矿用一氧化碳传感器的设计.pdf

第 1 期 2 0 0 7年 2月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a nd M i ne Au t o ma t i o n N0 ．1 Fe b．2 0 0 7 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 7 0 1 0 0 6 5 0 4 矿用一氧化碳传感器的设计 李俊红 ， 崔 艳， 李长青 河南理工大学计算机科学与技术学院， 河南 焦作4 5 4 0 0 0 摘要 文章介绍 了一种以单 片机 AT8 9 C 5 2为核心的矿用一氧化碳传感器的工作原理及其软、 硬件设 计 。该传 感器 可 以连 续 地将 井下 气体 浓度 信号 转换 成标 准频 率信 号传 送给 上位机 ， 并具 有 实时显 示浓 度值 、 超 限声光报 警 、 频率 信 号输 出等功 能 ， 适 宜 于井下 需设 置一 氧化碳 传 感 器的场所 固定使 用 。 关键 词 矿 井 ；一氧化 碳 传感 器 ；红 外遥控 ；单 片机 ；AT 8 9 C 5 2 中图分 类号 T D 7 1 2 文 献标 识 码 B 0 引言 C o 一氧化 碳 气 体 浓度 的高 低 是 煤 矿 井 下 是 否 发生 自燃火 灾 的重 要 标 志 之 一 ， 同时 C O 也 是 煤 矿 井下 的 主要 有 害 气 体 之一 ， 是导 致 人 员 中毒 死亡 而引起 重大 伤亡 事 故 的重 要 因 素 。 因此 ， 在 煤 矿 井 下监 控系 统 中增 设 C O 传感器 十分 必要 ， 且 很普遍 。 1敏感 元件 的组成 及 工作 原理 C O传 感器 敏感 元 件 的结 构 图如 图 1 所 示 。该 传感 器 敏 感元 件 采 用 恒 电位 电解 法原 理 _ 】 ] ， 即在 酸 性 电解液 中设置 3个 电极 工 作 电极 、 参 考 电 极 、 计 数 电极 。 图 1 CO 传 感 器 敏 感 兀 件 的结 构 图 电化 学 工 作 电极 是 用 1块 具 有 催 化 活 性 的 金 属 ， 将 其涂覆在 1块 透 气 但 憎 水 的 膜 上 做成 。被 测 量气体经扩散透过多孔的膜在其上进行电化学氧化 或 还 原反 应 ， 反应 中参 加 反 应 的 电子 流入 还 原 或 流出 氧化 工作 电极。当 C O气体通过半可透气膜 进入传感器后 ， 则发 生氧化还原反应 收稿 日期 2 0 0 6 1 0 1 1 作者简介 李俊红 1 9 8 2 -- ， 女 ， 河北邯郸人 ， 河南理工大学计算 机科学 与技术学院在读硕 士研究生 ， 现主要从 事计算 机控制技术 方 面的研究工作 。 C0 H2 0一 C02 2 H 2e 2 o2 8H 8 e 一一 4H2 o 上式 中的 自 由电子 数 量 与 C O 浓 度 成 正 比， 并 由电极 引 出 ， 经 电子线 路放 大 、 转换 。 参 考 电极则 是 为了给 电解 液 中 的工 作 电极 提供 1 个 稳定 的 电化学 电位 。参 考 电 极 电位 与 I C 2的 正 相输 入端 比较 后 ， 在运放 I C 2输 出 1个 电压信 号 ， 其 大 小正好 是产 生 1个与 工作 电极相 等或 相反 的 电流 信 号 。同时 电路 使工作 电 极与 参考 电极 间保 持 恒定 的 电位 差 。 C O传 感 器 电 路原 理 图 如 图 2所 示 ， 工 作 电 极 响应 目标 气体 ， 产 生 与气 体 浓 度 成 比例 的 相 应 大 小 的电流 ， 电流 由计 数 电极产 生 。 图 2 CO 传 感 器 电 路 原 理 图 计数 电极和工作电极形成 回路 ， 如果工作 电极 正在 氧化 ， 就会 减少 其它 化学 物质 通 常是 氧 气 ； 如 果工作电极 消耗 掉 CO的话 ， 回路又会促 进氧化 。 