气敏传感器信号采集系统设计毕业论文.doc
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1、中北大学信息商务学院2016届毕业设计说明书气敏传感器信号采集系统设计摘 要:随着电子领域的快速发展,采用电子设备探测气体引起了人们的广泛关注。由于年龄、经验、环境、身体状况等因素会存在一定的主观性,采用人或者其他动物对瓦斯、有毒气体、酒精、天然气等气体的检测,影响其判断力,而采用电子设备,利用传感器检测气体后经过A/D转换,再由MCU对其进行处理,能够得知气体浓度,对不良或者超标的检测结果进行报警灯功能,电子检测仪能高效的完成任务。由此被广泛应用于能源化工、环境污染检测、医疗、工业生产和交通等行业。本文以AT89C51单片机为控制核心,设计了一套气敏传感器信号采集装置。气体采集的传感器采用M
2、JC4/3.0L瓦斯检测传感器;A/D转换模块采用ADC0809将传感器检测到的电压进行数字化传送给MCU处理;运算放大器采用OP07模块;显示采用LED数码管,其驱动为MAX7219串行输入/输出共阴显示驱动;电源模块采用的是LM317稳压芯片。关键词:气敏传感器;AT89C51;A/D转换;数码管显示第 35 页 共 39 页Design of Gas Sensor Signal Acquisition system窗体底端Abstract:Along with the rapid development of the electronic field, adopting electron
3、ic equipment to detect gas has aroused extensive attention. Due to the subjectivity of age, experience, environment, healthy conditions, the detection of gases like gas, toxic gas, alcohol and natural gas practiced by people or animals will affect the accuracy of judgments, while electronic devices
4、like sensors are adopted to detect gases. After the A/D conversion, gases are processed by MCU that can recognize the concentration of gases and show the alarm lamp for adverse or excessive results, so electronic detector can efficiently complete tasks. This method is widely employed in the energy a
5、nd chemical industry as well as industries of environmental pollution detection, medical treatment, industrial production and transportation.Taking single chip Microcomputer of AT89C51 as the control core, this paper will design a set of signal collection devices with gas sensors. The sensor used fo
6、r collecting gases is the gas detection sensor of MJC4/3.0 L; A/D conversion module utilizes ADC0809 to transmit digitized voltage detected by sensors to MCU. Operational amplifier is OP07 module and the display device uses LED digital tube whose display driver is serial input/output common cathode
7、of MAX7219. Power module is LM317 voltage chip.Key words: Gas sensor; AT89C51; A/D conversion;Digital display目 录摘要IAbstractII目 录III1 引言111 选题背景112 国内外发展现状113 本文设计方案22 气敏传感器原理及MCU选择32.1 气敏传感器32.2 MJC4/3.0L气体检测传感器32.3 MJC4/3.0L气体检测传感器技术指标42.4 系统MCU介绍43 系统硬件电路设计63.1 单片机最小系统63.2 运算放大电路83.3 A/D采样电路103.4
