便携式油气浓度检测装置毕业设计开题答辩报告.docx

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便携式油气浓度检测装置毕业设计开题答辩报告

便携式油气浓度检测装置

开题报告

姓名：

胡慧

专业：

测控技术与仪器

学号：

1107010103

指导老师：

葛亮

一、设计背景及意义

目前，随着全球经济高速发展，石油、天燃汽等能源在工业、汽车和化工等多个领域得到广泛应用。

在使用过程中，油品及天然气的易燃、易爆、腐蚀性、有毒性以及挥发性极易酿成火灾、爆炸和人员中毒等安全事故。

尤其是在油库、加油站、加气站等石油、天然气的储存和加注场所，然而事故发生的主要原因是没有更加先进的油气浓度检测设备来代替技术落后的检测设备，以至不能提供准确的检测结果并及时报警。

因此，一种可靠性较好，检测范围较大，信息提示较为准确的便携式油气浓度检测装置的研制就显得尤为重要。

二、系统设计及方案论证

1.系统框图

系统框图设计如图所示

设计思想：

该便携式油气浓度检测装置是一种运用传感器、集成电路、放大电路、A/D转换器、单片机以及微型计算机控制组成的成熟技术手段。

该仪器是利用催化燃烧式气敏传感器对现场油气浓度进行采集，输出的微弱电压信号通过放大电路进行放大后，将该放大后的模拟信号通过A/D转换器转换层数字信号，此转换过程通过单片机控制，最终传输给计算机进行数据处理，用LCD显示出来。

可及时、精确测量并显示油气的爆炸下限百分比浓度（%LEL）值、油气的体积百分比浓度（%VOL）值、油气的爆炸下限百分比浓度峰值。

当油气浓度达到预设的浓度报警阈值，则蜂鸣器、LCD显示屏及偏心振子发出声光振动起到报警作用。

该检测仪具有好的稳定性，高的灵敏度，较高水平的响应时间，恢复时间。

为了达到方便携带，就需要装置的体积小、重量轻。

2．方案论证

（1）传感器

定义：

是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

特点：

微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。

它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。

分类（根据其基本感知功能）：

热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。

气体传感器是一种将气体的成份、浓度等信息转换成可以被人员、仪器仪表、计算机等利用的信息的装置！

气体传感器一般被归为化学传感器的一类，尽管这种归类不一定科学。

方案一接触燃烧式气体传感器 

这类传感器可分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式气体传感器。

其工作原理是：

气敏材料在通电状态下，可燃性气体氧化燃烧或在催化剂作用下氧化燃烧，产生的热量使电热丝升温，从而使其电阻值发生变化，测量阻值变化从而测量气体浓度。

接触燃烧式气体传感器在环境温度下非常稳定，并能对爆炸F限的绝大多数可燃性气体进行检测，普遍应用于石化工厂、造船厂、矿井隧道、浴室、厨房等处可燃性气体的监测和报警。

这类传感器只能测量可燃性气体，对不可燃性气体不敏感。

在燃气爆炸下限内输出为线性、只与燃气浓度成正比、温度和湿度的变化对其工作状态影响很小、选择性好、反映准确、精度高、再现性好。

其不足的是催化剂寿命有限，当在可燃性气体与空气的混合物中有硫化氢等含硫物质的情况下，则有可能在无焰催化燃烧的同时，有些固态物质附着在催化元件表面，阻塞载体的微孔，从而引起响应缓慢，反应滞缓或中毒，使灵敏度降低。

方案二半导体式气体传感器它是利用一些金属氧化物半导体材料，在一定温度下，电导率随着环境气体成份的变化而变化的原理制造的。

比如，酒精传感器，就是利用二氧化锡在高温下遇到酒精气体时，电阻会急剧减小的原理制备的。

半导体式气体传感器可以有效地用于：

甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、酒精、甲醛、一氧化碳、二氧化碳、乙烯、乙炔、氯乙烯、苯乙烯、丙烯酸等很多气体地检测。

