一氧化碳报警器设计毕业设计 推荐.docx

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一氧化碳报警器设计毕业设计推荐

河海大学继续教育学院毕业设计

一氧化碳报警器设计

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

摘要

随着工业的发展和汽车尾气的大量排放，空气遭到了严重的污染，同时在家庭生活中，煤气的不完全燃烧也将产生大量的一氧化碳气体，而一氧化碳气体的化学性质比较稳定，在室内通风条件不大好的情况下，可能引起人体中毒，产生致命后果。

因此需要对大气中的一氧化碳气体进行监测。

本文主要对一氧化碳报警器的原理进行了分析，其中重点分析了一氧化碳传感器探测信号的模式分类及识别，其原理是采用温度调制模式，基于统计学原理，采用贝叶斯公式对各模式进行识别。

对于一氧化碳传感器的信号处理方法，主要介绍了快速傅立叶变换方法（FFT）和离散小波变换方法（DWT）。

同时还对目前一氧化碳监测中存在的主要问题进行了初步的分析。

最后，根据一氧化碳传感器的原理，针对家庭中一氧化碳气体的监测，初步确定一氧化碳传报警器的设计要求，根据当前一氧化碳传感器的发展状况，选用MOTOROLA公司的MGS1100芯片进行一氧化碳报警器的设计。

同时对MGS1100传感器的结构及工作模式进行了介绍。

根据MGS1100芯片的结构及工作模式，设计了报警器电路，并对报警器的控制软件进行了初步的设计，最后完成了对一氧化碳报警器的调试，调试结果表明该报警器是可以在实际中使用。

关键词一氧化碳报警器；温度调制模式；传感器

Cosannuncitor

Abstract

Withthedevelopingofindustryandexhaustgasexpellingofcars,theatmosphereispolluting.Atthesametime,theincompleteinflammationofgaswillproducemuchCOinfamily,andCOisakindofgaswhichisstabilizationinchemiccharacter,willbringpoisoningtopersonwhenthehouseisstuffiness.SoitisneedtomonitortheCOinhouse.

ThispaperanalyzestheprincipleofCOsannunciator,focusontheanalysisofthemodelclassificationandrecognitionofCOsensor,theoperationalprincipleofCOsensorisbasedonstatisticsandtemperaturemoderatemodel.ThesignalprocessmethodofCOsensorincludeFFT（FastFourierTransform）andDWT（DiscreetWaveTransform）.Attheend,introducethemainproblemofCOmonitor.

Attheend,basedontheoperationalprincipleofCOsensor,accordingtotherequirementofCOmonitorinhouse,decidetheparametersofCOsannunciator.AccordingtothedevelopmentofCOsensor,selectMGS1100ofMOTOLORAtodesigntheCOsannunciator.

Atthesametime,introducethestructureandoperationalprincipleofMGS1100,anddesignthealarmcircuitandcontrolsoft.Attheend,finishthedebuggingofCOsannunciator,theresultshowtheCOsannunciatorcanbeusedinrealism.

KeywordsCOsannunciator;temperaturemoderatemodel;senso

摘要……………………………………………………………

Abstract………………………………………………………

第1章绪论……………………………………………………

11.2研究的目的和意义………………………………………

11.3一氧化碳报警器的发展状况……………………………

第2章一氧化碳传感器信号处理技术………………………

2.1气体传感器阵列信号处理技术…………………………

2.2信号预处理………………………………………

2.3模式分类，识别和量化……………………………

2.4气体传感器温度调制及信号处理技术………

2.5温度调制模式……………………………………

2.6信号处理方法………………………………………

2.7存在的问题…………………………………………

2.8本章小结………………………………………………

第3章一氧化碳报警器的设计…………………………

3.1器件的结构原理…………………………………………

3.2器件的工作模式………………………………………

3.3一氧化碳报警器的设计…………………………………

3.4电路原理…………………………………………………

3.5控制过程…………………………………………………

3.5.1对于温度变化的特性处理（假设CO的浓度为60ppm）

3.5.2CO线性浓度分析………………………………………

3.6调试和结果………………………………………………

3.7本章小结…………………………………………………

结论……………………………………………………………

致谢……………………………………………………………

参考文献………………………………………………………

附录……………………………………………………………

第1章绪论

1.1课题背景

随着工业的发展和汽车尾气的大量排放，空气遭到了严重的污染，因此对大气中有毒气体的监测也成为人们关心的一个主要问题，而大气中一氧化碳气体对人体的毒害是致命的，因此，迫切需要开发一种仪器来检测家庭和工农业生产过程中的一氧化碳气体。