计数电极 电压是变动的， 有 时会随着气体浓度的增 加而变化 。计数电极端 的电压并不重要 ， 不象工作 电极端需要静态电路提供足够的电压和电流以保持 维普资讯 6 6 工矿 自动化 2 0 0 7年 2月 和参考电极相同的电压 。 I C 2向计数电极提供 电流以保持与工作电极 电 流的平衡 。I C 2信号发生器应该选择低温漂或者是 无漂移的元件 ， 因为当接通工作电路时， J型场效应 管就会处于高增益工作状态。I C 2向工作电极提供 电流使其电压与参考 电极相 同， 任何 I C 2偏置 电压 带来的偏置效果都会在电路工作时产生一个极大的 漂移。反过来， 输入 I C 2的信号都 与参考电极 连接 起来， 这并不会淹没参考电极端主要的电流信号。 2 传 感器 系统 的组 成 C O传感器系统的组 成框 图如图 3所示。该 系 统以 AT 8 9 C 5 2 [ 2 单片机为核心 ， 其硬件电路 由放大 电路、 显示电路 、 信号输 出电路 、 声光报警电路 、 看门 狗 电路 、 稳 压 电路 、 红 外遥 控 电路 等组成 。 恒 微 模 CO 电 电 数 敏 位 流 转 感 ● 控 信 换 堕 兀 制 号 电 片 件 电 放 路 机 路 大 l 遥 控 调 校 卜 图 3 C O传 感器系统的组成框图 2 ． 1 集成稳 压 电路 系统 电源来 自井 下 分 站 的 7 ～ 1 8 V 直 流 电 ， 它 经三 端 稳 压 器 L M7 8 O 5 T 稳 压 后 输 出 5 V 的 电 压 ， 供 系统 使用 。电源 的输 入 端 串接 了 1只隔 离 二 极管 I N4 0 0 1 一是起保护作用 ， 防止用户使用时接 错极性而导致传感 器损坏 ； 二是在输入电源线短路 时， 防止传感器电路 向外放 电。在电路输 入端的电 源线与地线之间并接 1 个 3 ． 3 F的限噪声电容器， 输入与输出端各接有 1只 0 ． 1 F的去耦 电容。去 耦电容一方面提供和吸收该集成电路开关门瞬间的 充放电能 ， 另一方面旁路掉该器件 的高频噪声。 2 ． 2 信 号调 理 电路 采用具有零漂移、 单电源 、 轨对轨的运算放大器 A D8 5 7 2设计 的信号检测电路， 确保传感 器在检测 范围内的信号灵敏度、 稳定性和线性。具体 电路如 图 4所示 。 2 ． 3 A／ D 转换 电路 为了缩小电路板面积及满足精度要求 ， A／ D转 换 电路采用 1 0位串行工作 的 TL C1 5 4 9 。TL C 1 5 4 9 受单片机控制 ， 对 C O浓度实时采样， 不 同的浓度使 TL C1 5 4 9 芯 片模拟信号 输入端ANAL OG I N获得 图 4 C O传 感器信号调理 电路 图 相应 的电压值 ， 该电压值经 TL C1 5 4 9转换成数字信 号输出到单片机进行相应的处理。 2 ． 4显 示 电 路 显示数码管采用 4 位 L E D显示 ， 取限流电阻值 为 1 k a。高 1位显示状 态位 ， 低 3位显示浓度值， 显示 的体 积浓 度范 围为 0 ～9 9 9 1 0 一 。 2 ． 5 硬 件看 门狗 电路 采用 X I C OR 公 司带 有 串行 接 口 S P I E E P RO M 的看门狗 X2 5 0 4 5 [ 3 ] ， 在传感器初始化时设置 看 门狗 ， 并 且 将 其 设 置 数 据 保 存 在 E E P RO M 中 。 这样可显著提高整个系统的可靠性 ， 并且最大限度 地节 省 系统资 源 。 2 ． 6 红外遥控 电路 系 统 采 用 红 外 通 信 模 式 ，TOS HI B A 的 TC 9 1 4 8 p ] 红 外调 制发 射 芯片有 单 键发 射 和 连续发 射功能。