【正文】 ...................................... 20 紅外接收器鍵值處理流程圖 .......................................................... 20 軟件可靠性設(shè)計(jì) ..................................................................................... 21 本章小結(jié) ................................................................................................. 22 結(jié)論 .................................................................................................................... 23 致謝 .................................................................................................................... 24 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................ 25 附錄 A 英文原文 .............................................................................................. 26 附錄 B 中文翻譯 .............................................................................................. 31 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 1 第 1章 緒論 課題背景 煤礦安全生產(chǎn)是目前社會(huì)重點(diǎn)關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一， 尤其是在能源緊張，對(duì)煤碳的需求量不斷增加的情況下，煤礦的安全生產(chǎn)問題更是值得我們關(guān)注，這也是建設(shè)平安和諧社會(huì)的重要組成部分。礦井下特殊的復(fù)雜環(huán)境，要求使用的檢測(cè)儀器除了能夠滿足一般的氣體濃度實(shí)時(shí)顯示、聲光報(bào)警以及標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)向上位機(jī)的傳輸?shù)裙δ芡猓€必須滿足國家的安全標(biāo)準(zhǔn)要求。隨著電 子技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展和企業(yè)自身發(fā)展的需要各主要科研單位和生產(chǎn)廠家相繼推出了煤礦安全綜合化和數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)管理系統(tǒng)。 煤礦氣體檢測(cè)儀表概述 氣體檢測(cè)儀表是能夠檢測(cè)環(huán)境中待檢測(cè)氣體的成分及濃度，并具有報(bào)警功能的儀表。溫濕度傳感器，測(cè)量環(huán)境的溫度和濕度，對(duì)氣體傳感器進(jìn)行溫濕度補(bǔ)償 。聲光報(bào)警器，當(dāng)檢測(cè)氣體濃度超出設(shè)定報(bào)警閉值時(shí)，就給出聲光報(bào)警。 氣體傳感器是煤礦氣體檢測(cè)儀表的關(guān)鍵部分，就其原理可以分為四大類 :電學(xué)類氣體傳感器、光學(xué)類氣體傳感器、電化學(xué)類氣體傳感器、高分子材料類氣體傳感器 [1]。這類氣體傳感器又可分為電阻式和非電阻式兩大類，其中電阻式氣 體傳感器主要有接觸燃燒式、熱導(dǎo)式、半導(dǎo)體氣體傳感器等，而非電阻式氣體傳感器則通常是利用材料的電流或電壓隨氣體含量變化的特點(diǎn)而制成的傳感器，主要包括 MOS 二極管哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 式、結(jié)型二極管式和場(chǎng)效應(yīng)管式等。電化學(xué)類氣體傳感器是利用電化學(xué)性質(zhì)的氣體傳感器，該類氣體傳感器包括 :定電位電解式、伽伐尼電池式、固體電解質(zhì)等種類的氣體傳感器。 