气雾剂泡沫易燃性检测仪的硬件设计文档格式.docx
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值此论文完稿之际，谨向辛勤指导我的王学影、王晓娜老师致以衷心的感谢。
大四的时候王晓娜老师担任我们班的专业实验课老师，她严谨的治学态度和一丝不苟的作风给我们留下了深刻的印象。
王学影老师虽然不是我们的任课教师，但她平易近人，在我做毕业设计期间，多次询问并指导我，帮我解决疑难，对于我论文的写作给予了许多的帮助。
感谢这几年来父母对我在生活上的照顾，虽然在学术上父母并不是很懂，但在生活上，父母对我照顾的无微不至。
他们供我上大学，每个月给我寄生活费。
他们的养育之恩我只能用优良的成绩来回报。
感谢张晟学长在本课题研究上的帮助，起初对课题了解得很少，基础也不牢，学长对我产生的疑问都会耐心回答。
虽然在大二的时候学过一点单片机，但到大四时已经不太熟悉，而且对于利用单片机进行系统开发设计也没有过接触。
学长向我推荐了许多有用的论坛、网站，并及时解决我的疑问。
尽管他自己的科研任务繁忙，但是对于我的咨询他从不推脱。
同时也感谢郭天太老师，朱明辉老师，他们也很关心我的毕业设计，遇到难题的时候他们也会热心帮助。
毕业在即，感谢量院的所有老师，你们的辛勤劳动让我们四年的大学有所学，有所成。
你们以及量院的所有一切，将让我们在未来更加的自信。
气雾剂泡沫易燃性测试仪的硬件设计
摘要：
易燃性是喷雾剂泡沫安全性测试中的一种重要参数。
本文针对喷雾剂泡沫安全性测试中普遍存在的火焰高度测量非自动化，效率及精度低等问题，研究了一种基于光敏二极管光电转换原理的对小型稳定火焰源高度测试的方法，并设计了由单片机、光电传感定位机构、直流电机等构成的自动检测系统。
对硬件进行相关测试，火焰高度误差来源及其解决方案做了详细的分析，并开发了相关的自动测试系统。
该系统测量精度可达5mm，具备自动测试和处理数据的能力，并能和上位机进行数据通信和显示，能满足新标准《危险品喷雾剂泡沫易燃性测试方法》规定的测试要求，为喷雾剂易燃性自动测试仪器奠定了良好的基础。
关键词：
易燃性自动检测火焰高度单片机
中图分类号：
TP23
Hardwaredesignofatestinstrumentforfoamflammabilityofaerosols
Abstract：
Inthesafetytestofaerosols’foam,flammabilityisaveryimportantparameter.Butthereisstillsomeprobleminthistest:
theflameheightmeasurementisnotautomated,andtheaccuracyistoolow.Thisthesisproposesaapproachtosolvetheseproblems.Itusesphotosensitivediodetomakephotoelectricconversion,thenmeasuretheheightofsomestabilizationflame.Onthisbasis,thisthesisalsoresearchesanddevelopsanautomaticdetectionsystem,consistofmicroprogrammecontrolunit（MCU）,D.C.motors,andautomaticpositioningagencies.Theydidhardwaretest,analysisdthesourceoferror,andputforwardsomemethodtomakethesystemmoreefficiency.Withahighprecision,automaticdetectionanddataprocessinganddisplayability,thissystemcanmeettherequirementsofthenewnationalstandardof2008.Iteffectivelysolvedtheproblemoflackofautomatictestequipmentforfoamflammabilityofaerosols
Keywords:
