智能瓦斯检测报警装置设计毕业设计 59页

智能瓦斯检测报警装置设计目录1绪论11.1煤矿气体检测系统概述11.2煤矿气体检测系统的国内外发展状况31.3本设计的意义31.4本设计的主要工作内容42瓦斯传感器的类型及原理42.1主要特性52.1.1稳定性52.1.2灵敏度52.1.3选择性62.1.4抗腐蚀性62.2主要原理及分类62.2.1半导体气体传感器62.2.2电化学型气体传感器72.2.3固体电解质气体传感器82.2.4接触燃烧式气体传感器82.2.5光学式气体传感器92.2.6高分子气体传感器92.3加工技术102.4发展方向112.4.1新气敏材料与制作工艺的研究开发112.4.2新型气体传感器的研制122.4.3气体传感器智能化123基于气敏元件的煤矿瓦斯检测系统设计123.1系统原理框图123.2系统硬件设计133.2.1单片机型号的选择133.2.2AT89S52单片机的特点143.2.3系统电源143.2.4气体传感器加热及其信号采样163.2.5传感器信号检测回路及A/D转换参考电源183.2.6模数转换芯片AD7810的原理及应用193.2.7MAX7219显示电路233.2.8总线接口电路263.2.9RS—485串口通讯30n3.2.10声光报警电路343.2.11看门狗硬件电路354系统软件设计364.1主程序364.2按键中断程序384.3定时器A中断程序394.4串行中断程序415总结与展望435.1总结435.2展望43翻译部分46英文原文：46中文译文：52致谢56n第57页中国矿业大学2009届本科生毕业设计1绪论煤矿井下的瓦斯主要来自煤层和煤系底层，它是由腐植型有机物在成煤过程中形成的全部气体的统称。其主要成分是甲烷，也称沼气(CH4)，还有二氧化碳(CO2)、氮(N2)。此外，还有少量的硫化氢(H2S)、氢(H2)和一些重烃和稀有气体等。由于矿井瓦斯的主要成分和主要危害是沼气，因此，长期以来人们习惯上把沼气称为瓦斯。沼气是无色、无味、无臭的气体。比空气轻，对空气的比重为0.544，故在井下巷道的上部、顶板冒落地点的顶部和独头上山的掘进工作面易于积聚沼气。沼气本身无毒性，但不能供呼吸。当空气中沼气浓度较高时，就会相对降低氧的含量，使人窒息。沼气不能助燃，但当它在空气中达到一定浓度时，遇火能燃烧或爆炸。在成煤过程中生成的沼气，经过漫长的地质年代，大部分已排放入大气，只有一小部分至今仍被保存在煤体或围岩中（煤层保持沼气量的多少，主要取决于煤及围岩的透气性、地质构造以及煤的埋藏深度，吸附性能及孔隙性等）。可是，就是这一小部分，倘若发生事故，便会造成巨大的经济损失，危及矿工的生命。随着煤矿开采技术手段的不断改进和开采规模的扩大及开采深度地不断延伸，安全隐患越来越多。瓦斯事故，特别是重、特大瓦斯事故在煤矿事故中所占的比例也越来越高。如果不把瓦斯事故控制住，就不能实现煤矿安全生产状况的稳定，也就无法保障煤炭工业的持续健康发展。所以，对煤矿井下瓦斯气体进行快速准确地检测显得尤其重要，对易燃易爆混合气体检测系统的研究和开发也成为人们一直关注的问题。1.1煤矿气体检测系统概述煤矿气体检测系统是能够检测矿井环境中瓦斯气体的浓度，具有报警功能并能实现数据远传至地面监控室PC的系统。本设计中完整的煤矿气体检测系统由以下五个部分组成:l)气体传感器:能感知环境中甲烷气体及其浓度的一种敏感元件，它能将与气体种类和浓度有关的信息转换成电信号2)显示单元:根据测量信号，由单片机将待显示数据按相应方式进行数据传输给显示处理模块显示于仪表3)声光报警单元:当检测气体浓度超出设定报警值时，发出声光报警4)通讯单元:将采集数据通过RS—485通讯方式进行数据通信5)数据采集分析软件:运用VC++编写串口通讯软件，实现气体数据的采集、分析及保存煤矿气体检n第57页中国矿业大学2009届本科生毕业设计测系统其他的技术参数还有存储数据性能、传输数据性能、使用寿命与可靠性等。