遥控器设计简单实用， 只有 4个键 ， 分别为 确定 、 功 能 、 加 、 减 一 键 。其 中“ 确定 ” 、 “ 功 能” 2个 键 为 单 发 键 按 下 按 键 只发 1次 键 值 ， “ 加 ” 、 “ 减 一 ” 2个 键 为 连 续 键 按 下 按 键 连续 发 射 键 值 。 红 外 接 收 电 路 采 用 集 成 红 外 接 收 器 HS 0 0 3 8 ， 可将数 据 输 出端 直 接 接 至 A T8 9 C 5 2的 外 中断 输入 口 本 系统 接 至 P 3 ． 2 ， 利 用 该 口的第二 功 能 ， 一旦红外线信号到来 ， P 3 ． 2被拉低 ， 单片机中止 当前的工作转移到接收、 处理红外信号 ， 对红外接收 头 送来 的二进 制 编 码 波 形 解码 ， 还 原 出 发送 端 发送 的数 据 。 2 ． 7 频 率输 出电路 AT 8 9 C5 2的 P 1 ． 0引脚 除了可 用作 为标准 的 I ／ 0接 口外， 还可以通过编程把它用作为定时器／ 计 数 器 2外部 时 钟输 入 和 输 出 占空 比为 5 0 的 时 钟 脉 冲。本系统利用这一功能把它作为传感器的信号 输 出控制。要实现这一功能， 需将定时器／ 计数器 2 维普资讯 2 0 0 7年第 1期 李俊红等 矿 用一氧化碳传感器的设计 6 7 配置为时钟发生器 ， C／ T 2必须清零 ， T2 MOD 中的 T2 OE位必须置 位 ， 启动定时器 2必 须将 TR 2置 位。时钟输出频率 由振荡器频率和定时器 2捕获寄 存器的重新输入值确定， 其公式如下 ， J。 u 一n X[ 6 5 5 3 6 -- R C AP 2 H, R C AP 2 L ] ．， 0 s c ， 1 、 式 中 n 4 ； ． 厂 0 。 一1 2 MHz , R C AP 2 H 和 R C A P 2 L 的内容作为 1个 1 6位无符号整数， 在方波信号输出 模式中定时器 2的翻转将不会产生中断。 气体体积浓度范围 M 为 0 ～1 0 0 0 1 0 一 ， 对 应的频率输 出为 2 0 0 ～1 0 0 0 Hz ， 从而可 以得到 M 和 ．厂 。 之间 的关 系 f o o t 一 2 0 0 M X 一 2 0 0 0 ． 8 M 由式 1 、 2 ， 很 容 易 计 算 出 R C AP 2 H 和 R C AP 2 L随温度变化时的设定值 ， RCAP2 H ， RCAP2 L一 6 5 5 3 6一 3 随 着 气 体 体 积 浓 度 的 变 化 ， 不 断 地 计 算 RC AP 2 H 和 R C AP 2 L的值 ， 就可 以从 AT8 9 C 5 2的 P 1 ． 0口输出符合要求 的脉冲频率信号 ， 其频率与浓 度值 成 正 比。 2 ． 8 报 警 电路 报 警 电路 如 图 5 所 示 。P 2 ． 4通 过 7 4 L S 1 4接 晶 体 管 基极输 入 端 ， 当 P 2 ． 4输 出 低 电 平 “ 0 ” 时 ， 晶 体 管导 通 ， 压 电蜂 鸣 器 两 端 获 得 约 1 2 V 电压 而 蜂 鸣 ； 当 P 2 ． 4输 出高 电平“ 1 ” 时， 三极管退 出导通状 态 ， 蜂 鸣器停 止 发音 。 图 5 报警 电路 图 3 软 件 实现 C O传感器的主程序流程如图 6所示 。为了便 于调试 、 连接和扩展， 采用模块化程序设计技术 ， 模 块间任务划分明确、 耦合清晰 ， 避免 了重复设计 ， 彼 此 间具有 相对 的独 立性 。 