世界上發(fā)達(dá)國家用于煤礦井下易燃易爆氣體檢測(cè)的方式主要有載體催化燃燒式、光干涉式、熱導(dǎo)式三種。該檢測(cè)方式使用催化載體型氣體傳感器作濃度的檢測(cè)器，該元件由鉑絲上燒結(jié)一層陶瓷載體 (如 A1203)后再涂覆催化活性物構(gòu)成。這種傳感器的問題是催化元件容易中毒，從而造成其使用壽命短、穩(wěn)定性差。比較典型的產(chǎn)品有礦用光干涉型氣體檢測(cè)儀，它是利用不同種類、不同濃度的氣體對(duì)光的折射率不同這一性質(zhì)，針對(duì)采樣場(chǎng)氣體設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)墓饴废到y(tǒng)，把采樣場(chǎng)氣體濃度的變化轉(zhuǎn)換成光的干涉 條紋的位置變化。把兩氣室都充有空氣時(shí)的干涉條紋作為初始位置，當(dāng)采樣氣體充入采樣室后，由于光程差的結(jié)果，干涉條紋會(huì)相對(duì)于原位置移動(dòng)一段距離，并且這個(gè)距離將隨采樣場(chǎng)氣體濃度的不同而產(chǎn)生相應(yīng)的變化。該測(cè)量?jī)x測(cè)量范圍大，使用壽命長，但儀器設(shè)備大，價(jià)格高，測(cè)量不直觀，而且無法與監(jiān)控系統(tǒng)連接，因此在煤礦中 的使用量逐年減少。熱傳導(dǎo)式氣體檢測(cè)儀的結(jié)構(gòu)是將待測(cè)氣體送入氣室，氣室中有熱敏元件如熱敏電阻、鉑絲或鎢絲，對(duì)熱敏元件加熱到一定溫度，當(dāng)待測(cè)氣體的導(dǎo)熱系數(shù)較高時(shí)，將使熱量更容易從熱敏元件上散發(fā)，使其電阻值減小，通過惠斯登電橋測(cè)量這一阻值變化可得到被測(cè)氣體的濃度值。為此，人們進(jìn)行了大量研哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 究，目前看來，采用傳感器陣列和脈沖溫度調(diào)制方式并結(jié)合各種人工智能算法受到普遍的重視。此外，氣體傳感器陣列用于單一氣體濃度的檢測(cè)時(shí)，與單個(gè)傳感器相比較也具有更高的精度。 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 在應(yīng)用方面，目前 最廣泛的是可燃性氣體氣敏元件傳感器，已普及應(yīng)用于氣體泄漏檢測(cè)和監(jiān)控，從工廠企業(yè)到居民家庭，應(yīng)用十分廣泛。美國工業(yè)科學(xué)公司（ ISC）一臺(tái)攜帶式氣體監(jiān)控儀可實(shí)現(xiàn) 4種氣體監(jiān)測(cè)，采用了統(tǒng)一的軟件，只需要換氣體傳感器，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)特定氣體監(jiān)測(cè)。 、多功能、集成化方 向發(fā)展 國外氣體傳感器發(fā)展很快，一方面是由于人們安全意識(shí)增強(qiáng)，對(duì)環(huán)境安全性和生活舒適性要求提高；另一方面是由于傳感器市場(chǎng)增長受到政府安全法規(guī)的推動(dòng)。 目前，氣體傳感器的發(fā)展趨勢(shì)集中表現(xiàn)為：一是提高靈敏度和工作性能，降低功耗和成本，縮小尺寸，簡(jiǎn)化電路，與應(yīng)用整機(jī)相結(jié)合，這也是氣體傳感器一直追求的目標(biāo)。二是增強(qiáng)可靠性，實(shí)現(xiàn)元件和應(yīng)用電路集成化，多功能化，發(fā)展 MEMS 技術(shù)，發(fā)展現(xiàn)場(chǎng)適用的變送器和智能型傳感器。 氣敏元件傳感器作為新型敏感元件傳 感器在國家列為重點(diǎn)支持發(fā)展的情況下，國內(nèi)已有一定的基礎(chǔ)。產(chǎn)量超過 20 萬支的主要廠家有 5 家，黑龍江敏感集團(tuán)、太原電子廠、云南春光器材廠、天津費(fèi)加羅公司（合資）、北京電子管廠（特種電器廠），其中前四家都超過 100 萬支，據(jù)行業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)， 1998 年全國氣敏元件總產(chǎn)量已超過 600 萬支。 本文研究的主要內(nèi)容 本論文 將以電化學(xué) 傳感器和 MSP430 單片機(jī) 為研究對(duì)象，對(duì) MSP430單片機(jī)的開發(fā)環(huán)境和傳感器氣體檢測(cè)兩方面進(jìn)行了研究，目的是 解決基于MSP430 單片機(jī)的傳感器使用 ，實(shí)現(xiàn)對(duì) 一氧化碳等有毒氣體 的準(zhǔn)確檢測(cè)。 