气体传感器是煤矿气体检测系统的重要组成部分，就其原理可以分为四大类:光学类气体传感器、电化学类气体传感器、高分子材料类气体传感器及电学类气体传感器。利用气体的光学特性来检测气体成分和浓度的传感器为光学类气体传感器，根据具体的光学原理可分为红外吸收式、可见光吸收光度式、光干涉式、化学发光式和试纸光电光度式、光离子化式等气体传感器。电化学类气体传感器是利用电化学性质的气体传感器，该类气体传感器包括:定电位电解式、伽伐尼电池式、固体电解质等种类的气体传感器。高分子气敏材料气体传感器主要有高分子电阻式、高分子电介质式、浓差电池式、声表面波式、石英振子式等。利用材料的电学参量随气体浓度的变化而改变的特性制作的气体传感器为电学类气体传感器。这类气体传感器又可分为电阻式和非电阻式两大类，其中非电阻式气体传感器是利用材料的电流或电压随气体含量变化的特点而制成的传感器，主要包括MOS二极管式、结型二极管式和场效应管式，而电阻式气体传感器则通常主要有接触燃烧式、热导式、半导体气体传感器等等。世界上发达国家用于煤矿井下易燃易爆气体检测的方式主要有光干涉式、载体催化燃烧式两种。光干涉式气体检测仪表是利用了光的干涉原理实现对已知待检测气体浓度的测量。比较典型的产品有矿用光干涉型CH4气体检测仪，它是利用不同种类、不同浓度的气体对光的折射率不同这一性质，针对CH4气体设计适当的光路系统，把CH4气体浓度的变化转换成光的干涉条纹的位置变化。具体地说，就是采用一个光源，经过适当的光学设计，使其分解为两列光波，一路通过标准空气室，另一路穿过采样气室后在某处相遇，此时由于满足光的相干条件，从而产生干涉条纹。把两气室都充有空气时的干涉条纹作为初始位置，当CH4气体充入采样室后，由于光程差的结果，干涉条纹会相对于原位置移动一段距离，并且这个距离将随CH4气体浓度的不同而产生相应的变化。因此只要测量该位移量，就可以获得CH4在空气中的含量。该测量仪测量范围大，使用寿命长，但仪器设备大，价格高，测量不直观，而且无法与检测控制系统连接，因此在煤矿中的使用量逐年减少。在这二种气体检测仪表中，载体催化燃烧方式检测可燃气浓度的方法因其线性和稳定性较好，以爆炸下限百分体积浓度为单位的浓度标度方法能统一衡量各种可燃气浓度所呈现的爆炸危险度，且量程符合工业要求，故被较多的用于爆炸危险场所可燃性气体的测量。该监测方式使用催化载体型气体传感器作浓度的检知器，该元件由铂丝上烧结一层陶瓷载体后再涂覆催化活性物(Rh，Pd等)构成。当Pt丝中通以工作电流使之达到临界反应温度(320—350n第57页中国矿业大学2009届本科生毕业设计)时，可燃气在元件表面催化燃烧使Pt丝电阻增加，在完全燃烧且热辐射可忽略时，电阻增量△与可燃气体浓度C成正比，即有（1.1）分别为Pt电阻温度系数、催化剂性能常数、可燃气燃烧热、元件热容，故是仅与元件及可燃气种类有关的常数。将△转换成电信号，通过这一阻值变化，转换为电压变化，从而通过A/D转换可得到被测气体的浓度值。1.2煤矿气体检测系统的国内外发展状况伴随气体传感器的发展，气体检测仪器不断更新。其类型根据检测对象可分为可燃性气体检测仪、毒性气体检测仪和氧气检测仪等；从仪器结构和方法上分为袖珍式、便携式和固定式。袖珍式仪器的采样方法为扩散式，用于在危险环境中的工作人员随身携带；便携式仪器用泵吸式采样，用于监测人员定期安检；固定式仪器用于煤矿井下固定地点气体监测。世界各国也均有煤矿瓦斯气体检测的系统，如波兰的DAN640O、法国的TF200、德国的MINOS和英国的Senturion—200等，其中全矿井综合检测控制系统有代表性的产品有美国MSA公司生产的系统，德国BEBRO公司的PROMOS系统。但是这两种系统只是基于井下检测，并无数据上传，不能实现智能化监控。