1、本科毕业论文（20 届）气体多参数检测系统的设计所在学院 专业班级 自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘要、 I 摘要在现代工业生产的过程中，人们已越来越重视安全生产的问题。井下作业的环境中氧气、一氧化碳、甲烷的浓度高低，将直接影响到矿工的生命安全和煤矿的安全生产。同时，随着各种资源包括天然气、煤制气、液化气的开发和使用，多种可燃性气体散发在人们生活和工作场所中，所以，能够连续直接地检测工作环境和生活环境中可燃性有毒气体有着极其重要的意义。当前，气体检测普遍采用单气体检测方法，每一种测量仪表只能检测一种气体。研制能用一种仪表同时检测多种不同的气体是当前气体检测仪的发展趋
2、势，即进行多气体检测，多参数检测，实现对多种气体种类的分辨和浓度的判断，从而更细致地反映环境中不同气体的特性。所以，气体多参数检测系统将会有越来越广泛的前景。文中介绍了多参数气体检测仪的设计原理和设计要求：完成了气体检测仪的硬件系统设计，主要包括甲烷、氧气、一氧化碳三种气体及温度的检测电路和信号处理电路、触摸键盘电路、嵌入式微处理器系统、液晶显示电路、声光报警电路及电源和保护电路等。完成了气体检测仪的软件设计，对三种气体参数在洁净空气中通过软件进行了零点和灵敏度的矫正，修改了各参数的非线性输出特性，自动补偿了因温度变化引起的各检测参数的零点和灵敏度漂移。关键词：多气体检测，自动调零校准Abst
3、ract、 II AbstractIn the industrial production process, production safety has drawn increasing attention. Such as oxygen, carbon dioxide, carbon monoxide, methane concentration level in the underground working environment, directly affect the safety of coal mine production safety and the lives of min
4、ers. Meanwhile, with the development and use of a variety of natural gas, coal gas, liquefied petroleum gas, a variety of flammable gas circulated in the workplace and peoples lives, working environment and living environment of continuous, direct detection of toxic gases, flammable gases has a grea
5、t significance. At present, gas detection are mostly single-gas detector, that is, each measuring a gas will need to bring a measuring instrument. Developed can be an instrument to simultaneously detect a variety of different gases is the development trend of the gas detector, the multi-parameter de
6、tection, multi gas detector, the judgment of the identification of the type and concentration of multiple gases, so as to more fully reflect the measured gas characteristics displayed in a specific environment. Therefore, the combustible gas alarm will have increasing application prospects.The paper
7、 describes the design requirements and design principles of intelligent multi-parameter gas detector; completed the gas detector hardware system design based on design requirements and design principles, including methane, oxygen, carbon monoxide, oxygen four gases and temperature, pressuredetection
8、 circuit and signal processing circuit, the touch keyboard circuit, embedded microprocessor systems, LCD circuits, audible and visual alarm circuit, the data store query circuit and power supply and protection circuitry. Completed the gas detector software design, software, four gas parameters in th
9、e clean air in the 0:00 and sensitivity correction, correction of the nonlinear output characteristics of each parameter, automatic compensation due to temperature changes caused by testing parameters zero and sensitivity drift.Key words: Multi-gas detection, auto-zero calibration目录III目录摘要 .IABSTRAC
10、T .II目录 .III 第一章 绪论 .11.1 论文研究的背景 .11.2 论文研究的目的及意义 .11.3 气体多参数检测系统的国内外研究现状 .11.4 本文的主要任务 .3第二章 气体多参数检测系统的方案设计 .32.1 气体多参数检测系统的总体方案设计 .32.1.1 气体多参数检测系统的系统框图 .32.1.2 气体多参数检测系统的规格及技术指标 .42.2 通信协议的选择 .42.2.1 Modbus 通信协议简介 .42.2.2 Modbus 查询-回应周期 .52.2.3 modbus 协议的传输方式 .52.3 通信总线选择 .7第 三章 气体多参数检测系统的硬件设计 .