電化學(xué)一氧化碳傳感器產(chǎn)生的電信號(hào)極其微弱，因此需要采用低失調(diào) 、低漂移的精密放大電路進(jìn)行信號(hào)放大。 紅外模塊的主要作用是設(shè)定一氧化碳的報(bào)警濃度，和進(jìn)行數(shù)值標(biāo)定，紅外模塊接收由遙控器發(fā)射的數(shù)值后，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，對(duì)輸入的數(shù)值進(jìn)行判斷，做出與具體輸入數(shù)值相對(duì)應(yīng)的反應(yīng)。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 5 第 2章 設(shè)計(jì)方案和電路設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)方案 為了能準(zhǔn)確的對(duì)煤礦井下作業(yè)環(huán)境空氣中的一氧化碳?xì)怏w濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，本設(shè)計(jì)中選用電化學(xué)傳感器、單片機(jī)、報(bào)警電路、顯示電路和紅外模塊等構(gòu)成的電路對(duì)煤礦井下作業(yè)環(huán)境中的一氧化碳?xì)怏w濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。外部按鍵完成報(bào)警閡值設(shè)定等操作 。結(jié)構(gòu)框圖如圖 21 所示。電壓轉(zhuǎn)換模塊 DCDC1505 和WRB1215S。 單片機(jī)的選擇 MSP430 單片機(jī)美國德州儀器公司（ TI）推出的超低功耗 16 位混合信號(hào)處理器（ Mixed Signal Processor），集多種領(lǐng)先技術(shù)于一體，以 16 位RISC 處理器、 超低功耗、高性能模擬技術(shù)及豐富的片內(nèi)外設(shè)、 JTAG 仿真調(diào)試定義了新一代單片機(jī)的概念，給人以耳目一新的感覺。 在運(yùn)算性能上，其 16 位 RISC 結(jié)構(gòu)，使 MSP430 單片機(jī)在 8MHz 晶振工作時(shí)，指令速度可達(dá) 8MIPS（注意：同樣 8MIPS 的指令速度，在運(yùn)算性能上 16 位處理器比 8 位處理器高遠(yuǎn)不止兩倍）。同 時(shí)， MSP430 單片機(jī)中采用了一般只有 DSP 中才有的 16 位多功能硬件乘法器、硬件乘 加（積之和）功能、 DMA 等一系列先進(jìn)的體系結(jié)構(gòu)，大大增強(qiáng)了它的數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算能力，可以有效地實(shí)現(xiàn)一些數(shù)字信號(hào)處理的算法（如 FFT、 DTMF 等）。其軟件集成開發(fā)環(huán)境由著名的 IAR 公司提供，其最新版本（ ）已做得較為完善，實(shí)際使用效果不亞于其他成熟的集成開發(fā)環(huán)境。使用戶可以根據(jù)應(yīng)用需求，選擇最合適的 MSP430 系列產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)。其 BOOTSTRAP 技術(shù)為系統(tǒng)軟件的升級(jí)提供了又一種方便的手段， BOOTSTRAP 有 32 個(gè)字節(jié)的口令字，具有很高的保密性。 在設(shè)計(jì)中采用 ME1CO 傳感器采集一氧化碳濃度， ME1CO 傳感器采用恒電位電解法原理，該電化學(xué)傳感器有 3 個(gè)電極：工作電極 (w)、參比電極 (R)、對(duì)電極 (c)。參比電極給工作電極提供穩(wěn)定的的電化學(xué)電位，恒電位的作用是確保對(duì)電極提供足夠的電流并處于合適的電位，使其不隨化學(xué)反應(yīng)而變化，并保證最佳工作電極電位與最大的反應(yīng)電流的線性關(guān)系。 ME1CO 傳感器的特點(diǎn)：低功耗；高精度；高靈敏度；線性范圍寬；抗干擾能力強(qiáng)；高響應(yīng)、恢復(fù)速度；小巧輕薄的外型結(jié)構(gòu)；優(yōu)異的重復(fù)性和穩(wěn)定性。為了防止輸出信號(hào)被干擾，就要設(shè)計(jì)放大對(duì)輸出信號(hào)放大。 18B20數(shù)字溫度計(jì)是 DALLAS公司生產(chǎn)的 1－ Wire，即單總線器件，具有線路簡(jiǎn)單，體積小的特點(diǎn)。 