Inflammability;
Automaticdetection;
Heightoftheflame;
MCU
Classification:
TP23
目次
1绪论
1.1课题的来源与背景
气雾剂（Aerosol）或称喷雾剂，是指将药物或其他化学制剂与适宜的抛射剂装于具有特制阀门系统的耐压密闭容器中制成的澄明液体、混悬液或乳浊液，使用时借抛射剂的压力将内容物呈雾粒喷出的制剂。
由于气雾剂本身使用与携带方便，加上制备与灌装等工艺水平的提高，越来越多的气雾剂类的产品进入到人们的日常生活当中。
随着它的广泛运用，其概念也得到了扩展，一般能够喷排出雾、液流、泡沫、凝胶的压力包装产品都属于其范畴[1]。
气雾剂产品主要有个人护理用品、家庭用品、医疗用品及工业用品等,其中杀虫剂、发用摩丝及喷发胶三种产品约占80%。
气雾剂产品使用的推进剂过去一直是氯氟化碳类物质,这些物质进入大气层后破坏臭氧层,影响全球气候,并导致人类皮肤癌增多,农作物减产,浅海浮游生物受害。
根据《消耗臭氧层物质逐步淘汰国家方案》,我国决定在气雾剂行业（医药用途除外）,广泛使用液化石油气和二甲醚作为氯氟化碳推进剂的替代品,这种替代品价格低廉,对人体和环境无不良影响。
于是，从1998年开始，环境少了一个危害，但是消防安全则多了一个对手，就的矛盾解决了，新的矛盾却又派生出来[2,4]。
通常气雾杀虫剂、摩丝、空气清净喷雾剂等气雾剂产品都压缩在小型高强度焊合金属罐内，推进剂的比例约占40%左右，可燃有机溶剂（大多为酒精或煤油）约占50%左右，其罐体的爆炸破坏压力设计一般为1700kPa，变形压力为1500kPa，这种气雾金属罐气装后，实际上是一个小小的压力容器。
因此，在贮存运输、使用时受高温、震动、碰撞、挤压，极易使罐内液化气体气化，蒸汽压急剧上升,超过罐体承压能力就会产生爆炸、燃烧。
如果说过去有些气雾剂产品只产生物理性爆炸不燃烧的话,那么从1998年开始，由于极易燃烧爆炸的液化石油气、二甲醚作为气雾剂产品的推进剂，完全替代了氯氟化碳类推进剂（医用除外），化学性爆炸燃烧的“概率”将大幅度上升。
由于人们对气雾剂的认识不足，因此，气雾剂产品导致的火灾爆炸事故屡见不鲜[2]。
由于气雾剂产品的这些特性，对其进行易燃性测试，并对其易燃性能进行定量的检测，就变的至关重要了。
2008年6月，新的国家标准GB/T31632-2008《危险品喷雾剂泡沫可燃性试验方法》颁布，它详细规定了对喷雾剂泡沫进行可燃性测试的方法和步骤，并规定对许多的参数进行测量考核。
但是，目前国内使用的检测手段几乎是全手工的方式，存在工作量大，测量不准确，重复性差，存在调节点火处和样品的相对位置困难，准确记录火焰高度、火焰蔓延时间困难等问题。
这与我国气雾剂生产与消耗大国的现状是不符合。
因此，现在急需开发一种专用仪器，此仪器要能够按照新标准规定，进行各参数的自动检测与数据处理，以便能进行批量检测，在保证安全与质量的基础上提高生产的效率。
本课题便是在这样的背景下产生。
1.2喷雾剂易燃性测试简介
易燃性测试是喷雾剂安全性检测中的一项重要的参数，它主要检测喷雾剂泡沫是否可燃，燃烧后的火焰高度和定量泡沫的燃烧时间等数据。
根据GB/T31642-2008《危险品喷雾剂泡沫易燃性测试方法》规定，喷雾剂易燃性测试要求在通风但无气流的环境中进行，温度控制在20±
5℃，在进行火焰高度测试之前还要测量泡沫的流出速率，以便使该喷雾剂喷射量得到准确的计量。
按照此标准规定，测试的方法和步骤如下[3]：
1.根据喷雾剂的流出速率，释放适量的喷雾剂泡沫于耐火材料玻璃上；
2.5秒后将火源放于试样底部的边缘，同时开始计时。
如有需要，可以在2秒之内将火源移开试样底部边缘，以便清楚观察试样是否燃烧；
如果试样没有点燃，应将点火源继续放于试样边缘；
3.如果试样点燃，记录火焰最大高度、火焰持续时间，重新称量喷雾剂重量，计算喷雾剂释放量；
4.若试样不发生燃烧，且在整个过程中保持泡沫或糊状，则使同一试样再重复上述步骤；
若试样发生燃烧，则再取试样重复测试两次或以上。
此标准规定要求测试并记录以下要素：
1.产品是否点火；
2.火焰的最大高度（cm）；
3.火焰的持续时间（S）；
4.产品的介绍、内压和排放率；
5.根据测试结果，计算其火焰高度和燃烧时间的平均值。
