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2、： 曰期：年 6月 今 曰 基于接触燃烧式 CH4传感器的报警器研制 Development of CH4 Gas Alarm Based on Contact Combustion Type Sensor 作者姓名：杨发盛 专业名称：电路与系统 指导教师：郑杰教授 学位类别：工学硕士 答辩日期： 2013年 6 月 4 日 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増长，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
3、高速増长，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
4、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勻和 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，
5、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 1 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
6、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
7、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。系统米用两级报警方式，选用 10% LEL (Lower Explosion Limited)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。 关键词： CH4检测报警微控制器 2 Abstract In recent years, with t
8、he rapid development of the national economy, the countrys energy consumption is also rapid growth, but traditional energy sources of coal, oil, low utilization due to the presence of the high pollution damage to the environment at the same time, also caused a huge waste of energy, a clean and effic
9、ient gas to become the ideal alternative energy for several years. As the proportion of national energy consumption structure and consumption to maintain rapid growth, gas is being used more and more widely in national product life. These features greatly facilitate the daily lives of people, to mee
10、t the needs of the industrial production, but in actual use, natural gas requires very stringent storage and transport conditions, otherwise it will leak hidden dangers exist, likely to cause accident, such as a fire or even explosion. This greatly threaten peoples lives. Therefore, to developing a
11、gas alarm for home using will be very useful and have practical significance. Through market research, we found that most of the alarm saled on the domestic market have some limitations in their design, such as the long stability of gas sensor need improving , gas alarm software function is too simp
12、le to meet the need of home using. These alarm usually use only one level threshold to judge whether the gas concentration reach the explosion limit Doing so ignored the danger of low concentrations of gas,leaving a lot of security risks. For example, if gas leak unevenly distributed, although the o
13、verall average concentration does not reach the explosive limit, but may accumulate, the local space explosion is likely to exceed the limit, there is a huge security risk, easily lead to explosions and other safety incidents, threaten to peoples lives and property safety seriously. In this paper, w