DS18B20產(chǎn)品的特點(diǎn) :只要求一個(gè)端口即可實(shí)現(xiàn)通信；在 DS18B20中的每個(gè)器件上都有獨(dú)一無二的序列；實(shí)際應(yīng)用中不需要外部任何元器件即可實(shí)現(xiàn)測(cè)溫；測(cè)量溫度范圍在－ 55。 C之間； 數(shù)字溫度計(jì)的分辨率用戶可以從 9位到 12位選擇；內(nèi)部有溫度上、下限告警設(shè)置。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 圖 22 信號(hào)放大電路 放大電路由基準(zhǔn)電壓電路提供 ，基準(zhǔn)電壓電路用到了器件 TL431， TL431是一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)電壓源。該器件的典型動(dòng)態(tài)阻抗為 ，在很多應(yīng)用中都可以用它替代齊納二極管 。 電源電路設(shè)計(jì) MSP430F2021的工作電壓是 ，要把井下電源 12V的電源電壓進(jìn)行降壓處理，用一個(gè) DCDC1505和 WRB1215S芯片組成的線性集成電路來進(jìn)行控制。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 圖 23 DCDC電源電路圖 DCDC1505和 WRB1215S電源模塊是可以直接貼裝在印刷電路板上的電源供應(yīng)器，其特點(diǎn)是可為專用集成電路（ ASIC）、數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)、微處理器、存儲(chǔ)器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA) 及其他數(shù)字或模擬負(fù)載提供供電。 圖 24 穩(wěn)壓電路 上面為穩(wěn)壓電路圖，通過穩(wěn)壓芯片把 5V電壓轉(zhuǎn)化為 ，給單片機(jī)提供穩(wěn)定的電壓，提高單片機(jī)的工作效率 光報(bào)警電路接人單片機(jī) P17腳，通過中斷程序控制，實(shí)現(xiàn)斷續(xù)報(bào)警，哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 當(dāng) P17輸出為高電平 ?1?時(shí)，紅外發(fā)光二極管閃爍報(bào)警，當(dāng) P17輸出為低電平?0?時(shí)，不報(bào)警。數(shù)據(jù)通過兩個(gè)輸入端（ DSA 或 DSB）之一串行輸入；任一輸入端可以用作高電平使能端，控制另一輸入端的數(shù)據(jù)輸入。紅外通信一般采用紅外波段內(nèi)的近紅外線，波長在 25um之間。作為無線局域網(wǎng)的傳輸方式，紅外線方式的最大優(yōu) 點(diǎn)是不受無線電干擾，而且它的使用不受國家無線管理委員會(huì)限制。 紅外遙控發(fā)射電路采用芯片 BL9148，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，實(shí)用，只有 4個(gè)按鍵： “+”、 “一 ”、 “確認(rèn) ”、 “模式 ”。允許遙控控制標(biāo)志 flag為 “0”時(shí)，允許遙控中斷控制，然后中斷其余操作，改為遙控控制狀態(tài)。由一氧化碳傳感器產(chǎn)生的信號(hào)非常弱，很容易受到外界的干擾，因此用放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，為了防止對(duì)信號(hào)的干擾，還用到了溫度補(bǔ)償電路。 軟件設(shè)計(jì)是根據(jù)硬件電路設(shè)計(jì)的。各功能的軟件模塊有： ：完成 MSP430 端口的設(shè)定、看門狗的相關(guān)定義、AD 設(shè)置、定時(shí)器設(shè)置等工作 . ： 移位寄存器 74LSl64僅有串人并出作用沒有譯碼功能。 ：報(bào)警值的設(shè)定 ,當(dāng)一氧化碳濃度超過設(shè)定的報(bào)警值時(shí)，單片機(jī) P26 腳輸出高電平 ；報(bào)警裝置報(bào)警。單 片機(jī)程序主要實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、數(shù)字信號(hào)處理、存儲(chǔ)、顯示及測(cè)試結(jié)果分析等功能。 MSP430 開發(fā)環(huán)境與程序設(shè)計(jì) IAR Embedded Workbench 開發(fā)環(huán)境 MSP430 開發(fā)需要硬件和軟件兩方面環(huán)境。