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基于接触燃烧式CH_4传感器的报警器研制

作　者: 杨发盛
导　师: 郑杰
学　校: 吉林大学
专　业: 电路与系统
关键词: CH4 检测报警微控制器
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

近些年来，随着国民经济快速的发展，国家的能源消费量也在高速增长，但以煤炭、石油为主的传统化石能源由于存在高污染和利用率低等问题，对环境造成破坏的同时，还造成了巨大的能源浪费，而清洁高效的天然气成为理想的替代能源，在国家能源消费结构中的比重和消费量连续数年保持高速增长，被越来越广泛的应用于生产生活。天然气具有污染小、自然存储量高、燃烧热值高和价格低廉等特点，这些特点极大的方便了人们的日常生活，满足了工业生产的需要，但是在实际使用中，天然气需要非常严格的存储和运输条件，否则将存在泄露的隐患，容易造成诸如火灾甚至爆炸等安全事故，对人民的生命财产安全造成了巨大的威胁。因此，在使用天然气时，必须对其泄露进行检测并报警，使天然气的使用具有安全保障。基于这一目的，研制面向家用天然气监测的报警器，要求不仅具有较好的报警功能，而且具有较好的可靠性和稳定性，对于保证家庭燃气的安全使用具有重要意义。通过市场调研，我们发现国内市场上销售的天然气报警器在设计上存在一定的局限性。主要问题包括：传感器的长期稳定性需要提高；报警逻辑需要改进，目前国内主要采用一段报警逻辑，而国际上主要是采用两段报警逻辑，包括预报警和报警，这样可以在低浓度范围内对泄漏气体进行预报，可以防止气体的分布不均匀和浓度突变所造成的爆炸事故；缺少报警器故障诊断功能，不利于报警器维护和正确使用。本论文针对常见的可燃性气体CH₄，以接触燃烧式甲烷传感器和微控制器为核心设计了CH₄报警器。本论文设计的CH₄报警器通过微控制器控制调理电路的参考端电压，使输出电压在0.5V至2.8V之间，便于控制器内部集成的AD转换器进行模数转换，采集环境中的甲烷浓度数据，将其与预先设定的报警阈值比较，判断报警与否。如果其浓度超过阈值，则微控制器将根据逻辑算法，执行报警程序，驱动声光报警模块，以简明方式发出声光报警。此外，通过完善报警器的软硬件设计，使报警器具有系统故障诊断功能，同时，为了报警器系统升级的需要，预留通信接口。报警器的硬件系统主要有以下模块构成：甲烷传感器模块、甲烷传感器驱动电路模块、甲烷传感器信号调理电路模块、模数转换电路模块、系统中央控制单元模块、报警功能测试按键及声光报警单元模块等在软件设计方面，运用模块化的设计方法，将给系统升级和维护带来方便。系统程序主要包括以下模块：报警系统故障自诊断功能模块、甲烷浓度实时采集功能模块、甲烷浓度数据处理功能模块及系统报警逻辑判断功能模块等。系统的故障诊断功能模块是通过对甲烷传感器的输出电压实时采集并判断其是否在正常范围内来实现；甲烷浓度实时采集功能模块是将甲烷传感器输出的电压值经过信号调理电路处理后，通过模数转换器将模拟电压信号转换成数字电压信号；甲烷浓度数据处理功能模块主要采用均值滤波的数字滤波方法，对所采集的信号进行除噪，保证所采集数据的准确性和可靠性。系统报警逻辑判断功能模块将根据采集到的甲烷浓度数据，判断是否需要生成报警，如果系统生成报警，则通过一段时间内的持续采集，对报警进行确认，如果环境中的甲烷浓度确实超过了报警阈值，则由微控制器构成的系统中央控制单元模块将驱动声光报警模块，根据预先设定的语音提示音和光学报警方式发出声光报警。系统采用两级报警方式，选用10%LEL（Lower ExplosionLimited）作为一级报警阈值，20%LEL作为二级报警阈值。另外，论文还讨论了在设计过程中遇到的报警器电磁兼容性问题，并通过分析可能的干扰源和干扰途径，提出了旨在提高报警器稳定性与可靠性的方法。论文最终完成了报警器的原理设计、印制电路板的制作、报警器样机的焊接及调试，实现了设计所要求的基本功能，并完成了最终设计。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
第一章绪论  10-13
  1.1 CH_4报警器的研究背景  10
  1.2 甲烷报警器的研究目的和意义  10-11
  1.3 甲烷报警器的国内外研究现状  11-12
  1.4 本论文的主要研究内容  12-13
第二章 CH_4报警器的设计方案  13-16
  2.1 CH_4报警器的概述  13
  2.2 CH_4报警器的设计思路  13-14
  2.3 总体设计方案  14-16
第三章 CH_4报警器的硬件设计  16-34
  3.1 系统电源模块  16
  3.2 气体传感器的选择  16-23
    3.2.1 气体传感器工作原理  16-19
    3.2.2 MC105 的原理及特性  19-23
  3.3 微控制器的选择及其最小系统的设计  23-25
    3.3.1 微控制器的选择  23-25
    3.3.2 STM32F103RBT6 外围电路  25
  3.4 传感器驱动电路及信号采集电路  25-27
    3.4.1 MC105 驱动电路  25-26
    3.4.2 MC105 信号采集电路  26-27
  3.5 传感器信号调理电路  27-31
    3.5.1 仪表放大器 AD8251 简介  27-28
    3.5.2 数字电位器 MAX5481 简介  28-29
    3.5.3 集成运算放大器 LM358 简介  29-31
  3.6 A/D 转换器的选择  31
    3.6.1 微控制器集成模数转换器简介  31
  3.7 声光报警单元  31-34
    3.7.1 WT588D 语音单片机简介  32-33
    3.7.2 W25Q80 FLASH 存储器简介  33
    3.7.3 声光报警表现形式  33-34
第四章 CH_4报警器的软件设计  34-43
  4.1 系统的软件框图  34
  4.2 系统主程序  34-35
  4.3 传感器状态监测及故障诊断  35-38
  4.4 信号调理电路控制  38-39
  4.5 气体浓度采集  39-41
  4.6 传感器数据处理  41
    4.6.1 数字滤波  41
  4.7 报警逻辑  41-43
第五章报警器电磁兼容性讨论  43-46
  5.1 甲烷报警器的干扰源  43-44
  5.2 抑制电磁干扰的主要措施  44-46
第六章报警器样机综合调试  46-47
结论  47-49
参考文献  49-51
致谢  51-52
作者简介  52

基于接触燃烧式CH_4传感器的报警器研制

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