尤其是，这种传感器成本低廉，适宜于民用气体检测的需求。

下列几种半导体式气体传感器是成功的：

甲烷（天然气、沼气）、酒精、一氧化碳（城市煤气）、硫化氢、氨气（包括胺类，肼类）。

高质量的传感器可以满足工业检测的需要。

在本次设计研究中选择催化燃烧式气体传感器，其计量准确，响应快速，寿命较长，价格便宜。

传感器的输出与环境的爆炸危险直接相关，同时克服半导体式气体传感器稳定性较差，受环境影响较大等缺点，在安全检测领域是一类主导地位的传感器。

该检测仪选用催化燃烧气敏传感器MC105，其特点如下：

1）元件工作稳定、可靠；

2）具有良好的重复性、选择性；

3）响应速度快；

4）桥路输出电压呈线性；

5）优异的抗H2S、有机硅中毒能力。

（2）放大电路

定义：

放大电路（amplificationcircuit）能够将一个微弱的交流小信号（叠加在直流工作点上），通过一个装置（核心为三极管、场效应管），得到一个波形相似（不失真），但幅值却大很多的交流大信号的输出。

实际的放大电路通常是由信号源、晶体三极管构成的放大器及负载组成。

方案一差分放大电路

差分运算放大电路如图所示。

差分运算放大电路

由虚短、虚断的概念有，VI=i1=0，所以（Vs1-Vn）/R1=（Vn-Vo）/Rf,及（Vs2-Vp）/R2=Vp/R3,由于Vp=Vn，可得出Vo=[（R1+Rf）/R1]·[R3/（R2+R3）]·Vs2-（Rf/R1）·Vs1，当取R3/R2=Rf/R1，则上式简化为Vo=Rf/R1·（Vs2-Vs1）。

差分运算放大电路对共模输入信号有很强的抑制能力，对差模信号却没有多大的影响，因此差分放大电路一般做集成运算的输入级和中间级，可以抑制由外界条件的变化带给电路的影响，如温度噪声等。

缺点是存在共模输入电压。

应当选择共模抑制比较高的集成运放因以保证运算精度。

差分式放大电路也广泛应用于检测仪器中，可以用多个集成运放构成性能更好的差分式放大电路。

方案二同相比例运算电路如图所示。

同相比例运算电路

根据虚短、虚断的概念有Vp=Vn=Vs，i1=if,Vp=R1·Vo/（R1+Rf），所以可以得到Vo=（1+Rf/R1）·Vs。

同相比例运算电路的特点如下:

（1）输入电阻很高，输出电阻很低。

（1）由于vN=vP=vS，电路不存在虚地（因为N点的电压被流过R1的电流i1抬高了），且运放存在共模输入信号（因为V+↑时有V-↑，V+↓时有V-↓），因此要求运放有较高的共模抑制比。

