毕业设计开题答辩报告...doc

便携式油气浓度检测装置

开题报告

姓 名：胡 慧

专 业：测控技术与仪器

学 号：1107010103

指导老师：葛 亮

一、设计背景及意义
目前，随着全球经济高速发展，石油、天燃汽等能源在工业、汽车和化工等多个领域得到广泛应用。在使用过程中，油品及天然气的易燃、易爆、腐蚀性、有毒性以及挥发性极易酿成火灾、爆炸和人员中毒等安全事故。尤其是在油库、加油站、加气站等石油、天然气的储存和加注场所，然而事故发生的主要原因是没有更加先进的油气浓度检测设备来代替技术落后的检测设备，以至不能提供准确的检测结果并及时报警。因此，一种可靠性较好，检测范围较大，信息提示较为准确的便携式油气浓度检测装置的研制就显得尤为重要。
二、系统设计及方案论证
1.系统框图
系统框图设计如图所示
LCD显示
偏心振子
蜂鸣器
不报警
LED
放大电路
单片机
报警
测量信号
A/D转换
复位

设计思想：该便携式油气浓度检测装置是一种运用传感器、集成电路、放大电路、A/D转换器、单片机以及微型计算机控制组成的成熟技术手段。该仪器是利用催化燃烧式气敏传感器对现场油气浓度进行采集，输出的微弱电压信号通过放大电路进行放大后，将该放大后的模拟信号通过A/D转换器转换层数字信号，此转换过程通过单片机控制，最终传输给计算机进行数据处理，用LCD显示出来。可及时、精确测量并显示油气的爆炸下限百分比浓度(%LEL)值、油气的体积百分比浓度(%VOL)值、油气的爆炸下限百分比浓度峰值。当油气浓度达到预设的浓度报警阈值，则蜂鸣器、LCD显示屏及偏心振子发出声光振动起到报警作用。该检测仪具有好的稳定性，高的灵敏度，较高水平的响应时间，恢复时间。为了达到方便携带，就需要装置的体积小、重量轻。
2．方案论证
（1） 传感器
定义：是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
特点：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。
分类（根据其基本感知功能）：热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。
气体传感器是一种将气体的成份、浓度等信息转换成可以被人员、仪器仪表、计算机等利用的信息的装置！气体传感器一般被归为化学传感器的一类，尽管这种归类不一定科学。
方案一 接触燃烧式气体传感器 
这类传感器可分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式气体传感器。其工作原理是：气敏材料在通电状态下，可燃性气体氧化燃烧或在催化剂作用下氧化燃烧，产生的热量使电热丝升温，从而使其电阻值发生变化，测量阻值变化从而测量气体浓度。接触燃烧式气体传感器在环境温度下非常稳定，并能对爆炸F限的绝大多数可燃性气体进行检测，普遍应用于石化工厂、造船厂、矿井隧道、浴室、厨房等处可燃性气体的监测和报警。这类传感器只能测量可燃性气体，对不可燃性气体不敏感。在燃气爆炸下限内输出为线性、只与燃气浓度成正比、温度和湿度的变化对其工作状态影响很小、选择性好、反映准确、精度高、再现性好。其不 足的是催化剂寿命有限，当在可燃性气体与空气的混合物中有硫化氢等含硫物质的情况下，则有可能在无焰催化燃烧的同时，有些固态物质附着在催化元件表面，阻塞载体的微孔，从而引起响应缓慢，反应滞缓或中毒，使灵敏度降低。
方案二 半导体式气体传感器 它是利用一些金属氧化物半导体材料，在一定温度下，电导率随着环境气体成份的变化而变化的原理制造的。比如，酒精传感器，就是利用二氧化锡在高温下遇到酒精气体时，电阻会急剧减小的原理制备的。 半导体式气体传感器可以有效地用于：甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、酒精、甲醛、一氧化碳、二氧化碳、乙烯、乙炔、氯乙烯、苯乙烯、丙烯酸等很多气体地检测。尤其是，这种传感器成本低廉，适宜于民用气体检测的需求。 下列几种半导体式气体传感器是成功的：甲烷（天然气、沼气）、酒精、一氧化碳（城市煤气）、硫化氢、氨气（包括胺类，肼类）。高质量的传感器可以满足工业检测的需要。
在本次设计研究中选择催化燃烧式气体传感器，其计量准确，响应快速，寿命较长，价格便宜。传感器的输出与环境的爆炸危险直接相关，同时克服半导体式气体传感器稳定性较差，受环境影响较大等缺点，在安全检测领域是一类主导地位的传感器。
该检测仪选用催化燃烧气敏传感器MC105，其特点如下：
1)元件工作稳定、可靠；
2)具有良好的重复性、选择性；
3)响应速度快；
4)桥路输出电压呈线性；
5)优异的抗H2S、有机硅中毒能力。
（2） 放大电路
定义：放大电路（amplification circuit）能够将一个微弱的交流小信号（叠加在直流工作点上），通过一个装置（核心为三极管、场效应管），得到一个波形相似（不失真），但幅值却大很多的交流大信号的输出。实际的放大电路通常是由信号源、晶体三极管构成的放大器及负载组成。
方案一 差分放大电路
差分运算放大电路如图所示。