14、e design an CH4 alarm based on contact combustion type sensor. In this paper ,we designs CH4 alarm controled by microcontroller,and reference terminal voltage outputed by the signal conditioning circuit, guarantee the conditioning circuit output voltage between 0.5V to 2.8V, so that AD converter int
15、egrated in microcontroller can easily accomplish the analog-to-digital conversion,and then 3 acquisition environment methane concentration data, compared with the pre-set alarm thresholds, if the concentration exceeds the threshold, the microcontroller will perform alarm program that is driven sound
16、 and light alarm module, a concise way of issuing voice tone and optical alarm based on logic algorithms. In addition, with the perfect alarm hardware and software design, the alarm system can diagnose some problem and give information to user.In order to upgrade the system ,we set an communication
17、interface which can connect to PC. The alarm include the following modules:the methane sensor, the methane sensor driver circuit, methane sensor signal conditioning circuit, analog-to-digital conversion circuit, the system central control unit, alarm function test button light and sound alarm unit.
18、In software design of alarm, we design software into different modules to make system updata and maintain easily. System software include following parts:alarm system malfunction self-diagnostic function module, the methane concentration in real-time acquisition of functional modules methane concent
19、ration data processing function module and system alarm logic to determine the functional modules. System fault diagnosis function module is a real-time collection and determine whether within the normal range outputed by the methane sensors; With the filter of the digital filtering method, microcon
20、troller get the gas concentration from the signal sensor outputed, then system judge whether to generate an alarm. The system uses two alarm mode, choose 10% LEL (Lower Explosion Limited) as a first alarm threshold and choose 20% LEL as second alarm threshold. In addition, the paper also discusses t
21、he alarm electromagnetic compatibility problems in the design stage, proposed to improve the stability and reliability of the alarm. Finally, we complete the principle design of the alarm, the printed circuit board, the prototype welding and debugging of the alarm, and to accomplish the basic functi
22、onality required by the design, and make out an prototype gas alarm. Key words: CH4 detecting and alarming microcontroller 4 M . i H職 . 7 1.1 CH4报警器的研究背景 . 7 1.2甲烷报警器的研究目的和意义 . 7 1.3甲烷报警器的国内外研究现状 . 8 1.4 本论文的主要研究内容 . 9 第二章 CH4报警器的设计方案 . 10 2_1 CH4报警器的概述 . 10 2_2 CH4报警器的设计思路 . 10 2.3 总体设计方案 . 11 第三章