此为标准测试方法。
一般在进行测试时，都是以人工记时和借助刻度尺读数的方法。
这种测试方式存在许多的弊端，具体表现在火焰高度测量非自动化，缺乏效率，同时由于火焰在燃烧时存在闪烁、晃动等，以肉眼目测火焰高度就存在很大的误差。
所以，为了使此项测试更加准确、更加具有参考价值，急需开发一种专用仪器以满足高效、准确测试的要求。
1.3国内外研究现状
从气雾剂测试标准GB/T14449-93版发布，到2008年对其做出修改，气雾剂泡沫安全性测试受到人们越来越广泛的关注。
但是，研究与开发专门对气雾剂泡沫易燃性进行测量的仪器还处于空白的局面，一方面是由于我国气雾剂生产与质检行业发展比较滞后，另一方面也由于此种仪器的应用比较单一。
但运用单片机，光电传感器及步进电机等进行类似的设计，开发专用仪器的工作在国内有许多的例子。
如玩具易燃性测试仪，可燃气体爆速测试仪等[5,6]。
与本课题类似，数据的采集是设计中十分重要的一环，玩具易燃性测试仪是利用对步进电机的驱动脉冲与角位移之间的换算得到试样以及烧毁的长度，利用温湿度变送器对环境温湿度数据进行采集。
可燃气体爆速测试仪选用的是光纤传感器，将可燃气体在一定距离内的爆炸时间由显示屏直观地显示出来。
火焰高度和燃烧时间是此仪器要测量的主要数据。
一般对火焰高度进行测量，都是采用人工目测的方法。
对于一些跳动、光线较暗、边缘模糊的火焰就很难以判定，而且完全人工记录，存在许多缺陷。
也有利用面CCD采集火焰图像[6]，瞬时捕获火焰突跳，爆火信息，对捕获图像数据存储和处理后，计算出火焰高度等数据。
例如温州市质监局利用此方法研制的打火机火焰高度自动测量装置等[7]。
1.4单片机在测控系统中的应用
目前的检测仪器设备中，很多已经由原来的机械式、刻度读数模式，更新换代为传感器采集数据，微处理器处理，数字式输出的模式。
这种转变的发生，得益于传感器技术和集成技术的发展。
本课题将以单片机为核心设计专用测量仪器。
在一个应用系统中，只使用一块单片机，这是目前应用最多的方式，单片机的在检测仪器中的应用主要表现在[8]：
1.智能仪表：
用单片机改造原有的测量、控制仪表，能促进仪表向数字化、智能化、多功能化、综合化、柔性化发展。
长期以来测量仪器中的误差修正、线性化处理等难题也可迎刃而解。
由单片机构成的智能仪表集测量、处理、控制功能于一体，赋予测量仪表以崭新的面貌。
单片机智能仪表的这些特点不仅使传统的仪器、仪表发生根本的变革，也给传统的仪器、仪表行业技术改造带来曙光[9]。
2.控制系统：
用单片机可以构成各种工业控制系统、适应控制系统、数据采集系统等。
在这个领域中，有不少是采用通用的CPU单片机或通用计算机系统。
随着单片机技术的发展，大部分可以用单片机系统或单片机加通用系统来代替。
例如，智能人工气候控制，水闸自动控制，粮仓温湿度控制、电镀生产线自动控制、汽轮机的电液调节系统等[10,11]。
单片机在一般自动测量系统的应用中具备有测、控目的的前向传感器通道、后向伺服控制通道以及基本的人机对话手段。
它包括了系统扩展和系统配置两部分内容。
系统扩展是指单片机中的ROM、RAM及I/O口等片内部组件不能满足系统的要求是，在片外扩展相应的部分。
扩展多少，视需要选择[12]。
系统配置是指单片机为满足应用要求时，应配置的基本外部设备，如键盘，显示器等[13]。
单片机的典型应用系统如图1-1所示，整个系统包括基本部分和测、控增强部分以及外设增强部分。
图1-1单片机的典型应用系统
1.5课题的主要内容
本课题的主要研究内容为：
依据行业标准《危险品喷雾剂泡沫可燃性试验方法》对气雾剂泡沫的检测的规范要求设计电路，使之能够实现：
控制火源移入移出测试区；
迅速对燃烧产生的光信号进行可靠采集；
处理采集到的信号，自动判断火焰高度。
要求高度测量范围大于20cm，分辨力小于等于1cm；
能与ARM上位机进行数据通讯。
方案选择时，在保证系统的信号采集精度、速度的前提下，尽可能地提高系统经济实用性和提高系统处理数据的能力。
针对以上内容，本设计将完成以下设计任务：
1.单片机及其外围电路设计；
2.电源电路设计；
3.火焰数据采集部分设计；
4.电机控制及定位部分设计；
5.通讯电路模块设计；
6.画出系统总体设计原理图和PCB设计图；
