅立葉變換，然后提取特征值結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì) CO和 NO2的識(shí)別和量化。 考察了 FFT 變換后得到的 2 階諧振信號(hào)的實(shí)部和虛部隨1000ppm10000ppm 一氧化碳、丙烷、氨氣和丙烯氣體濃度的變化，并且將 4個(gè)傳感器控制在正弦加熱模式下，提取每個(gè)傳感器的 2階諧振信號(hào)實(shí)部和虛部組成陣列來(lái)識(shí)別 4 種氣體 teal。 NLST 在研制成功微熱板式氣體傳感器之后， 1995 年發(fā)表了溫度調(diào)制模式控制下的傳感器響應(yīng)，考察了以鋸齒波為包絡(luò)的脈沖電壓調(diào)制模式，高溫加熱 100ms后降低至室溫，隔 5200ms的時(shí)間然后采樣傳感器的電阻值，測(cè)試了傳感器在丙酮、甲醛、乙醇和甲醇的飽和蒸汽中的響應(yīng)。張正勇等考察了矩形波加熱下的幾種氣體響應(yīng)情況。 XingJiuHuang等考察了凝膠溶膠法研制的厚膜傳感器在 20, 25, 30, 50mHz 幾個(gè)頻率 以及 201000 C,1001500 C,1502020 C,2002500 C 和2503000 C幾個(gè)溫度范圍