我国检测技术应用较晚，80年代初，从波兰、法国、德国、英国和美国等引进了一批安全检测系统，装备了部分煤矿;在引进的同时，通过消化、吸收并结合我国煤矿的实际情况，先后由重庆煤科院、辽宁抚顺煤科院等国内知名煤矿科学研究所研制出KJZ、KJ4、KJS、KJ10、KJ13、KJ19、KJ38、KJ66、KJ75、J80、KJ92、KJ95、KJ101等煤矿有害气体检测系统，在我国煤矿已有大量使用，但其中很大一部分仪表的传输数据是模拟方式，将气体浓度转化为脉冲量，易受矿井下强电磁设备扰动，造成检测结果不准确，易出现误报警等现象。1.3本设计的意义我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，也是世界上少数几个以煤为主要能源的国家之一。虽然通过煤炭生产、加工和利用等各个环节，提供了相当多的就业机会，但每个环节却同时带来了环境污染、安全等一系列的问题。其中之一便是有害气体影响，包括CH4，CO，n第57页中国矿业大学2009届本科生毕业设计等。后两种气体含量少，且易溶于水,经煤矿开采时的喷水处理后变成酸。但是CH4气体含量多，且几乎不溶于水，属于易燃易爆气体，发生爆炸事极易造成人身伤害。因此，认识并设计检测这种气体的新型系统，显得非常重要。瓦斯(CH4)是在成煤过程中形成并大量贮存于煤层之中的气体，是煤矿井下危害最大的气体。瓦斯是一种无色、无味的气体，密度为，对人体的危害是超限时能引起人窒息死亡。其有易燃、易爆等特点，因此煤矿对瓦斯的治理应非常重视。瓦斯的灾害主要表现为四个方面。第一、瓦斯浓度过高，对工人身体健康的影响表现为缺氧，呼吸困难，窒息等。第二、瓦斯煤尘爆炸，瓦斯爆炸所产生的巨大冲击波和高温火焰，往往导致群死群伤，而且扬起的煤尘又会参与爆炸，摧毁巷道，毁坏设备，甚至毁灭整个矿井，给国家和人民生命财产造成巨大损失。第三、煤中瓦斯突出。突出直接影响着工人的人身安全。第四、大量的瓦斯从通风井排入大气，污染大气环境。我国煤矿的瓦斯灾害是比较严重的，瓦斯灾害始终是煤矿安全生产的大敌，目前已成为制约煤矿安全生产的主要矛盾。因此，设计先进适用的煤矿气体检测系统对煤矿工业安全生产，减少事故发生和生命财产损失有重要意义，市场应用前景十分广阔。1.4本设计的主要工作内容目前，国内有一些用于煤矿中CH4气体的检测系统，本文针对煤矿气体检测系统的现状及发展趋势，阅读了大量文献及资料，设计了煤矿气体检测系统，主要工作包括:l)甲烷气体传感器的选用2)单片机的选用3)系统硬件电路的设计4)系统软件的设计5)通讯方式及通讯协议设计2瓦斯传感器的类型及原理n第57页中国矿业大学2009届本科生毕业设计气体传感器是气体检测系统的核心，通常安装在探测头内。从本质上讲，气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。探测头通过气体传感器对气体样品进行调理，通常包括滤除杂质和扰动气体、干燥或制冷处理、样品抽吸，甚至对样品进行化学处理，以便化学传感器进行更快速的测量。气体的采样方法直接影响传感器的响应时间。目前，气体的采样方式主要是通过简单扩散法，或是将气体吸入检测器。简单扩散是利用气体自然向四处传播的特性。目标气体穿过探头内的传感器，产生一个正比于气体体积分数的信号。由于扩散过程渐趋减慢，所以扩散法需要探头的位置非常接近于测量点。扩散法的一个优点是将气体样本直接引入传感器而无需物理和化学变换。样品吸入式探头通常用于采样位置接近处理仪器或排气管道。这种技术可以为传感器提供一种速度可控的稳定气流，所以在气流大小和流速经常变化的情况下，这种方法较值得推荐。将测量点的气体样本引到测量探头可能经过一段距离，距离的长短主要是根据传感器的设计，但采样线较长会加大测量滞后时间，该时间是采样线长度和气体从泄漏点到传感器之间流动速度的函数。对于某种目标气体和汽化物，如以及大多数生物溶剂，气体和汽化物样品量可能会因为其吸附作用甚至凝结在采样管壁上而减少。气体传感器是化学传感器的一大门类。