7.对硬件进行相关测试，并分析误差源。
系统主要实现的技术指标为：
1.火焰高度测量分辨力：
5~10mm；
2高度测量范围：
24cm；
3.具备火源自动定位和自动测试能力，数据分析和显示能力。
1.6本章小结
本章介绍了气雾剂泡沫易燃性测试仪的研究意义,并简要介绍了国内外相关研究现状。
其中重点介绍了单片机在测控系统中的应用。
2
系统硬件电路设计
2.1系统总体结构
本测试仪是以单片机为核心，加上外围扩展电路共同组成，具备电机自动控制，自动测试数据的功能。
可以实现对泡沫易燃性的规范性自动测试，同时具备通信接口，可以和上位机进行数据通信显示等。
考虑到系统测试环境及测试物理参数的特殊性，在设计的过程中，电子元器件的选用、线路布置等等都要考虑到抗干扰的问题。
总体设计要求其实现如下功能：
采集火焰高度、火焰燃烧时间等数据，具备电机自动判断定位，自动进给，自动回退的功能。
根据上面的设计要求，测试仪的主体结构框图如图2-1所示，系统的总电路图见附录1。
图2-1系统总体方案图
设计的基本思路是：
上电后，按下相应按键，告知测试开始。
单片机发出驱动脉冲，经驱动电路控制电机运动。
火源在电机的带动下向测试区域前进，光电对管及单片机的协同作用，控制火源进出测试区。
点火，光电传感器阵列感受到火焰信号，发出包含火焰高度的信息，同时单片机计数器开始计时。
单片机对试样燃烧过程中的高度信号进行处理，与上位机间通信，显示测量结果。
从图2-1我们可以看出，此测试仪包含六大模块，分别是：
1．微处理器电路（单片机模块）；
2．供电模块；
3．光电数据采集模块；
4．电机控制模块；
5．按键模块；
6．通信输出模块。
下面本文将对这六大模块逐一进行介绍。
2.2主体电路设计
2.2.1微处理器电路设计
微处理器部分是系统的关键部分之一。
针对设计任务的要求，本系统中微处理器具体将完成以下的功能：
1.控制电机运动，并完成火源的定位；
2.监控各光电传感器上信号，完成对火焰数据的处理；
3.完成与上位机之间的串行通信与数据显示
为保证这些功能的实现，要完成单片机的正确选择，并规划好单片机与各个外围芯片之间的搭配
1.单片机选型：
考虑到本设计中，单片机要实现的功能比较多，对于运算处理的要求比较高，因此本设计中采用了AT89S52系列单片机。
AT89S52是ATMEL公司的一种低功耗、高性能的8位CMOS工艺处理器。
它除了具有与MCS-51完全兼容的若干特性外，最为突出的优点是片内集成了8K字节FLASH只读程序存储器，可用来存放应用程序。
这个Flash程序存储器除允许用一般的编程器离线编程外，还允许在应用系统中实现在线编程。
除此之外，此芯片具有的其他良好性能也是选择它的主要原因，主要来说：
（1）AT89S52内部具有三个16为定时/计数器，相比只有两个定时/计数器的8051单片机，AT89S52单片机具有更强的实时控制能力，同时也减少了软件的开销。
（2）低功耗空闲和掉电模式，此两种特性使得此单片机具有较低的功耗，同时掉电模式的存在使得在突然的断电情况发生时，一些重要数据能不至于丢失，对于一个测量系统来说，这一点是十分重要的。
（3）内置看门狗定时器（WDT，WatchDogTimer）。
它实际上是一个计数器，一般给看门狗一个大数，程序开始运行后看门狗开始倒计数。
如果程序运行正常，过一段时间CPU应发出指令让看门狗复位，重新开始倒计数。
如果看门狗减到0就认为程序没有正常工作，强制整个系统复位。
此外，WTD还可以在程序陷入死循环的时候，让单片机复位而不用整个系统断电，从而保护硬件电路。
AT89S52单片机芯片的管脚图如下，它的管脚分布和对应管脚的功能和AT89C51单片机相同，同时它具有与MCS-51完全兼容的指令系统
图2-2AT89S52单片机管脚分布
2．单片机外围电路设计
由于要对火焰数据进行高度采集并对燃烧时间进行计时，在仪器进行可燃性的自动测试时，一般会对样品进行几次重复测试，以得到较为准确的结果。
这样，在一次测试时，会有大量的数据产生，而AT89S52单片机片内只有256B的数据存储器空间，因此有必要对其扩充外部数据存储器。
在本设计中，我们使用静态RAM芯片62256进行扩展。