放大器选用的是AD620，其管脚示意图所示：

AD620管脚图

综上所述，因为传感器测量电路的电压信号是电桥输出以及输出信号与浓度的关系，该检测仪应该选用差分式放大电路对信号进行放大。

调试时，要注意放大器的共模抑制比。

因此放大器选择AD620。

（3）A/D转换器

由于传感器的输出信号经过差分放大电路放大后输出的是模拟信号，需要应用A/D转换器将其转换为数字信号才能在LCD上显示。

A/D转换器亦称“模拟数字转换器”，简称“模数转换器”。

将模拟量或连续变化的量进行量化（离散化），转换为相应的数字量的电路。

转换精度与转换速度是衡量A/D转换器的重要技术指标。

方案一双斜积分式A/D转换器（如：

ICL7109）

双斜积分式A/D转换器对周期性和随机的噪声干扰有较好的抑制能力。

且其工作是连续的，可大大降低对滤波电路的要求，但次转化器的成本较高。

方案二逐次逼近式A/D转换器（如ADC0809、ADC0808）

逐次逼近式A/D转换器在转化过程中配合采样/保持器使用，其精度大大的提高，能耗较低，是理想的高速、省电型A/D转化器。

在转化过程中，由于存在量化误差和偏移误差的影响，精度会有所下降。

所以在选择A/D转换器之前，明确本设计的精度要求。

量化误差对于精度的影响是可计算的，主要取决于A/D转换器的位数。

理论上可以不断增加转化器的位数而提高精度，但事实上还有A/D转换器前端电路也制约着其精度。

考虑到A/D转换后的精度不会超过传感器输出信号精度。

本装置选用8位A/D转换器ADC0809，能满足本设计的要求，节约系统成本。

其管脚图如图所示：

ADC0809管脚图

（4）单片机

单片机（Microcontrollers）是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。

方案一51系列单片机（AT89S51）

方案二52系列单片机（STC89C52）

52单片机比51单片机多个定时器，RAM51单片机是128，52单片机是256。

S52比C51的定时器多一个T2，52单片机的RAM多128B，ROM多4K，中断多2个，多一个看门狗,在掉电、数据指针等方面还有一些改进。

S52的最高外接晶振可以达到33MHz，C51大概只有24MHz。

总的来说52是51的增强型。

因此选用52系列单片机作为该检测仪的控制器更为经济，合理。

选用STC89C52单片机。

其管脚图如图所示；

STC89C52引脚图

（5）测量值的显示

该装置是经A/D转换器,将传感器的输出模拟信号转换为数字信号后,再通过单片机对这些数字信号进行处理,最后在LCD数字显示屏上显示出油气浓度值,为了使油气浓度的检测提示信息更为准确,可靠性较好，选择LCD数字显示屏。

三、系统硬件框架及模块简介

1.系统硬件框架

2模块简介

（1）单片机模块

作用：

通过程序控制A/D转换器的输入与输出，并对输入内部的数据进行处理送入PC机。

说明：

STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

主要性能：

◆K字节程序存储空间；

◆512字节数据存储空间；

◆内带4K字节EEPROM存储空间；

◆可直接使用串口下载；

◆AT89S52单片机；

◆8K字节程序存储空间；

◆256字节数据存储空间；

◆自带2KB的EEPROM存储空间。

1）片机的最小系统

单片机最小系统的电路中包括了单片机的复位电路，时钟电路。

两个电路源、复位、振荡电路以及扩展部分等部分组成。

2）单片机的P0口及其功能

下图画出了P0口的某位P0.n的结构图，它由一个输出锁存器、两个三态输入缓冲器和输出驱动器及控制电路组成； 

由于P0口既可以作为通用I/O口使用，又可以作为地址/数据总线使用，所以在P0口的 电路中有一个多路转换开关MUX。

在内部控制信号的作用下，多路开关MUX可以分别接通锁存器输出和地址/数据总线。

当P0口作为I/O口使用时，CPU内部发控制电平0封锁与门，将输出上拉场效应

管T1截止，同时使多路开关MUX把锁存器的Q非端与输出场效应管T2的栅极接通。

当P0口作为输出口使用时，内部总线与P0口同相位。

写脉冲加在D触发器的CL上，内部总线就会向端口引脚输出数据。

由于输出驱动级是漏极开路电路，故需要加上拉电阻。

当P0口作为输入口使用时候，具有读引脚和读端口两种情况，因而端口中设有两个三态输入缓冲器用于读操作。

下面一个缓冲器用于读端口引脚处数据，当执行一条由端口输入的指令时候，读脉冲把该三态门打开，这样端口引脚处数据经过缓冲器进去内部总线。

这类操作由直接传送类指令实现。

在端口有输出口转变为输入口的时候，必须先向对应的锁存器写1，使FET管子截止，这样做是为了防止T2导通后把该引脚嵌位到低电平。

读端口是通过上面的缓冲器读锁存器Q端的状态。

目的是为了适应对端口的“读-写-改”指令的需要。

这个操作是CPU自动进行的。

在扩展系统中，P0口作为低八位地址线，数据线使用，可分为两种情况。

一种是以P0口引脚输出地址/数据信息。

这时候CPU内部发控制电平1，打开与门，同时使多路开关MUX把CPU内部地址数据线与T2栅极反相接通。

从图上可以看出