从工作原理、特性分析到测量技术，从所用材料到制造工艺，从检测对象到应用领域，都可以构成独立的分类标准，衍生出一个个纷繁庞杂的分类体系，尤其在分类标准的问题上目前还没有统一，要对其进行严格的系统分类难度颇大。2.1主要特性2.1.1稳定性稳定性是指传感器在整个工作时间内基本响应的稳定性，取决于零点漂移和区间漂移。零点漂移是指在没有目标气体时，整个工作时间内传感器输出响应的变化。区间漂移是指传感器连续置于目标气体中的输出响应变化，表现为传感器输出信号在工作时间内的降低。理想情况下，一个传感器在连续工作条件下，每年零点漂移小于10%。2.1.2灵敏度n第57页中国矿业大学2009届本科生毕业设计灵敏度是指传感器输出变化量与被测输入变化量之比，主要依赖于传感器结构所使用的技术。大多数气体传感器的设计原理都采用生物化学、电化学、物理和光学。首先要考虑的是选择一种敏感技术，它对目标气体的阀限制(TLV-thresh-oldlimitvalue)或最低爆炸限(LEL-lowerexplosivelimit)的百分比的检测要有足够的灵敏性。2.1.3选择性选择性也被称为交叉灵敏度。可以通过测量由某一种浓度的扰动气体所产生的传感器响应来确定。这个响应等价于一定浓度的目标气体所产生的传感器响应。这种特性在追踪多种气体的应用中是非常重要的，因为交叉灵敏度会降低测量的重复性和可靠性，理想传感器应具有高灵敏度和高选择性。2.1.4抗腐蚀性抗腐蚀性是指传感器暴露于高体积分数目标气体中的能力。在气体大量泄漏时，探头应能够承受期望气体体积分数10-20倍。在返回正常工作条件下，传感器漂移和零点校正值应尽可能小。气体传感器的基本特征，即灵敏度、选择性以及稳定性等，主要通过材料的选择来确定。选择适当的材料和开发新材料，使气体传感器的敏感特性达到最优。2.2主要原理及分类通常以气敏特性来分类，主要可分为：半导体型气体传感器、电化学型气体传感器、固体电解质气体传感器、接触燃烧式气体传感器、光化学型气体传感器、高分子气体传感器等。2.2.1半导体气体传感器半导体气体传感器是采用金属氧化物或金属半导体氧化物材料做成的元件，与气体相互作用时产生表面吸附或反应，引起以载流子运动为特征的电导率或伏安特性或表面电位变化。这些都是由材料的半导体性质决定的。n第57页中国矿业大学2009届本科生毕业设计自从1962年半导体金属氧化物陶瓷气体传感器问世以来.半导体气体传感器已经成为当前应用最普遍、最具有实用价值的一类气体传感器，根据其气敏机制可以分为电阻式和非电阻式两种。电阻式半导体气体传感器主要是指半导体金属氧化物陶瓷气体传感器，是一种用金属氧化物薄膜(例如：，，，等)制成的阻抗器件，其电阻随着气体含量不同而变化。气味分子在薄膜表面进行还原反应以引起传感器传导率的变化。为了消除气味分子还必须发生一次氧化反应。传感器内的加热器有助于氧化反应进程。它具有成本低廉、制造简单、灵敏度高、响应速度快、寿命长、对湿度敏感低和电路简单等优点。不足之处是必须工作于高温下、对气味或气体的选择性差、元件参数分散、稳定性不够理想、功率要求高.当探测气体中混有硫化物时，容易中毒。现在除了传统的，和三大类外，又研究开发了一批新型材料，包括单一金属氧化物材料、复合金属氧化物材料以及混合金属氧化物材料。这些新型材料的研究和开发，大大提高了气体传感器的特性和应用范围。另外，通过在半导体内添加Pt，Pd，Ir等贵金属能有效地提高元件的灵敏度和响应时间。它能降低被测气体的化学吸附的活化能，因而可以提高其灵敏度和加快反应速度。催化剂不同，导致有利于不同的吸附试样，从而具有选择性。例如各种贵金属对基半导体气敏材料掺杂，Pt，Pd，Au提高对CH4的灵敏度，Ir降低对CH4的灵敏度；Pt，Au提高对的灵敏度，而Pd降低对的灵敏度。利用薄膜技术、超粒子薄膜技术制造的金属氧化物气体传感器具有灵敏度高(可达10-9级)、一致性好、小型化、易集成等特点。非电阻式半导体气体传感器是MOS二极管式和结型二极管式以及场效应管式（MOSFET）半导体气体传感器。