23、CH4报警器的硬件设计 . 13 3.1 系统电源模块 . 13 3.2 气体传感器的选择 . 13 3_2_1 气体传感器工作原理 . 13 3.2_2 MC105的原理及特性 . 16 3.3微控制器的选择及其最小系统的设计 . 20 3_3_1 微控制器的选择 . 20 3.3_2 STM32F103RBT6 外围电路 . 22 3.4传感器驱动电路及信号采集电路 . 22 3.4.1 MC105 驱动电路 . 22 3_4_2 MC105信号采集电路 . 23 3_5传感器信号调理电路 . 24 3_5_1 仪表放大器 AD8251简介 . 24 3_5_2 数字电位器 MAX5481
24、简介 . 25 3.5.3 集成运算放大器 LM358简介 . 26 3.6 A/D转换器的选择 . 28 3.6.1微控制器集成模数转换器简介 . 28 3.7 声光报警单元 . 28 3_7_1 WT588D语音单片机简介 . 29 3_7_2 W25Q80 FLASH 存储器简介 . 30 3_7_3 声光报警表现形式 . 30 第四章 CH4报警器的软件设计 . 31 4_1系统的软件框图 . 31 4.2 系统主程序 . 31 4.3传感器状态监测及故障诊断 . 32 4_4信号调理电路控制 . 35 4_5 气体浓度采集 . 36 4_6 传感器数据处理 . 38 4_6_1 数字
25、滤波 . 38 4.7报警逻辑 . 38 第五章报警器电磁兼容性讨论 . 40 5_1甲烷报警器的干扰源 . 40 5.2 抑制电磁干扰的主要措施 . 41 第六章报警器样机综合调试 . 43 会吉 . 44 参考文献 . 46 1； if . 48 6 第一章绪论 1.1 CH4报警器的研究背景 1 随着社会的发展进步和人们生活水平的提高，人类对能源的需求量越来越大，以 往以煤炭和石油为主的传统化石能源一直是能源结构的主角，但是煤炭存在高污染、 石油存在短缺和枯竭等问题。以天然气为主的可燃性气体具有储量丰富、燃烧热值较 高、污染较小和价格较为低廉等优点，这些都很好的满足了当今社会对清洁高效能
26、源 的需求，使其广泛地应用于国民生产生活，并扮演者重要角色 2。 与传统能源相比较，天然气具有诸多优点，但同时也存在一些不足，其中最为突 出的就是天然气不便运输和存储，使用不当容易造成天然气泄漏，当浓度过高时使人 缺氧窒息，达到爆炸极限时，遇到明火或静电会发生爆炸，存在严重的安全隐患。 随着我国社会经济的快速发展，天然气作为一种高效的清洁能源，正逐步在工业 生产和家庭生活中得到普及，天然气使用安全问题也越来越受到人们的重视，因此作 为天然气监测装置之一的甲烷报警器已经作为不可或缺的仪器广泛应用于家庭生活 和工业生产 a中。 1.2 CH4报警器的研究目的和意义 a前，国内市场上以国外进口的可燃
27、气体报警器为主。近年来随着我国传感器技 术的进步，国内企业已经能够独立设计和制造可燃气体报警器，但是由于国内相关产 业起步较晚，并受限于电子及传感技术 3，国内设计生产的可燃气体报警器在报警功 能和可靠性两方便尚有不足。天然气在存储、运输及使用过程中需严格遵守相关规定 和操作流程，使用不 a就会引起天然气泄漏，会造成火灾、爆炸等严重的安全事故。 另外， a天然气不完全燃烧时，将会产生一氧化碳，容易使人中毒，无论甲烷泄漏还 是不完全燃烧都会严重威胁人民的生命财产安全，所以对天然气进行可靠监测，这对 报警器的可靠性及灵敏度都提出了较高的要求。和国外产品相比，国内产品还需要进 一步提高报警功能和可靠
28、性。如图 1.1所示，左边两款是国外的可燃气体报警器，后 两款是国内的可燃气体报警器。所以，为了避免由于天然气使 用不 a所引发的爆炸、 火灾等重大安全事故，需要在天然气的使用场所配备报警器，实时监测天然气泄漏。 因此，研制高性能的甲烷气体报警器具有重要的意义。 7 图 1.1国外报警器（左）和国内报警器（右 ) 1.3甲烷报警器的国内外研究现状 国外对气体传感器的研究具有较长的历史，对于可燃气体传感器的研究工作早 在 20世纪 30年代就已经开始 4，经过多年的快速发展，通过提升检测精度、増强器 件稳定性、延长器件使用寿命和増加器件检测气体种类等方式，已使可燃气体传感器 的综合性能获得了很大
29、的提升。目前对气体的检测主要有以下几种方法：气相色谱法、 光干涉法和气敏元件检测法等几种方法。其中气相色谱法和光干涉发精度较高单设备 复杂，成本过高，不宜普及使用。经过多年发展，气体传感器性能稳步提高，同时电 子、计算机和网络技术也获得长足的发展，并且得到了广泛应用，这促进了可燃气体 报警器的发展，使其向着高可靠、功能多样化、体积小型化及网络自动化的方向发展。 所以基于气敏元件检测法的可燃气体报警器成为了甲烷气体检测仪器普及的首 选。目前，具有代表性的气体报警器产品主要由德国、口本以及美国等国家的气体报 警器公司研制开发。另外，随着 1C技术发展，报警器的体积进一步缩小，功能也进 一步的提升。
30、 与国外相比，国内可燃性气体报警器的研制工作起步 较晚，通过多年的发展，形 成了一定的规模和自己的特色，产品型号多样且种类齐全。但国内企业及研究机构主 要采用引进吸收国外先进技术的方式来发展。经过多年的引进消化吸收，国内传感器 技术和可燃性气体检测技术也取得了很大的进步，国内的可燃气体报警器的性能也获 得了很大提升，主要体现在检测气体选择性、检测结果准确性、气体传感器长期工作 稳定性和可靠性等方面。但是国内生产的可燃气体报警器在性能提升方面仍有很大空 间。首先，集成电路技术的发展使得系统集成化的程度进一步提高，并且使得微控制 器的成本大大降低，这使的微控制器可能应用于对成本要求苛刻的可燃气体报
31、警器， 通过采用微处理器使得报警器功能进一步优化，通过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 8 块实现对系统故障的实时监测、甲烷浓度实时采集、甲烷浓度数据的滤波处理和报警 逻辑判断功能。其次，基于微控制器的灵活可编程功能，可以提升报警器的智能化程 度。由于可燃气体报警器往往工作在复杂的环境中，容易受到外界的干扰，某些干扰 严重影响系统的性能，甚至会引起误报警、 漏报警等。所以必须采取必要措施减小消 除外界因素对报警器造成的干扰。由于微处理器具有强大的逻辑判断能力和数据处理 能力，这一优点正好可以实现对可燃气体浓度数据的处理和相
32、应的逻辑判断，通过灵 活的程序设计实现报警器故障诊断、传感器信号调理功能，提升报警器系统的稳定性 及可靠性。再次，由于微处理器具有功能强大的通信接口，通过与计算机及相关通信 网连接，可以实现报警器系统的组网，将单独的报警器作为报警网络的一个数据采集 节点，配合相应的网络通信软件，实现对特定区域内的目标气体泄漏情况的检测和预 警。随着计算机技术 、网络技术及传感器技术的发展，物联网技术己经逐渐步入实用 化阶段，作为物联网的重要终端功能节点，报警器无疑将拥有广阔的应用前景 5。 1.4本论文的主要研究内容 本文针对天然气安全监测设计报警器方案，研制原型报警器，为产业化提供关键 技术。从气敏元件的选