8、数码管显示电路及其驱动103.4.1显示器结构与原理以及显示方式103.4.2 显示驱动器MAX7219113.5 电源模块123.6 报警电路144 系统软件设计155 仿真结果分析17致 谢18参 考 文 献19附录 A Protues仿真图21附录 B 系统原理图22附录 C PCB Top Layer23附录 D PCB Bottom Layer24附件 E 系统主要程序251 引言 11 选题背景天然气主要存藏于地下多岩层的空隙中,包括油田气、气田气、煤层气、泥火山气和生物生成气等,也有少量出产于煤层。天然气是优质的燃料和化工原料。它的主要用途是作为燃料,也可用于制造炭黑、化学制以及
9、生产液化石油气,天然气生产的丙烷、丁烷是现代工业的重要原料。天然气主要由气态低分子烃和非烃气体混合组成。天然气主要成分烷烃,其中甲烷占绝大多数,另有少量的乙烷、丙烷和丁烷,此外一般有硫化氢、二氧化碳、氮和水气和少量一氧化碳及微量的稀有气体,如氦和氩等。天然气在送到最终用户之前,为助于泄漏检测,还要用硫醇、四氢噻吩等来给天然气添加气味。天然气不溶于水,密度为0.7174kg/Nm3,相对密度(水)为约0.45(液化)燃点()为650,爆炸极限(V%)为5-15。在标准状况下,甲烷至丁烷以气体状态存在,戊烷以上为液体。甲烷是最短和最轻的烃分子。有机硫化物和(HS)是常见的杂质,在大多数使用天然气的
10、时候都必须预先把杂质去除。然而在工业应用或者家用的天然气装置因某些因素会发生泄漏,当泄漏的气体达到一定浓度后,遇到明火或者高温,会产生爆炸或者剧烈燃烧,对人身和财产安全造成很大的隐患。因此设计一套电子气体检测装置,有利用解决以上安全隐患问题。12 国内外发展现状气敏传感器主要用于检测某些环境下气体的成分和浓度,由于检测现场的温度和湿度等各项条件具有很多不确定因素,有时检测的环境比较恶劣,所以对气敏传感器的稳定性、响应速度、敏感度、重复使用性等性能要求很高。不过由于所检测的气体种类具有多样性,而且其物理特性也各不相同,因此不可能采用同一种性能的传感器来检测不同种类的气体,所以气敏传感器的也分很多
11、种类,譬如根据气体之间相互作用时产生不同的变化,可分为表面控制型和体控制型。表面控制型传感器原理是当半导体的表面吸附的气体和半导体之间发生电子交换,由此使半导体的导电率等物理性质发生变化,不过传感器内部的化学成份不会变化;体控制型传感器原理是半导体与气体发生化学反应,使半导体内部成份发生化学变化,从而使导电率发生变化。从技术发展的角度来看,根据传感器原理及其应用环境的不同,所应用的领域和检测装置结构也有所不同,不过其共同点是多采用了以单片机为控制核心,把传感器采集到的信号转化为电信号,再由A/D转换为数字信号送往单片机进行分析处理。国外在应用半导体和催化原理的气体检测仪器上处于较领先水平,目前
12、国内也相继研制出了能应用多个行业的不同种类的气体检测装置。随着制造工业的成熟和新材料的研发,传感器的成本也在逐渐降低,这有利于促进电子检测装置的发展。超大规模集成电路技术的不断提升,使得单片机的发展迅猛,由最初的4位、8位字长,发展到现在的16位、32位字长,大大促进了数字化发展进程。在我国,智能化仪器仪表中,单片机以其高性能、低成本、高效率等特点,被广泛使用1。13 本文设计方案针对天然气泄漏的检测装置,传统方式上采用较多的是化学检测方法,比如分光光度计、化学滴定和色谱分析等。但是这些化学检测方法不仅耗费时间和劳动力,且大大降低了检测效率、成本也过高。随着电子设备的快速发展和传感器技术的提升
13、,基于单片机的气体检测装置应运而生,并且在测试精度、范围、稳定性等标准上达到实际应用要求。本文以AT89C51单片机为控制核心,设计了一套天然气检测装置。系统采用模块化设计方案,主要包括电源、A/D转换、按键、LED显示、报警等。软件编程是在Keil uVision4环境下,采用C语言编写。2 气敏传感器原理及MCU选择2.1 气敏传感器气体传感器是组成气体传感器信号采集系统的核心元器件,其性能在整个系统中起着至关重要的作用。气体传感器就是能够感知被测环境中气体成分的一种敏感行元器件,它将气体的种类及其浓度的相关信息转化为电信号,再根据这些电信号的强弱就可获得与待测气体在环境中存在情况有关的信
14、息,从而可以进行检测、监控、报警,有些气体传感器还能通过接口电路与PC组成电子自动检测控制、显示检测数据和报警的系统。从本质来说,气体传感器是一种将检测到的某种气体浓度转化成为MCU和识别信号并进行数据处理转化器。它是对气体做定量和定性检测的必备元器件。气敏传感器是化学传感器分类汇总一个比较大的门类2。从所采用原材料到加工工艺,从工作原理到测量技术,从检测对象到应用领域,都可视为一个独立的分类标准,衍生出一个庞大复杂的分类体系,在分类上目前还没有统一标准。按照气敏传感器采用的材料和气敏传感器特征的不同,可分为半导体、电化学和聚合物气体传感器等类型3。2.2 MJC4/3.0L气体检测传感器适宜