1.2研究的目的和意义

空气中的一氧化碳为无色、无味气体，相对分子量为28.0，对空气相对密度为0.967。

在标准状况下，1L气体质量为1.25g，100ml水中可溶解0.0249mg（20C），燃烧时为淡蓝色火焰。

一氧化碳是有害气体，对人体有强烈的毒害作用。

一氧化碳中毒时，使红血球的血红蛋白不能与氧结合，妨碍了机体各组织的输氧功能，造成缺氧症。

当一氧化碳浓度为12.5mg/m3时，无自觉症状，50.0mg/m3时会出现头痛、疲倦、恶性、头晕等感觉，700mg/m3时发生心悸亢进，并伴随有虚脱危险，1250mg/m3时出现昏睡，痉挛而死亡。

有时根据碳氧血红蛋白（COHb）来评价室内一氧化碳低暴露水平对人体的影响，3-11岁儿童COHb平均饱和度为1.01%；12-74岁不吸烟人群为1.25%。

但成年不吸烟人群中4%的人COHb超过2-5%。

室内污染所致COHb饱和度只有超过2%，才会影响心肺病人的活动能力，加重心血管的缺血症状。

CO是燃料不完全燃烧产生的污染物，若没有室内燃烧污染源，室内CO浓度与室外是相同的。

室内使用燃气灶或小型煤油加热器，其释放CO量是NO2的10倍。

厨房使用燃气灶10-30min，CO水平在12.5-50.0mg/m3之间。

由于一氧化碳在空气中很稳定，如果室内通风较差，CO就会长时间滞留在室内。

因此，很容易致人中毒。

同时，在工农业生产中，尤其在煤炭生产基地，如果一氧化碳浓度过高，很容易引起火灾和爆炸，引起严重的事故和后果，造成重大经济损失和人员伤亡。

因而作好煤炭自燃火灾的预测预报和防灭火工作显得尤为重要。

因此，人们发现了测温法来进行温度可燃气体的监测。

测温法是发现煤炭自热和探寻高温点及火源的最直接、最可靠的方法，但煤体内部温度的测温技术尚未完全解决，目前仅作为掌握自燃动态、确定自燃区位置的一种有效的补充手段[1]。

测定矿内空气成分变化，是早期预报自燃火灾应用最广而且比较可靠的方法。

煤类火灾的主要指标是CO和H2和碳氢化合物，如乙烯C2H4、丙烯C3H6、乙炔C2H2等。

它们是按一氧化碳->氢->乙烯->丙烯->乙炔的顺序生成、释放并随温度而增加的。

当温度异常时，首先出现CO，随温度增高，出现HZ，然后是CZH4紧接着是C3H6，最后出现C2H2和其他气体[2]。

由于一氧化碳生成温度低，生成量大，其生成量随温度升高按指数规律增加。

所以，煤矿井下广泛以一氧化碳气体作为预报煤炭自燃的指标气体。

它的变化一直在煤矿安全生产活动中受到高度重视，特别是煤层有自然发火倾向的矿井更是如此。

在煤矿井下，CO的来源一般是由于煤自热或自燃产生的。

所以当井下出现CO气体或CO气体浓度稳定地增长时，就认为煤炭在自然发火或有自然发火的危险。

然而，有些矿井，煤层中本身就含有CO，在煤层开采过程中，就逸出到采掘空间的风流中来，如果对其逸出量及规律不能掌握，就会造成煤炭自燃火灾的误报，对预报和防治煤炭自然发火造成不利影响[3]。

大水头煤矿是煤层具有自然发火倾向性的矿井，经过对大水头煤矿几十次煤炭自然发火灾害有关参数的反复观察分析认为，同样是煤炭自燃造成的火灾，但每次其自然发火期的长短、氧化速度、各种灾害气体的浓度等都随时间、地点的不同有所差异，这其中的原因除一些外在的因素和煤层所处的自然环境因素外，还有一个不被人们所掌握的内在因素-煤层原生的CO成份在起着潜移默化、推波助澜的作用。

虽然确定的煤层自然发火期是3-6个月，但实际生产中常常出现一些预料之外的事例：

掘进工作面后巷几十米处高顶就有CO气体出现；炮采工作面刚开采，短期内上隅角就检测出CO气体:

综放面每月推进60m左右，其支架顶部煤体中仍能查出高浓度（最高达0.064%）的CO气体成份。

通过分析表明煤电钻打的孔内实测CO浓度高达0.5%，而且一氧化碳检测管变色环呈血红色，比火区测定的还要高。

因此要必要开发CO报警器来对CO进行监测，指导安全生产。

1.3一氧化碳报警器的发展状况

1964年，由Wickens和Hatman利用气体在电极上的氧化还原反应研制出了第一个气敏传感器，1982年英国Warwick大学的Persaud等提出了利用气敏传感器模拟动物嗅觉系统的结构[4]，自此后气体传感器飞速发展，应用于各种场合，比如气体泄漏检测，环境检测等。

现在各国研究主要针对的是有毒性气体和可燃烧性气体，研究的主要方向是如何提高传感器的敏感度和工作性能、恶劣环境中的工作时间以及降低成本和智能化等。

下面简单介绍各种常用的一氧化碳报警器的工作原理最新的研究进展。

一氧化碳报警器主要包括两部分，一部分是监测系统，由各种传感器组成，另一部分是报警系统，根据检测系统的指标作出报警判断。

首先简单介绍下一氧化碳传感器的发展状况。

气体传感器主要有半导体传感器（电阻型和非电阻型）、绝缘体传感器（接触燃烧式和电容式）、电化学式（恒电位电解式、伽伐尼电池式），还有红外吸收型、石英振荡型、光纤型、热传导型、声表面波型、气体色谱法等[5]。

电阻式半导体气敏元件是根据半导体接触到气体时其阻值的改变来检测气体的浓度；非电阻式半导体气敏元件则是根据气体的吸附和反应使其某些特性发生变化对气体进行直接或间接的检测。

接触燃烧式气体传感器是基于强催化剂使气体在其表面燃烧时产生热量，使传感器温度上升，这种温度变化可使贵金属电极电导随之变化的原理而设计的。

另外与半导体传感器不同的是，它几乎不受周围环境湿度的影响。

电容式气体传感器则是根据敏感材料吸附气体后其介电常数发生改变导致电容变化的原理而设计。

电化学式气体传感器，主要利用两个电极之间的化学电位差，一个在气体中测量气体浓度，另一个是固定的参比电极。

电化学式传感器采用恒电位电解方式和伽伐尼电池方式工作。

有液体电解质和固体电解质，而液体电解质又分为电位型和电流型。

电位型是利用电极电势和气体浓度之间的关系进行测量；电流型采用极限电流原理，利用气体通过薄层透气膜或毛细孔扩散作为限流措施，获得稳定的传质条件，产生正比于气体浓度或分压的极限扩散电流。

红外吸收型传感器，当红外光通过待测气体时，这些气体分子对特定波长的红外光有吸收，其吸收关系服从朗伯-比尔（Lambert-Beer）吸收定律，通过光强的变化测出气体的浓度。

声表面波传感器的关键是SAW（surfaceacousticwave）振荡器，它由压电材料基片和沉积在基片上不同功能的叉指换能器所组成，由延迟型和振子型两种振荡器。

SAW传感器自身固有一个振荡频率，当外界待测量变化时，会引起振荡频率的变化，从而测出气体浓度。

对CO气体检测的适用方法有比色法、半导体法、红外吸收探测法、电化学气体传感器检测法等。

比色法是根据CO气体是还原性气体，能使氧化物发生反应，因而使化合物颜色改变，通过颜色变化来测定气体的浓度，这种传感器的主要优点是没有电功耗。

半导体CO传感器，通过溶胶—凝胶法获得SnO2基材料，在基材料中掺杂金属催化剂来测定气体[6]。

现国外有研究对SnO2基材料中掺杂Pt、Pd、Au等，并发现当传感器工作在220C时，在SnO2中掺杂2%的Pt时，传感器对CO具有最大的敏感度。

由于气体传感器的交叉感应，使得CO传感器对很多气体如H2、CO2、H2O等都有感应，但是采用上面的方法使得对其他气体的敏感度下降很多[7]。

CO电化学气体传感器敏感电极如常用的金属材料电化学电极有Pt、Au、W、Ag、Ir、Cu等过渡金属元素，这类元素具有空余的d、f电子轨道和多余的d、f电子，可在氧化还原的过程中提供电子空位或电子，也可以形成络合物，具有较强的催化能力[8]。