差分运算放大电路
由虚短、虚断的概念有，VI=i1=0，所以(Vs1-Vn)/R1=(Vn-Vo)/Rf,及(Vs2-Vp)/R2=Vp/R3,由于Vp=Vn，可得出Vo=[(R1+Rf)/R1]·[R3/(R2+R3)]·Vs2-(Rf/R1)·Vs1，当取R3/R2=Rf/R1，则上式简化为Vo=Rf/R1·(Vs2-Vs1)。
差分运算放大电路对共模输入信号有很强的抑制能力，对差模信号却没有多大的影响，因此差分放大电路一般做集成运算的输入级和中间级，可以抑制由外界条件的变化带给电路的影响，如温度噪声等。
缺点是存在共模输入电压。应当选择共模抑制比较高的集成运放因以保证运算精度。差分式放大电路也广泛应用于检测仪器中，可以用多个集成运放构成性能更好的差分式放大电路。
方案二 同相比例运算电路如图所示。

同相比例运算电路
根据虚短、虚断的概念有Vp=Vn=Vs，i1=if,Vp=R1·Vo/(R1+Rf)，所以可以得到Vo=（1+Rf/R1）·Vs。
同相比例运算电路的特点如下:
(1)输入电阻很高，输出电阻很低。
(1)由于vN= vP= vS，电路不存在虚地（因为N点的电压被流过R1的电流i1抬高了），且运放存在共模输入信号（因为V+ ↑时有V- ↑，V+ ↓时有V-↓），因此要求运放有较高的共模抑制比。放大器选用的是AD620，其管脚示意图所示：

AD620管脚图
综上所述，因为传感器测量电路的电压信号是电桥输出以及输出信号与浓度的关系，该检测仪应该选用差分式放大电路对信号进行放大。
调试时，要注意放大器的共模抑制比。因此放大器选择AD620。
（3） A/D转换器
由于传感器的输出信号经过差分放大电路放大后输出的是模拟信号，需要应用A/D转换器将其转换为数字信号才能在LCD上显示。A/D转换器亦称“模拟数字转换器”，简称“模数转换器”。将模拟量或连续变化的量进行量化（离散化），转换为相应的数字量的电路。转换精度与转换速度是衡量A/D转换器的重要技术指标。
方案一 双斜积分式A/D转换器（如：ICL7109）
双斜积分式A/D转换器对周期性和随机的噪声干扰有较好的抑制能力。且其工作是连续的，可大大降低对滤波电路的要求，但次转化器的成本较高。
方案二 逐次逼近式A/D转换器（如ADC0809、ADC0808）
逐次逼近式A/D转换器在转化过程中配合采样/保持器使用，其精度大大的提高，能耗较低，是理想的高速、省电型A/D转化器。
在转化过程中，由于存在量化误差和偏移误差的影响，精度会有所下降。所以在选择A/D转换器之前，明确本设计的精度要求。量化误差对于精度的影响是可计算的，主要取决于A/D转换器的位数。理论上可以不断增加转化器的位数而提高精度，但事实上还有A/D转换器前端电路也制约着其精度。考虑到A/D转换后的精度不会超过传感器输出信号精度。本装置选用8位A/D转换器ADC0809，能满足本设计的要求，节约系统成本。其管脚图如图所示：

ADC0809管脚图
（4） 单片机
单片机（Microcontrollers）是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。
方案一 51系列单片机（AT89S51）
方案二 52系列单片机（STC89C52）
52单片机比51单片机多个定时器，RAM 51单片机是128，52单片机是256。S52比C51的定时器多一个T2，52单片机的RAM多128B，ROM多4K，中断多2个，多一个看门狗,在掉电、数据指针等方面还有一些改进。S52的最高外接晶振可以达到33MHz，C51大概只有24MHz。总的来说52是51的增强型。
因此选用52系列单片机作为该检测仪的控制器更为经济，合理。选用STC89C52单片机。其管脚图如图所示；