62256是32K字节、8位的静态随机存储器芯片，它采用CMOS工艺制造，+5V电源，其28角双列直插式封装的引脚配置如图2-3，其中A0～A14为15根地址线，IO0-IO7为双向数据线，CS为片选信号线，OE为读允许信号线，WR为写信号线。
表2-1为62256的操作方式。
图2-362256管脚图
表2-165256操作方式
方式
功能
禁止
不允许
同时为零
1
写入
把D0-D7的数据写入62256
读出
从62256读出数据到D0-D7
选通
62256选通，但输出高阻态
X
没选通
Do～D7输出高阻态
65256静态RAM芯片与单片机的硬件的连接如图2-4所示。
在设计中，由于要外扩I/O接口，所以利用了74LS138译码器做片选信号。
以其Y5输出口连接62256的片选
，则此时62256的地址是BFFF。
62256芯片的容量为32KB，共有15根地址线，74LS573作为锁存器扩展输出，它直接挂在P0口上。
图2-4扩展62256静态RAM原理图
AT89S52的I/O端口与外围器件的接口的分配情况如下表2-2所示：
表2-2I/O分配
89S52引脚
外围电路/器件引脚
说明
P0.0～P0.7
74LS573
外部RAM扩展接口
P2.0～P2.7
62256
62256高八位地址
P2.7～P2.5
74LS138
译码电路做片选信号
P1.0
继电器1，电机停止信号输入端
P1.1
继电器2，火源进、退信号输入端
P1.2
光电门1，自动定位信号输入端1
P1.3
光电们2，自动定位信号输入端2
P1.4
按键1，开机信号输入端
P1.5
按键2，关机信号输入端
P1.6
按键3，急停键，故障信号输入端
P1.7
蜂鸣器接口
P1.5～P1.7
ISP在线编程端
2.2.2供电电路设计
整个系统电路中需要两个不同的电压供电，即直流电机部分需要的+24伏供电和芯片需要的+5伏电压供电。
+24伏的电压可以由外界电源供给，考虑到外界电压输入时的可能出现脉动及不平稳的情况而影响电机的平稳运动，在系统中，设计了对应的电路以得到稳定的24伏直流稳压电源。
其具体电路如图2-5所示。
图2-524伏直流电源供应电路
如图所示，外界24伏电源接入时，经过超快速整流二极管SF34整流，得到较为平稳的直流信号。
接着，信号在C1、C2、H1、以及C3、C4、C5组成的π型电感电容滤波器（LC滤波器）的作用下，得到脉动更小的直流信号，最后在稳压管IN5556的稳压作用下得到稳定的24伏供压。
+5伏为芯片所需电压，可以由直流电机+24伏的电压经过转换获得。
对于得到+5V的稳压电源，可以有两种选择，分别是线性稳压电源和开关稳压电源。
两者的原理及比较如下：
1．线性稳压电源：
线性稳压电源由调整管、参考电压、取样电路、误差放大电路等几个基本部分组成。
另外还可能包括一些例如保护电路，启动电路等部分。
下图是一个比较简单的线性稳压电源原理图（示意图，省略了滤波电容等元件），取样电阻通过取样输出电压，并与参考电压比较，比较结果由误差放大电路放大后，控制调整管的导通程度，使输出电压保持稳定
图2-6线性稳压电源原理简图
其特点是：
输出电压比输入电压低；
反应速度快，输出纹波较小；
工作产生的噪声低；
效率较低；
发热量大（尤其是大功率电源），间接地给系统增加热噪声。
常见的常用的线性串联型稳压电源芯片有：
78XX系列（正电压型），79XX系列（负电压型），LM317（可调正电压型），LM337（可调负电压型）等。
2．开关稳压电源：
开关电源是一种比较新型的电源。
下图2-7是其原理简图。
电路由开关K，续流二极管D，储能电感L，滤波电容C等构成。
当开关闭合时，电源通过开关K、电感L给负载供电，并将部分电能储存在电感L以及电容C中。
由于电感L的自感，在开关接通后，电流增大得比较缓慢，即输出不能立刻达到电源电压值。
一定时间后，开关断开，由于电感L的自感作用，将保持电路中的电流不变，即从左往右继续流。
这电流流过负载，从地线返回，流到续流二极管D的正极，经过二极管D，返回电感L的左端，从而形成了一个回路。
通过脉冲宽度调制，就可以控制输出电压。
如果通过检测输出电压来控制开、关的时间，以保持输出电压不变，这就实现了稳
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