又研制了一种新型的CO电化学式气体传感器，即把多壁碳纳米管自组装到铂微电极上，制备多壁碳纳米管粉末微电极，以其为工作电极，Ag/AgCl为参比电极，Pt丝为对比电极，多孔聚四氟乙烯膜作为透气膜制成传感器，对CO具有显著的电化学催化效应，其响应时间短，重复性好[9]。

利用CO气体近红外吸收机理，研究了一种光谱吸收型光纤CO气体传感器，该仪器检测灵敏度可达到0.2×10-6[10]。

另一种光学型传感器是用溶胶—凝胶盐酸催化法和超声制得SiO2薄膜，将薄膜浸入氯化钯、氯化铜混合溶液，匀速提拉，干燥后制得敏感膜，利用钯盐与CO反应，生成钯单质，引起吸光度变化[11]。

采用超频率音响增强电镀铁酸盐方法获得磁敏感膜，磁饱和度和矫顽磁力决定对气体的响应敏感度。

当温度加热到85C时，得到最大响应，检测范围333ppm～5000ppm[12]。

第2章一氧化碳传感器

信号处理技术

一氧化碳报警器主要由气体传感器和报警电路组成，而其性能的好坏又取决于气体传感器，因此，气体传感器所采用技术是整个系统的关键，下面我们重点分析在一氧化碳传感器中所采用的信号处理技术。

2.1气体传感器阵列信号处理技术

与哺乳动物的嗅觉系统类似，气体传感器阵列是一氧化碳传感系统的“气味感受细胞”，感受到气味时就将信号通过接口电路及一些预处理电路（生物嗅觉中对应的部位为“嗅球”）然后传到信息处理中心（大脑），通过“大脑”内的嗅觉信号处理，完成对气味的识别和简单量化，并发送相应的控制信号。

该系统称为电子鼻系统。

其信息处理中心通常由电脑或微处理器实现，其中的“嗅觉”信号处理技术对于电子鼻的性能起着关键作用。

对这一技术的研究，从气体传感器阵列和电子鼻的概念提出后，就一直都没有间断过。

一个成功的气体（气味）识别和量化系统通常要涉及到多种多维信号的处理方法，包括信号预处理、特征提取、特征选择、分类、回归、聚类以及验证等[13]，基于统计的模式识别方法、神经网络等多种信号处理方法己在电子鼻领域里得到了应用并取得了一些成果。

2.2信号预处理

信号预处理的主要目的有滤波、基线处理、漂移补偿、信息压缩以及归一化等。

图2-1为金属氧化物半导体气体传感器的一般测量电路，其中RL为串联负载电阻，Rs为气体传感器的电阻，Vcc为测量电压，V为实际传感器测量电压。

图2-1微热板式气体传感器的单臂电桥测量电路传感器的描述信号可用电压信号（V）、电阻信号（R）和电导信号（G）等物理量表示，三个物理量互相关联，电阻和电导互为倒数，其中电压信号受串联电阻的影响，在量程大且需更改串联电阻的情况下不宜使用。

基线的概念为传感器在空气中的信号，处理方法主要有三种:

差值法，比例法和分数比值法。

以电导物理量为例，定义其在空气中的基线值为Gair，在被测气体中的值为Ggas,那么对应的三种处理方法见表2-1。

常用的处理方法为分数比值法，因此Sg又被称为电导灵敏度，成为衡量传感器气敏性能的一个重要参数。

上述基线的处理方法仅是对气体传感器信号的简单处理，基线漂移的抑制是气体传感器领域中的一个重要研究问题。

作为一种化学传感器，受空气中多种因素的影响，基线漂移缓慢、随机，迄今还没有形成一种统一的理论来描述。

小波变换技术在基线漂移抑制方面取得了较好的效果[14]。

表2-1基线处理方法

处理方法说明差值法G=Ggas-Gair去除叠加性噪声和漂移比例法rg=Ggas/Gair去除乘积性噪声和漂移分数比值法是sg=（Ggas-Gair）/Gair叠加性和乘积性噪声和飘移都有作用作为一个随时间变化的量，气体传感器的特征信号有多种，如稳态信号、瞬态信号等。

特征是直接从传感器的原始信号提取出来的参数，各特征之间相互关联