11、83.1 微控制器 MSP430.83.1.1 MSP430 的特点简单介绍 .93.1.2MSP430 单片机的 CPU 具有的功能 .93.1.3 MSP430CPU 主要特征 . 93.1.4MSP430 的结构地址和空间 .93.2 声光报警电路设计 .103.3 RS485 通信电路设计 .113.4 参数存储电路 .133.4.1FM24CL64 概述 .133.4.2FM24CL64 特性 .14目录IV3.5 显示电路设计 .153.6 数据采集电路 .163.6.1 甲烷数据采集电路设计 .163.6.2 氧气数据采集电路设计 .173.6.3 CO 数据采集电路设计 .18
12、3.6.4 温度数据采集电路设计 .193.6.5MSP430 模数转换模块 .203.6.6 电源电路 .21第四章 气体多参数检测系统的软件设计 .234.1 主程序设计及流程图 .234.2 自动调零子程序 .254.3 数字滤波子程序 .264.4Modbus 通信程序 .264.5 其他程序简介 .28第五章 总结 .30参考文献 .31致谢 .32附录 .33第一章 引言- 2 -第一章 绪论1.1 论文研究的背景随着经济社会的发展，人们的生活水品不断提高，生活火灾也越来越引起人们的注意，而引发火灾的主要原因是因为日常生活中的可燃气体泄露造成的。随着住宅和小区的集中化和天然气的使用
13、，人们在日常生活中越来越离不开可燃气体了。但是，由于在家庭燃气的使用中，气体不太容易控制且泄漏时不容易被发觉，虽然用起来非常方便，可一旦泄露，造成的损失是巨大的。所以，开发一种气体多参数检测系统能够紧跟社会发展的潮流，且市场经济也非常广阔。1.2 论文研究的目的及意义工业生产中，对工业领域中某一特定区域的可燃性气体进行检测时，气体多参数检测系统具有非常重要的应用价值。然而，当前普遍使用的多气体参数检测系统大都是将传感器得到的气体浓度数据转换成标准模拟信号进行传输。标准模拟信号为 4 至 20mA 电流，但其只能传输一个信号，即测量数据和是控制数据不能同时传输。而且这个信号还有许多现象无法体现，
14、比若说，是否因断路而表现为最大值或因短路而表现为最小值，或者信号在传输过程中产生了偏差。数字化的传输方式则克服了以上缺点，不但可以传输多类型的信号，而且可以通过施加有效的校验手段来避免传输的数据发生传输错误的现象，以增加抗干扰性。1.3 气体多参数检测系统的国内外研究现状在国外，自上个世纪 30 年代起，气体多参数检测系统的研制和探索就有了非常快的进展。经过长期的发展，现在的气体多参数检测系统在很多方面性能都有明显的提高，其中包括气体的种类、精度、稳定性、测量范围和寿命。特别是在精度、寿命和稳定性上有了相当巨大的提高。而可燃性气体探测器能够更加可靠花，智能化和多功能化，得益于计算机技术和电子信
15、息的快速发展以及多气体参数检测系统性能的提高。在我国，传感器的研发也有相当的历史,特第二章 气体多参数检测系统系统的方案设计、 - 3 - 别是温湿度和红外传感器取得了很大的成就,相对于近十年来气体传感器和可燃性气体报警器的研发来说，气体多参数检测系统具有更大的发展前途，以下几点可以充分体现：一：近年来，随着不断发展不断成熟的单片机技术，其性价比已大大提高。可燃性气体检测器的使用也越来越多。单片机的推出，不但可以实现测量气体浓度值、开机指示、设置报警点、声光报警等基本的功能，还能实现进一步的发展。二：当今仪器仪表的发展方向越来越趋向于智能化，可燃性气报警器在智能化也有了很大的发展，一下几方面可
