氣敏傳感器信號采集系統(tǒng)設(shè)計

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1、清華大學(xué)2012屆畢業(yè)設(shè)計說明書1引言1.1研究背景及意義隨著工業(yè)化的發(fā)展，我們的生活及環(huán)境的污染迅速增加，環(huán)境中存在著各種有毒有害、易燃易爆氣體，從家用液化石油氣、城市煤氣以及天然氣到工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢氣、交通工具中排放的各種氣體都在不斷地污染環(huán)境，影響我們的生存。此外，我國燃氣的變革及西氣東輸工程的進行，煤氣或天然氣已成為多數(shù)家庭的燃料。這些氣體在帶給人們能源、生產(chǎn)生活提供方便的同時，它們本身是有毒、易燃的化學(xué)物品，給燃氣燃具用戶深深埋下了火災(zāi)、中毒、爆炸的隱患。一方面人類對各種有毒有害氣體的承受能力是有限的，另一方面易

2、燃易爆氣體超過一定濃度，就可能引起火災(zāi)或爆炸，造成人身傷亡和財產(chǎn)損失。但是人的感官缺乏對各種有害氣體的感知，特別是對有害氣體濃度定量的判斷能力，因而研制能夠感知并判別氣體的種類和測量氣體濃度的儀器系統(tǒng)就變得尤為必要。傳統(tǒng)的分析氣體組分和濃度的方法是以色譜法為代表的各種化學(xué)計量方法，盡管其測量精度很高，但操作手續(xù)繁雜，實驗周期長，無法對有毒、有害氣體進行實時、連續(xù)、瞬時檢測，而氣體傳感器則滿足這種要求，并且在人們?nèi)粘Ｉ钪袑p少氣體爆炸、火災(zāi)等事故已經(jīng)發(fā)揮著越來越大的作用。再者，計算機的普及和信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，智能化被引入家庭，

3、并迅速在世界各地發(fā)展起來。單片機在日用電子產(chǎn)品中的應(yīng)用越來越廣泛，其設(shè)計出的產(chǎn)品體積小、成本低、運用靈活、易于產(chǎn)品化、抗干擾能力強、適應(yīng)范圍廣，在各種惡劣的環(huán)境下都能可靠工作?；诖?，本論文擬設(shè)計一種便攜式的氣敏傳感器的信號采集系統(tǒng)，用于監(jiān)測空氣中天燃氣氣體的濃度，并且能將氣體的濃度顯示在液晶上，當(dāng)空氣中的可燃氣體的濃度達到一定的警界值時，發(fā)出報警信號，從而能夠保障人們自身和生產(chǎn)與生活的安全。1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀氣敏傳感器及單片機是本設(shè)計的的兩大核心內(nèi)容。從技術(shù)發(fā)展的角度看，根據(jù)使用傳感器原理的不同，常見的氣體檢測儀器儀表各自有

4、適用氣體及應(yīng)用領(lǐng)域，新技術(shù)新產(chǎn)品正在成為未來氣體檢測儀器儀表的主流。未來一段時間，使用半導(dǎo)體和催化原理的氣體檢測儀器儀表依靠著價格優(yōu)勢仍會占據(jù)部分低端市場。目前國內(nèi)用于燃氣濃度監(jiān)測的也主要是這兩種氣體傳感器[1]。第47頁共47頁清華大學(xué)2012屆畢業(yè)設(shè)計說明書隨著現(xiàn)代科技的迅猛發(fā)展，LSI（超大規(guī)模集成電路）技術(shù)也在不斷提高，為單片微型機的進步提供了有力的技術(shù)支持。目前的單片微型機早已從最初的四位、八位字長，發(fā)展到十六位、三十二位字長。技術(shù)的發(fā)展，集成度的提高，使得單片微型機在社會主義現(xiàn)代化建設(shè)的各個領(lǐng)域發(fā)揮著越來越大、越來越

5、多的作用?，F(xiàn)在的社會是數(shù)字化的社會，是信息的時代。許多的模擬技術(shù)都被數(shù)字技術(shù)所取代，這意味著智能化的各種設(shè)備及產(chǎn)品會越來越多的呈現(xiàn)在我們的眼前。在我國當(dāng)前，智能化的儀器儀表是單片微型機應(yīng)用最多，最為活躍的領(lǐng)域。而且隨著現(xiàn)代電子工業(yè)的發(fā)展，電阻型氣敏傳感器的工作穩(wěn)定性也相對提高，成本也在不斷的下降[2]。這兩項技術(shù)的迅猛發(fā)展，為氣體檢測系統(tǒng)的發(fā)展提供了更好的平臺。1.3研究目標(biāo)及內(nèi)容本文所設(shè)計的氣敏傳感器的信號采集系統(tǒng)采用單片機AT89C51，本設(shè)計能將在測試環(huán)境中的氣體傳感器輸出的模擬電壓通過A/D轉(zhuǎn)換器送入單片機AT89C51

6、中進行處理后通過液晶顯示，通過設(shè)置報警值，當(dāng)檢測到的濃度達到或者超過設(shè)定值時，用單片機控制發(fā)光二極管發(fā)光報警，同時打開喇叭發(fā)出聲音報警，來達到報警的目的。系統(tǒng)以MQ-4氣體傳感器和AT89C51單片機為核心,設(shè)計氣體濃度信號采集系統(tǒng)。完成以下內(nèi)容：(1)研究天然氣氣體傳感器的基本工作原理，并選擇一個可供設(shè)計的具體型號，給出相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)；(2)設(shè)計與所選傳感器匹配的放大、采集、存儲電路，要求確定具體的放大倍數(shù)、采樣速率、采樣時間、進而確定采樣容量；(3)設(shè)計報警電路并控制顯示天然氣氣體濃度；(4)繪制測試系統(tǒng)原理圖和PCB圖。第

7、47頁共47頁清華大學(xué)2012屆畢業(yè)設(shè)計說明書2系統(tǒng)總體方案設(shè)計2.1系統(tǒng)設(shè)計要求設(shè)計一個具有數(shù)據(jù)采集、存儲和報警功能系統(tǒng)。要求能實時記錄并存儲空氣中的天然氣氣體的濃度，并在濃度超某一臨界值時具有報警功能。在本設(shè)計中，信號采集系統(tǒng)的主要功能就是快速準(zhǔn)確的檢測被測氣體中天然氣的含量，通過LCD顯示屏將天然氣濃度顯示出來并且存儲，當(dāng)氣體濃度達到一定門限值時發(fā)出聲光報警。為了實現(xiàn)以上功能：系統(tǒng)應(yīng)該具備氣體傳感器及其適配電路模塊、A/D轉(zhuǎn)換電路模塊、單片機控制模塊、LCD液晶顯示模塊、聲光報警單元、存儲模塊，供電模塊這幾部分。2.2系統(tǒng)

8、設(shè)計整體框圖系統(tǒng)工程流程：氣體信號檢測電路由氣敏傳感器和信號調(diào)理電路組成，將氣體信號轉(zhuǎn)化為模擬的電信號。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將從檢測電路送出的模擬信號轉(zhuǎn)換成單片機可識別的數(shù)字信號后再送入單片機。單片機對該數(shù)字信號進行處理分析，看是否超過某個預(yù)設(shè)值，如果超過則會啟動報警電