STC89C52引脚图
（5） 测量值的显示
该装置是经A/D转换器,将传感器的输出模拟信号转换为数字信号后,再通过单片机对这些数字信号进行处理,最后在LCD数字显示屏上显示出油气浓度值,为了使油气浓度的检测提示信息更为准确,可靠性较好，选择LCD数字显示屏。
三、系统硬件框架及模块简介
1.系统硬件框架
2 模块简介
（1）单片机模块
作用：通过程序控制 A/D 转换器的输入与输出，并对输入内部的数据进行处理送入PC 机。
说明：STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash存储器。拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
主要性能：
◆K字节程序存储空间；
◆512字节数据存储空间；
◆内带4K字节EEPROM存储空间；
◆可直接使用串口下载；
◆AT89S52单片机；
◆8K字节程序存储空间；
◆256字节数据存储空间；
◆自带2KB的EEPROM存储空间。
1）片机的最小系统
单片机最小系统的电路中包括了单片机的复位电路，时钟电路。两个电路源、复位、振荡电路以及扩展部分等部分组成。
2）单片机的P0口及其功能
下图画出了P0口的某位P0.n的结构图，它由一个输出锁存器、两个三态输入缓冲器和输出驱动器及控制电路组成； 
由于P0口既可以作为通用I/O口使用，又可以作为地址/数据总线使用，所以在P0口的 电路中有一个多路转换开关MUX。在内部控制信号的作用下，多路开关MUX可以分别接通锁存器输出和地址/数据总线。

当P0口作为I/O口使用时，CPU内部发控制电平0封锁与门，将输出上拉场效应
管T1截止，同时使多路开关MUX把锁存器的Q非端与输出场效应管T2的栅极接通。
当P0口作为输出口使用时，内部总线与P0口同相位。写脉冲加在D触发器的CL上，内部总线就会向端口引脚输出数据。由于输出驱动级是漏极开路电路，故需要加上拉电阻。
当P0口作为输入口使用时候，具有读引脚和读端口两种情况，因而端口中设有两个三态输入缓冲器用于读操作。下面一个缓冲器用于读端口引脚处数据，当执行一条由端口输入的指令时候，读脉冲把该三态门打开，这样端口引脚处数据经过缓冲器进去内部总线。这类操作由直接传送类指令实现。在端口有输出口转变为输入口的时候，必须先向对应的锁存器写1，使FET管子截止，这样做是为了防止T2导通后把该引脚嵌位到低电平。
读端口是通过上面的缓冲器读锁存器Q端的状态。目的是为了适应对端口的“读-写-改”指令的需要。这个操作是CPU自动进行的。
在扩展系统中，P0口作为低八位地址线，数据线使用，可分为两种情况。一种是以P0口引脚输出地址/数据信息。这时候CPU内部发控制电平1，打开与门，同时使多路开关MUX把CPU内部地址数据线与T2栅极反相接通。从图上可以看出上下两个FET处于反相。构成了推拉式的输出电路，驱动能力大大增加。P0口的输出级可以驱动8个LSTTL负载。另外一种情况是有P0口驶入数据，这时候输入信号是从引脚通过输入缓冲器进入内部总线的。
（2）催化燃烧式气敏传感器MC105
说明：其外形如图所示。

特点：
◆ 路输出电压呈线性；
◆ 应速度快；
◆ 有良好的重复性、选择性；
◆ 件工作稳定、可靠 ；
◆ 异的抗H2S、有机硅中毒能力。
（3）数字温度传感器DS18B20
说明：有一个由高低电平触发的可编程的不因电源消失而改变的报警功能。DS18B20通过一个单线接口发送或接受信息，因此在中央处理器和DS18B20之间仅需一条连接线（加上地线）。它的测温范围为-55～＋125℃，并且在-10～＋85℃精度为±5℃。除此之外，DS18B20能直接从单线通讯线上汲取能量，除去了对外部电源的需求。
作用：该装置只需要显示温度，相对于传统的温度传感器，DS18B20作为编程分辨率单总线数字温度传感器，可以使电路大大的简化，不需对输出信号进行放大，不需再进行A/D转换。此传感器可以很容易直接读取被测温度值，以满足设计要求。如图为温度传感器DS18B20的管脚图。

（4）信号调试模块
作用：采用差分放大的方式将催化燃烧式气敏传感器MC105的测量电桥输出电信号进行放大。
说明：
◆ AD620主要技术指标列表如下：
◆ 宽:800MHz；
◆ 出功率:2.4mW；
◆ 率增益：120dB；
◆ 作电压：±15V；静态功耗：0.48mw ；
◆ 人失调电压：≤60 V ；转换速率：1.2V／μS；
◆ 装形式：DIP8；
◆ 作温度范围：-55℃～+125℃
（5）A/D转换器
作用：将模拟信号转化为适合于传输的数字信号。
说明：ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。
ADC0809应用说明：
◆ADC0809内部带有输出锁存器，可以与单片机直接相连。
◆初始化时，使ST和OE信号全为低电平。
◆送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。
◆在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。
◆是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。
◆当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。
（6）显示模块
作用：通过单片机对这些信号进行处理，最终显示出油气的爆炸下限百分比浓度值(%LEL)、油气的体积百分比浓度(%VOL)值、油气的爆炸下限百分比浓度峰值，还有温度值。
（7）声光震动报警
作用：当检测的油气浓度值超过设定的阈值上线，报警器就会发生报警。
说明：报警器开始报警，伴随着声音、光和震动。报警模块采用LED、蜂鸣器和偏心振子。如图所示为蜂鸣器报警电路的工作原理，电路主要由一个电阻，一个NPN三极管，一个蜂鸣器组成，接在89C51的P1.7口。