33、择、报警器电路的设计、气体浓度数据的处理和报警器报警逻 辑等方面开展工作，以提高报警器的可靠性、稳定性和性价比。本文由以下主要内容 组成： (1) 根据实际应用的要求，选择一款合适的甲烷传感器，并设计相应的传感驱 动电路和传感器信号调理电路。 (2) 系统控制核心采用 STM32RBT6主控芯片，据此设计外围电路及相应硬件 功能模块，主要包括：甲烷传感器驱动电路、甲烷传感器信号调理电路、模数转换电 路、系统中央控制单元、报警功能测试按键及声光报警单元模块等。 (3) 系统的软件设计，主要包括：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
34、模块等，以提 升系统的可靠性及准确性。 (4) 对系统进行软件和硬件调试，通过实验验证系统的性能，并优化完善系统 设计。 9 第二章 CH4报警器的设计方案 2.1 CH4报警器的概述 CH4报警器以实现快速准确检测出环境中的低浓度 CH4气体为基本功能，并且， 在环境中甲烷浓度达到一定值时向用户发出声光报警。甲烷报警器主要模块组成： 1) 甲烷气体传感器及驱动电路。通过甲烷传感器对 CH4气体敏感的特性，对使 用环境中的 CH4气体浓度进行检测，配合传感器驱动电路为甲烷传感器提供正 常工作所需的电压电流条件，保证传感器工作条件的稳定，将气体浓度信息转 化为电信号，供后续信号处理电路采集。 2
35、) 传感器信号调理电路。传感器信号调理电路主要完成对传感器输出信号的调 理，将其转化成后续电路能够处理的电压信号。 3) 传感器信号处理单元和逻辑控制单元。该部分主要由微控制器完成，利用微 控制器内部集成的 AD转化器将经过信号调理电路调理的传感器输出信号数 字化，作为报警器控制单元的输入，控制单元根据该输入，结合预先设定的报 警逻辑算法，对环境中甲烷的浓度信息进行逻辑判断，并判断是否报警及产生 相关报警动作。 4) 声光报警模块。该部分由语音芯片、扬声器及指示灯及相应的驱动电路组成。 作为甲烷报警器的报警执行机构，当环境中甲烷浓度超过警戒值时，负责发出 声光报警信息。 5) 系统电源模块。该
36、模块 主要负责为整个系统提供符合要求的工作电压，将 220V 市电转换成符合要求的低压直流电，保障报警器正常工作时的供电。 另外考虑到对报警器的维护和升级，还可以包括诸如网络通信接口和数据存储等 扩展功能模块。 2.2 CH4报警器的设计思路 本论文中所设计的 CH4报警器以实现对工业生产和家庭生活中的 CH4气体的浓度 进行快速准确检测为基本功能，当环境中的 14浓度超过预先设定的报警阈值时发出 声光报警，以简洁明了的方式提示用户采取措施，尽快排出险情。报警器主要由以下 基本功能单元组成：甲烷气体传感器及驱动电路、传感器信号 调理单元、报警器主控 模块、声光报警执行单元及系统电源模块组成。
37、10 甲烷气体传感器和匹配的传感器驱动电路作为报警器的前端检测装置，将环境中 的甲烷浓度信息转换为电信号，供信号传感器信号调理电路进行调理，通过调节传感 器静态输出、信号放大等手段，去除由于传感器本身特性所产生的部分干扰，将传感 器输出的微弱信号转换成报警器主控单元可以接受的电压信号，作为系统报警逻辑判 断的输入。报警器主控模块主要由微控制器组成，实现传感器信号处理单元和逻辑控 制单元的功能，利用微控制器内部集成的 AD转化器将经过信号调理电路输出信号数 字化，输入控制单元，并结合数字滤波等预先设定的报警逻辑算法，拟合出环境中甲 烷的浓度，判断甲烷浓度是否超过报警阈值，如果没有超过报警阈值，则
38、绿灯保持常 亮状态，提示甲烷浓度正常。如果超过报警阈值，则系统绿色指示灯熄灭，红色指示 灯发出间断闪烁的同时语音报警模块发出报警语音提示，引起用户的注意，及时采取 措施，排除险情。这使得报警器的报警机制更加完善。 2.3总体设计方案 为了满足工业生产和家庭生活中对天然气使用安全性的要求，所设计的 报警器必 须能够在较宽的温度范围内正常工作，并且在具有报警器故障自诊断、温度补偿、延 时报警等功能的同时，降低报警器的生产成本和体积，提升报警器的性价比和便携性。 甲烷报警器的系统框图如图 2.1所示。报警器系统以微控制器构成的主控单元为 核心，外围配合各种基本功能单元模块，实现对环境中甲烷气体浓度的
39、采集、系统故 障自诊断、系统运行状态指示、浓度信息数据处理和报警逻辑判断以及声光报警等功 能。为了使系统能够实现对传感器工作状态的实时监测、对浓度数据的高速处理、两 级报警逻辑的功能设定、延时报警确认及智能声光报警等功能，系统核心应该采具备 高性能 AD转换器的高速微控制器，这样可以保证系统在具备较好的工作稳定性、较 高的测量精度的同时，降低系统的功耗，保证系统的可靠性和稳定性，在选取其他外 围器件时，应选用体积小，成本低的元器件，这样可以减小系统的体积，增加系统的 便携性，同时提高系统的性价比。 系统屯源模块 图 2.1报警器系统结构框图 烷传感器及驱动电路 声光报警单元 传感器信号调理4微
40、控制器 12 第三章 CH4报警器的硬件设计 3.1系统电源模块 甲烷报警器内部具有交直流稳压模块，可以直接接入到 220V市电使用，将 220V 市电转换为报警器可以使用的直流电。直流稳压电源模块一般一下模块组成：电源变 压器模块、全波整流电路模块、滤波电路模块等 6。其结构图如图 3.1所示。市电网 提供的 220V交流电经过报警器系统电源模块内部的变压器降压，得到电压值较低的 交流电，然后通过桥式整流电路进行全波整流，得到混有尖峰脉冲的直流电，最后通 过滤波电路将交流成分滤除，得到直流电。由于此时得到的直流电仍然有小幅度的波 动，这些小幅度的波动会影响报警器信号调理电路和 AD转换模块的精度，降低报警 器的准确度，所以此时得到的直流电不能直接供给报警器系统使用，还需要经过一个 稳压电路得到最终满足使用要求的直流电。本论文中设计的甲烷报警器中的典型工作 电压有两种，分别为 3.3V和 2.5V， 但是考虑到系统的工作电流较大，长时间工作， 系统电源发热等问题，为了降低单个稳压电路的功率，降低发热量，本设计中电源模 块直接为系统提供 9V的直流电，然后分别通过一个 5V、