其电流或电压随着气体含量而变化，主要检测氢等可燃性气体。其中MOSFET气体传感器工作原理是挥发性有机化合物(VOC)与催化金属(如钮)接触发生反应，反应产物扩散到MOSFET的栅极，改变了器件的性能。通过分析器件性能的变化而识别VOC。通过改变催化金属的种类和膜厚可优化灵敏度和选择性，并可改变工作温度。MOSFET气体传感器灵敏度高，但制作工艺比较复杂，成本高。2.2.2电化学型气体传感器n第57页中国矿业大学2009届本科生毕业设计电化学型气体传感器可分为原电池式、可控电位电解式、电量式和离子电极式四种类型。原电池式气体传感器通过检测电流来检测气体的体积分数，市售的检测缺氧的仪器几乎都配有这种传感器，近年来，又开发了检测酸性气体和毒性气体的原电池式传感器。可控电位电解式传感器是通过测量电解时流过的电流来检测气体的体积分数，和原电池式不同的是，需要由外界施加特定电压，除了能检测CO，NO，N02，02，SO2等气体外，还能检测血液中的氧体积分数。电量式气体传感器是通过被测气体与电解质反应产生的电流来检测气体的体积分数。离子电极式气体传感器出现得较早，通过测量离子极化电流来检测气体的体积分数已电化学式气体传感器主要的优点是检测气体的灵敏度高、选择性好。2.2.3固体电解质气体传感器固体电解质气体传感器是一种以离子导体为电解质的化学电池。20世纪70年代开始，固体电解质气体传感器由于电导率高、灵敏度和选择性好，获得了迅速的发展，现在几乎应用于环保、节能、矿业、汽车工业等各个领域，其产量大、应用广，仅次于金属氧化物半导体气体传感器。近来国外有些学者把固体电解质气体传感器分为下列三类：1)材料中吸附待测气体派生的离子与电解质中的移动离子相同的传感器，例如氧气传感器等。2)材料中吸附待测气体派生的离子与电解质中的移动离子不相同的传感器，例如用于测量氧气的由固体电解质SrF2H和Pt电极组成的气体传感器。3)材料中吸附待测气体派生的离子与电解质中的移动离子以及材料中的固定离子都不相同的传感器，例如新开发高质量的C02固体电解质气体传感器是由固体电解质NASICON(Na3Zr2Si2P012)和辅助电极材料Na2CO3-BaC03或Li2C03-CaC03，Li2C03-BaC03组成的。目前新近开发的高质量固体电解质传感器绝大多数属于第三类。又如：用于测量N02的由固体电解质和辅助电极N02-Li2C03制成的传感器；用于测量H2S的由固体电解质YST-Au-W03制成的传感器；用于测量NH3的由固体电解质NH4-Ca203制成的传感器；用于测量N02的由固体电解质Ag0.4Na7.6和电极Ag-Au制成的传感器等。2.2.4接触燃烧式气体传感器n第57页中国矿业大学2009届本科生毕业设计接触燃烧式气体传感器可分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式，其工作原理是气敏材料(如Pt电热丝等)在通电状态下，可燃性气体氧化燃烧或者在催化剂作用下氧化燃烧，电热丝由于燃烧而生温，从而使其电阻值发生变化。这种传感器对不燃烧气体不敏感，例如在铅丝上涂敷活性催化剂Rh和Pd等制成的传感器，具有广谱特性，即能检测各种可燃气体。这种传感器有时称之为热导性传感器，普遍适用于石油化工厂、造船厂、矿井隧道和浴室厨房的可燃性气体的检测和报警。该传感器在环境温度下非常稳定，并能对处于爆炸下限的绝大多数可燃性气体进行检测。2.2.5光学式气体传感器光学式气体传感器包括红外吸收型、光谱吸收型、荧光型、光纤化学材料型等，主要以红外吸收型气体分析仪为主，由于不同气体的红外吸收峰不同，通过测量和分析红外吸收峰来检测气体。目前的最新动向是研制开发了流体切换式、流程直接测定式和傅里叶变换式在线红外分析仪。该传感器具有高抗振能力和抗污染能力，与计算机相结合，能连续测试分析气体，具有自动校正、自动运行的功能。