15、制成半导体气体传感器的材料主要是金属氧化物。图2-1为MJC4/3.0L催化燃烧式气敏传感器的外形结构图。图2-1 MJC4/3.0L外形结构图其检测电路如图2-2所示。黑元件是载体催化燃烧式元件,当甲烷气体在元件表面与氧气产生无焰燃烧时,电桥失去平衡,输出一个电压信号,白元件是补偿元件,基本结构和技术参数与黑元件相同,但表面不涂镀催化剂,所以它不掺入低温燃烧。图2-2为MJC4/3.0L传感器电路原理图。图2-2 MJC4/3.0L传感器电路原理图2.3 MJC4/3.0L气体检测传感器技术指标MJC4/3.0L气体检测传感器技术指标如表2-1所示:表2-1 MJC4/3.0L气体检测传感器
16、技术指标工作电压(V)3.00.1工作电流(mA)12010灵敏度1%甲烷20401%丁烷30501%氢气2545测量范围(%LEL)0100响应时间(90%)小于10秒恢复时间(90%)小于30秒使用环境-40+70外形尺寸(mm)81014长期稳定性:在空气中每年漂移小于2个mV,在1%CH4中每年漂移小于2个mV4。短期储存(两周内)30分钟即可稳定,如长期储存(一年),则需老化5小时才可稳定6。2.4 系统MCU介绍ATMEL的AT89C51是一种将多功能8位CPU和闪速存储器组合在单个芯片中的高效微控制器。AT89C051是它的一种精简版本8。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统
17、提供了一种灵活性高且价廉的方案9。图2-3系列单片机DIP封装图给出了双列直插式封装(DIP. Dualln-line Package), DIP封装与MCS一51系列单片机的引脚完全兼容,可互换使用。外形及引脚排列如图2-3所示。图2-3 AT89C51DIP封装引脚排列3 系统硬件电路设计气敏传感器信号采集系统主要由电源模块、气敏传感器及其适配电路、A/D转换模块、复位电路、显示模块、报警电路等模块组成。系统工作流程:气体信号检测电路由气敏传感器和信号运算放大电路组成,将传感器采集到的气体信号转化为模拟的电信号;A/D模数转换模块将气体检测电路送出的模拟信号转换成单片机可识别的数字信号后再
18、送入单片机;单片机对该数字信号进行处理分析,判断气体含量是否超过预设值,如果超标则报警电路启动,反之则判断为正常状态;同时在LED灯上显示天然气浓度并存储数据;复位电路可以防止系统“跑飞”,按下复位按键后,MCU重新执行程序。图3-1为系统总设计方案。图3-1为系统总设计方案框图。图3-1 系统总设计方案框图3.1 单片机最小系统本设计中单片机的最小系统由AT89C51、12M晶振、两个33pf电容、10K电阻、复位开关组成。如图3-2所示。电路中的晶振即石英晶体震荡器。由于石英晶体震荡器具有非常好的频率稳定性和抗外界干扰的能力,所以石英晶体震荡器可用来对单片机产生基准频率7。通过基准频率来控
19、制电路中的频率的准确性。同时,它还可以产生振荡电流,向单片机发出时钟信号。片内电路与片外器件就构成一个时钟产生电路,CPU的所有操作均在时钟脉冲同步下进行。片内振荡器的振荡频率非常接近晶振频率,一般多在1.2MHz24MHz之间选取。C1、C2是反馈电容,其值在20pF100pF之间选取。本电路选用的电容为33pF,晶振频率为12MHz18。振荡周期1/12s; 机器周期Sm=1s 指令周期T14sXTAL1接外部晶体的一个引脚,XTAL2接外晶体的另一端。在单片机内部,接至上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡器时,对HMOS单片机,该引脚接外部振。在石英晶体的两个管脚加交变电场时,它
20、将会产生一定频率的机械变形,而这种机械振动又会产生交变电场,上述物理现象称为压电效应。一般情况下,无论是机械振动的振幅,还是交变电场的振幅都非常小。但是,当交变电场的频率为某一特定值时,振幅骤然增大,产生共振,称之为压电振荡。这一特定频率就是石英晶体的固有频率,也称谐振频率。石英晶振起振后要能在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波,以便使片内的OSC电路按石英晶振相同频率自激振荡。在上电或复位过程中控制CPU的复位状态,这段时间内让CPU保持复位状态,而不是一上电或刚复位完毕就工作,防止CPU发出错误的指令,执行错误操作,也可以提高电磁兼容性能。无论使用哪种类型的单片机,总要涉及到单片机复位
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