16、充分体现：(1)采用高性能微处理器，运算和逻辑功能来确定微处理器的功能，根据给定的算法，以消除漂移和增益变化所造成的错误和干扰因素，提高了仪器的测量准确度。(2)提高仪器的自动化测量水平，实现自动调零，自动校准，自动增益调整，自动诊断等功能。(3)气体自动识别功能。在 E2PROM 中写入气体敏感器件的相关信息，包括气体的种类、特性、测量范围、编号等等，与敏感元件合成一体作为探头，将其插入仪表后，由仪表根据储存的信息自动判别气体的种类。便于生产厂家批量化生产，根据不用用户的需求来确定是哪种可燃性气体的报警器。(4)背景气体干扰的抑制。在实践中，将无法避免某些背景气体，现在仪表中已实现了通过程序
17、的控制，利用研究敏感元件的特征和开发相应的软件来抑制背景气体干扰。比如说 MX21 仪器，已经实现了多种有害气体中抑制有害气体之间的交叉干扰。1.4 本文的主要任务该多参数的研制目标是在电池供电的条件下，能够连续不断地对周围环境中的甲烷、氧气、一氧化碳和温度进行准确、灵敏、可靠地监测，而且还要具备能够将测量到的数据进行实时显示、本地存储、超限声光报警等功能。第二章 气体多参数检测系统系统的方案设计、 - 4 - 为了保证多参数气体检测仪研制成功，应从以下几个方面进行研究和设计：(1)整个系统性能的好坏与各个敏感元件和关键部件的选择设计非常重要；(2)对各敏感元件的参数进行研究，包括温漂、零点漂
18、移、非线性的补偿等等；对以上几点进行认真设计，能够使得仪器性能更加稳定，质量可靠，达到多参数、多功能、小型化、智能化的要求。第二章 气体多参数检测系统的方案设计- 5 -第二章 气体多参数检测系统的方案设计21 气体多参数检测系统的总体方案设计2.1.1 气体多参数检测系统的系统框图该多参数气体检测系统研制目标是实现在电池供电的条件下，能够连续不 断地对周围环境中的甲烷、氧气、一氧化碳和温度进行准确、灵敏、可靠的监测，而且还要具备能够将测量到的数据实时地通过无线传输网络传送到监控中心、超限声光报警、实时测量数据本地显示、测量参数可软件自行设定、实时测量数据本地存储、存储数据本地查询等功能。 整
19、机电路由电源及保护电路，甲烷、氧气、一氧化碳三种气体及温度的检测电路及信号处理电路、键盘电路、嵌入式微处理器电路、液晶显示电路、声光报警电路、数据存储查询电路、无线数据传输接口电路等部分组成。整机电路框图MSP430单片机参数存储CH4 检测及信号处理氧气检测及信号处理CO 检测及信号处理声光报警电路键盘电路LCD 显示电路RS485 数据通信温度检测及信号处理图 2-1 气体多参数检测系统的系统框图第二章 气体多参数检测系统的方案设计- 6 -2.1.2 气体多参数检测系统的规格及技术指标(1)工作电压：DC24V10%，消耗功率：5W(2)检验气体：煤气，天然气，氢气及有机液体蒸汽等可燃性
20、气体(3)检验范围：0100%LEL(4)响应时间：T90 一阶30S，T90 二阶30S(注)(5)显示方式：ECR12864SS-3 液晶显示(6)报警动作值误差：3%LEL(7)全量程指示偏差：5%LEL(8)输出信号：RS485 串口2.2 通信协议的选择RS485 有自己的规格，只规定了接口的电气特性，而与连接器、协议和电缆不相关，能够在此基础上建立自己的高层协议。Modbus 协议是应用于电子控制器上的一种共同语言。因为 Modbus 协议其有公开性、透明度、易于开发、低成本，已经成为当今工业领域通信协议的首要选择。此外，该协议有大量的数据传输、调试能力强、实时性好等特点，所以这里将采用 Modbus 协议作为通信协议。2.2.1 Modbus 通信协议简介Modbus 协议的运作模式是主机主动查询，从机回应消息，其示意图如图2-2 所示。查询-回应周期表控制器通信使用主-从技术，即只有主设备能够对数据进行传输查询，而从机进行初始化，从设备根据主设备查询数据作出相应的反应。主设备不但可以单独与从设备通信，而且也能以广播方式和所有从设备通信。如果从设备回应返回到的信息，则为单独传播，如果是以广播的方式查询的，则是因为不作任何反应的结果。Modbus 协议有特定的格式，即主设备查询：查询广播或者设备的地址、查询特定功能的代码、查询数据的域、查询错误信