看门狗 X 2 5 5 自检设置， 设置堆栈指针、中断源和定时器 开 中断源 、定时器 A ／ D T L Cl 5 4 9 1 初始化 数字滤波子程序 自动调校子程序 浓度超限报警子程序 N 显示子程序 送超限标志 I 堡 堡 兰 图 6 C O传感器 主程序流程 图 系统 上 电后 ， 首先 对单 片 机 自身初始 化 ， 包括 设 置 堆栈 指针 、 中断禁止 及优 先级 的决定 、 设置 各个 定 时器／ 计数器的工作方式 、 设置 串口等， 然后对 A／ D 初始 化 。A／ D 初 始 化 后 系 统 开 始 工 作 ， 首 先 采 样 C O浓度并显示 ， 超过安全值报警 。 为了提高软件抗 干扰能力 ， 采用程 序判断滤波 法 对采 样信 号滤 波 ， 即根 据 经 验 确定 出 2次 采 样 允 许 的最大偏 差 △y 若 先 后 2次 采样 的 信 号 相 减 数 值大 于 △y， 表 明 输 入 的 是 干 扰 信 号 ， 应 该 去 掉 ， 用 上次采样值作为本次采样值； 若小于、 等于△y表明 没有受到干扰， 本次采样值有效 。据此可 以滤去随 机干扰 和 传感器 不 稳定 而 引起 的严重 失真 。 4结语 基 于单 片机 AT 8 9 C 5 2的 矿 用 C O 传 感 器 具 有 实时 自检 、 自校 、 自消漂 移 、 数 字 滤 波 、 准确 度 调 校 、 标 度变换 、 实 时显 示等 功能 。 红 外芯 片的使 用使 得 仪 器 操作方 便 、 可 靠 。C O 传 感 器 作 为 矿 井 监 控 系 统 的一个重要组成部分 ， 必将在矿井安全生产 中发挥 重要 的作 用 。 参考文献 [ 1 ] 孙宇峰 ， 黄行九 ， 刘 伟 ， 等． 电化 学 C O气 体传感 器 及其敏感特性E J - I ．传感 器技术 ， 2 0 0 4 ， 2 3 7 1 4 ～1 7 ． 维普资讯 第 l期 2 0 0 7年 2月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a n d M i n e Au t o ma t i on No ． 1 Fe b ．2 0 0 7 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 7 o i 一0 0 6 8 0 3 基于A T me g a 1 2 8 L的瓦斯检测报警装置的设计 吴元 忠 ， 胡 钢 河海大学计算机及信息工程学院， 江苏 常州 2 1 3 0 2 2 摘要 文章 介绍 了一种 瓦斯检 测报 警 装 置 。该 装置 基 于 美 国 AT ME L公 司 最新 一代 高 性 能 、 低 功 耗 的 8位AVR。 微 处理 器 ， 采 用 由黑 白元 件 等组 成 的 瓦斯 传 感 器 、 温度 以及 风 速传 感 器 ， 可 实 时检 测 煤 矿 井 下 环 境 中的 瓦斯 浓度 ， 且 当 瓦斯 浓度超 限时 ， 可及 时启 动声 光报 警或输 出开关控 制 信号切 断 电源。 关 键词 瓦斯 ；浓度检 测 ； 报 警装 置 ；微 处理 器 ；AT me g a 1 2 8 L 中图分 类号 T D 7 1 2 文献标 识 码 B 0引言 1 装 置简 介 据 相关 资料显 示 从 1 9 4 9年 至 今 ， 全 国死 亡 百 人 以上的 煤 矿 事 故 共 发 生 2 2起 ， 2 0 0 4年 有 2起 ， 2 0 0 5 年 有 4起 ， 矿 难 有 上 升 的 趋 势 ， 而 瓦斯 爆 炸 便 是众多矿难的第一大祸首 。瓦斯燃烧 、 爆炸 的发生 要具 备 3个条 件 1 瓦斯 浓 度 瓦 斯 浓 度在 5 9 ／ 6 ～ 1 6 9 ／ 6 爆炸， 瓦斯浓度低于 5 9 ／ 6 燃烧 、 大于 1 6 9 ／ 6 既不燃 烧 也 不爆 炸 ； 2 高 温 火 源 温 度 在 6 5 0 ～ 7 5 0 ℃之 间 ； 3 充足 的氧 气 氧 气 浓 度大 于 1 2 9 ／ 6 。