（8）电源模块
本装置要求传感器MC105 3V供电，AD620±15V供电，ADC0809 、STC89C52 、LCD12864都是 +5V供电。根据设计要求选用15V的供电电池，再用两个降压模块分别降到传感器的3V，以及A/D转换器的5V，选用降压模块LM2596S，来获取所需要的电压。

由于AD620需正负电源供电，需要另外一块电源模块DC－DC DY05D15-1W 5V转正负15V。该电源模块的功能就是将+5V电压转换成正负15V电压输出。引脚功能如表所示。
引脚方式
引脚
单路
正负双路
1
VIN
VIN
2
GND
GND
3
0V
-V0
4
No Pin
0V
5
+V0
+V0
DC－DC DY05D15-1W 5V转正负15V引脚功能
四、系统软件
被测气体
传感器
ADC0809转换
STC89C52单片机
LCD显示气体浓度
判断是否报警
不报警
报警
1、系统主程序设计

原理：该便携式油气浓度检测装置是一种运用传感器、集成电路、放大电路、A/D转换器、单片机以及微型计算机控制组成的成熟技术手段。该仪器是利用催化燃烧式气敏传感器对现场油气浓度进行采集，输出的微弱电压信号通过放大电路进行放大后，将该放大后的模拟信号通过A/D转换器转换层数字信号，此转换过程通过单片机控制，最终传输给计算机进行数据处理，用LCD显示出来。
2、采集流程图如图

电压+5V
开始转换
（START=1）

输入电信号
数据采集
等待转换
EOC=0？

是
否

原理：ADC0809首先通过默认通道IN0输入传感器产生的电信号，同时外部电压进入ADC0809。然后START信号由低到高，在脉冲的下降沿ADC0809开始转换，同时判断EOC状态是否等于0，若等式成立，表示转换正在进行，每个时钟CLK的脉冲转换一位，否则继续等待重新判断。转换完成后，EOC自动变高，这时OE=1,转换器输出转后的数字量，数据输出完成后，OE=0输出数据线呈高组态，即数据采集完成，返回初始状态进行下一次转换。
3、编程软件KEIL的介绍
作用：Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。
说明：Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，C51工具包中的uVision是C51 for Windows的集成开发环境(IDE)，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。然后分别由C51及A51编译器编译生成目标文件(.OBJ)。目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件(.ABS)。ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。
4、Protues介绍
作用：
1．原理布图
2．PCB自动或人工布线
3．SPICE电路仿真
说明：
Proteus软件是英国Lab Center Electronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前比较好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。
5、数据显示
LCD主程序流程图

开始
判忙
关显示指令
判忙
清单个字子程序
汉子显示子程序
清全屏子程序
开显示指令
结束
是
否
否
是

五、预期结果
（1）完成系统软件的仿真。
（2）完成硬件实物的制作。
（3）可及时、精确测量并显示油气的爆炸下限百分比浓度值（%LEL）、油气的体积百分比浓度(%VOL)值、油气的爆炸下限百分比浓度峰值。
（4）能够在达到气体的爆炸下限时实现声、光、震动报警，并且在液晶显示屏上可显示出检测出的气体浓度。
（5）体积小、重量轻，以达到便随身携带。
六、 设计进程
1. .查阅、收集资料,阅读及翻译英文文献形成报告，并完成开题报告(2009.4.3—4.6
2.学习掌握相关知识，设计硬件和软件系统（2009.4.6—4.12）
3.进行硬件电路的详细设计与制作（2009.4.13—5.7）
4.应用汇编语言编写单片机程序，并开发计算机端监控软件（2009.5.8—5.31）
5.硬件和软件联机调试（2009.6.1—6.7）
6.完成毕业设计论文，并准备答辩资料（2009.6.7—6.15）
7.论文提交，评阅(2009.6.16—6.23)
8.毕业设计答辩 2009.6.24—6.27
七、参考文献
[1]单片机的发展与应用[J] 张丽. .科技咨询导报 , 2007(27).

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