光学式气体传感器还包括化学发光式、光纤荧光式和光纤波导式，其主要优点是灵敏度高、可靠性好。光纤气敏传感器的主要部分是两端涂有活性物质的玻璃光纤。活性物质中含有固定在有机聚合物基质上的荧光染料，当VOC与荧光染料发生作用时，染料极性发生变化，使其荧光发射光谱发生位移。用光脉冲照射传感器时，荧光染料会发射不同频率的光，检测荧光染料发射的光，可识别VOC。2.2.6高分子气体传感器近年来，国外在高分子气敏材料的研究和开发上有了很大的进展，高分子气敏材料由于具有易操作性、工艺简单、常温选择性好、价格低廉、易与微结构传感器和声表面波器件相结合等特点，在毒性气体和食品鲜度等方面的检测具有重要作用。高分子气体传感器根据气敏特性主要可分为下列几种：1)高分子电阻式气体传感器该类传感器是通过测量高分子气敏材料的电阻来测量气体的体积分数，目前的材料主要有欧菁聚合物、LB膜n第57页中国矿业大学2009届本科生毕业设计等。其主要优点是制作工艺简单、成本低廉。但这种气体传感器要通过电聚合过程来激活，这既耗费时间，又会引起各批次产品之间的性能差异。2)浓差电池式气体传感器浓差电池式气体传感器的工作原理是：气敏材料吸收气体时形成浓差电池，测量输出的电动势就可测量气体体积分数，目前主要有聚乙烯醇-磷酸等材料。3)声表面波(SAW)式气体传感器SAW气体传感器制作在压电材料的衬底上，一端的表面为输入传感器，另一端为输出传感器。两者之间的区域淀积了能吸附VOC的聚合物膜。被吸附的分子增加了传感器的质量，使得声波在材料表面上的传播速度或频率发生变化，通过测量声波的速度或频率来测量气体体积分数。主要气敏材料有聚异丁烯、氟聚多元醇等，用来测量苯乙烯和甲苯等有机蒸汽。其优势在于选择性高、灵敏度高、在很宽的温度范围内稳定、对湿度响应低和良好的可重复性。SAW传感器输出为准数字信号，因此可简便地与微处理器接口。此外，SAW传感器采用半导体平面工艺，易于将敏感器与相配的电子器件结合在一起，实现微型化、集成化，从而降低测量成本。4)石英振子式气体传感器石英振子微秤(QCM)由直径为数微米的石英振动盘和制作在盘两边的电极构成。当振荡信号加在器件上时，器件会在它的特征频率发生共振。振动盘上积淀了有机聚合物，聚合物吸附气体后，使器件质量增加，从而引起石英振子的共振频率降低，通过测定共振频率的变化来识别气体。高分子气体传感器，对特定气体分子的灵敏度高、选择性好，结构简单，可在常温下使用，补充其他气体传感器的不足，发展前景良好。2.3加工技术在传感器技术里，气敏元件的制造工艺很多，但针对气体传感器的特性、材料，主要采用微电子机械技术(MEMT)。n第57页中国矿业大学2009届本科生毕业设计微电子机械技术是以微电子技术和微加工技术为基础的一种新技术，分为体微机械技术、表面微机械技术和X射线深层光刻电铸成型(LIGA)技术。体微机械技术加工对象以体硅单晶为主，加工厚度几十至数百微米，关键技术是腐蚀技术和键合技术，优点是设备和工艺简单，但可靠性差；表面微机械技术利用半导体工艺，如氧化、扩散、光刻、薄膜沉积、牺牲层和剥离等专门技术进行加工，厚度为几微米，优点是与IC工艺兼容性好，但纵向尺寸小，无法满足高深宽比的要求，受高温的影响较大；LIGA技术采用传统的X射线包光，厚光刻胶作掩膜，电铸成型工艺，加工厚度达到数微米至数十微米，可实现重复精度很高的大批量生产。微电子机械技术是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统。2.4发展方向近年来，由于在工业生产、家庭安全、环境监测和医疗等领域对气体传感器的精度、性能、稳定性方面的要求越来越高，因此对气体传感器的研究和开发也越来越重要。随着先进科学技术的应用，气体传感器发展的趋势是微型化、智能化和多功能化。