一 般 地 ， 在 工 作 面前三 角点 的氧 气 浓 度超 过 2 0 9 ／ 6 。 因此 ， 瓦 斯浓 度 的准确 检测 便成 为有效 防 止和 避免 因 瓦斯浓 度 超 限而 引起瓦斯 爆 炸造 成矿难 的关 键 问题 。笔 者 研 制 的瓦斯 检测报 警 装 置 采用 美 国 ATME L 公 司 推 出 的 AVR me g a 系 列 嵌 入 式 微 控 制 器 、 L i n e a r T e c h n o l o g i e s 公 司的 L T1 7 6 7补 偿 稳 压器 以及 由气 室 、 黑白元件等组成的传感器。该装置操作简单、 数 据 直观 、 经 济实用 ， 已大量 应用 于煤 矿井 下 。 收 稿丑期 2 0 0 6 0 9 1 1 作者简介 吴元忠 1 9 7 8 一 ， 男， 河 海大学计 算机 及信息工 程学 院硕士研究生 ， 主要研究方向为智能信息 系统 、 无线传感 器网络 。 [ 2 3 余涛 。 刘 双喜．X 2 5 0 4 5在 舞台灯 光 换色 器设 计 中 的应用E J ] ．单 片 机 与 嵌 入 式 系统 应 用 。 2 0 0 1 7 66 ～ 69 ． [ 3 3 仇国庆。 杨志龙 。 唐 贤伦 。 等．看 门狗 电路 的设 计与应 用E J ] ．自动化与仪器仪表 。 2 0 0 5 4 1 6 ～2 0 ． [ 4 ] 刘启文 。 邹绪 春。 王伟． 单 片机对通 用红外遥控 发射 器信号 的译码[ J ] ． 实用测试技术 。 2 0 0 1 6 3 3 ～3 4 ． [ 5 3 杜海 涛． 智能瓦斯 传感 器 系统的 设计 与研究 [ D ] ． 焦 该瓦 斯 检 测 报 警 装 置 主 要 由 微 处 理 器 8位 AVR AT me g a 1 2 8 L、 L T 1 7 6 7补 偿 稳 压 电 源 转 换 电 路 、 3路传 感器 采 集 电路 、 瓦 斯 浓 度调 零 及 两级 放 大 电路 、 红 外遥 控 等 功 能 模 块 组 成 。装 置 总体 框 图 如 图 1所示。装置将瓦斯传感器采集的瓦斯浓度值与 温度传感器和风速传感器所采集 的温度、 含氧量数 据进行融合计算 ， 实时显示 当前瓦斯浓 度、 温度 、 氧 气浓度值以及数据融合后的安全状态值。当检测值 达到 预设 置的报 警 点 时 ， 启 动 蜂 鸣 器 报 警 并 闪 烁报 警灯 ； 当检 测值 攀 升至 预设 断 电点 时 ， 启动 断 电控 制 电路输 出一开 关量 ， 切 断供 电 ， 及时 采取 措施 避 免瓦 斯燃 烧 、 爆炸 的 恶性事 故 发生 。 2硬 件设 计 2 ． 1 主 处 理 器 的 选 型 该 瓦 斯 检 测 报 警 装 置 主 处 理 芯 片 采 用 美 国 ATME L公 司的 ATme g a l 2 8 I 微 处理 器 。ATme g a 1 2 8 L是 AT ME I 公 司出品的最新一代 高性能 、 低 功耗 8位 AVR 微 处理 器 ， 其 采 用 先 进 的 RI S C 内 核 。 大 多数 指令 执 行 时 间 为单 个 时 钟 周期 ， 工 作 于 作 河南理工 大学 。 2 0 0 4 ． [ 6 ] 汤永利．矿用温度传感器的研 究与设 计[ J ] ． 焦 作 河 南理工大学 。 2 0 0 5 ． [ 7 ] 汪胜聪． 综述单 片机控制 系统的抗干扰设i f[ J ] ． 现代 电子技术 。 2 0 0 3 1 7 ～9 ． E 8 ] 谷葵．一 氧化 碳报 警仪 的标 定 与使用 E J 3 ．冶 金动 力 。 2 0 0 2 4 3 8 ～4 O ． E 9 3 郭瑞平．单片机测控系统 中的信 号变换 E J ] ．仪 表技 术 ， 2 0 0 3 2 3 5 ～ 3 6 ． 维普资讯