深入研究和掌握有机、无机、生物和各种材料的特性及相互作用，理解各类气体传感器的工作原理和作用机理，正确选择各类传感器的敏感材料，灵活运用微机械加工技术、敏感薄膜形成技术、微电子技术、光纤技术等，使传感器性能最优化是气体传感器的发展方向。2.4.1新气敏材料与制作工艺的研究开发对气体传感器材料的研究表明，金属氧化物半导体材料，等己趋于成熟化，特别是在CH4，CO等气体检测方面。现在这方面的工作主要有两个方向：一是利用化学修饰改性方法，对现有气体敏感膜材料进行掺杂、改性和表面修饰等处理，并对成膜工艺进行改进和优化，提高气体传感器的稳定性和选择性；二是研制开发新的气体敏感膜材料，如复合型和混合型半导体气敏材料、高分子气敏材料，使得这些新材料对不同气体具有高灵敏度、高选择性、高稳定性。由于有机高分子敏感材料具有材料丰富、成本低、制膜工艺简单、易于与其它技术兼容、在常温下工作等优点，已成为研究的热点。n第57页中国矿业大学2009届本科生毕业设计2.4.2新型气体传感器的研制沿用传统的作用原理和某些新效应，优先使用晶体材料(硅、石英、陶瓷等)，采用先进的加工技术和微结构设计，研制新型传感器及传感器系统，如光波导气体传感器、高分子声表面波和石英谐振式气体传感器的开发与使用，微生物气体传感器和仿生气体传感器的研究。随着新材料、新工艺和新技术的应用，气体传感器的性能更趋完善，使传感器的小型化、微型化和多功能化具有长期稳定性好、使用方便、价格低廉等优点。2.4.3气体传感器智能化随着人们生活水平的不断提高和对环保的日益重视，对各种有毒、有害气体的探测，对大气污染、工业废气的监测以及对食品和居住环境质量的检测都对气体传感器提出了更高的要求。纳米、薄膜技术等新材料研制技术的成功应用为气体传感器集成化和智能化提供了很好的前提条件。气体传感器将在充分利用微机械与微电子技术、计算机技术、信号处理技术、传感技术、故障诊断技术、智能技术等多学科综合技术的基础上得到发展。研制能够同时监测多种气体的全自动数字式的智能气体传感器将是该领域的重要研究方向。3基于气敏元件的煤矿瓦斯检测系统设计本章将介绍基于甲烷气体传感器的气体检测系统的系统原理框图，及其整体协调工作实现的功能；系统的硬件电路设计及其主要功能模块；系统程序流程等内容。3.1系统原理框图基于气体传感器的甲烷气体检测系统主要由气体传感器、单片机、数据存储器以及LED显示器以及RS—485通讯接口等部分组成，其原理框图如图3.1所示。采用单片机AT89S52构成煤矿气体检测系统的核心部分，根据气体传感器及测量的信号，实现对CH4的成分识别和浓度测量；使用按键面板输入外部命令；采用ATMEL公司的DataFlash存储器AT24C02存储设定的参数及大量的测量数据；通过8只8段LED数码管显示气体浓度:也可以在PC机控制模式下，采用RS—485协议，实现数据远传。n第57页中国矿业大学2009届本科生毕业设计图3.1系统硬件原理框图3.2系统硬件设计下面介绍系统硬件主要组成部分以及它们实现的功能。3.2.1单片机型号的选择随着计算机技术的发展，单片机因具有集成度高、体积小、速度快、价格低等特点而在许多领域如过程控制、数据采集、机电一体化、智能化仪表、家用电器以及网络技术等方面得到广泛应用，从而使这些领域的技术水平、自动化程度大大提高。正因为如此国内外多家电子生产厂商把目光投向了单片机的生产，其中最为著名的当数INTEL公司生产的MCS—51系列单片机。单片机型号的选择是根据控制系统的目标、功能、可靠性、性价比、精度和速度等来决定的。根据本设计的实际情况，单片机型号的选择主要从以下两点考虑:一是要有较强的抗扰动能力。由于甲烷气体检测传感器处于煤矿矿井巷道中，工作环境比较恶劣，以及实际的运行工况比较复杂，这些都对单片机的扰动较大，所以应采用抗扰动性能较好的单片机机型；二是要有较高的性价比。由于51系列在我国使用最广且该系列的资料和能够兼容的外围芯片也比较多，特别是ATMEL公司2003年推出的新一代89S系列单片机，其典型产品AT89S52单片机具有较高的性能价格比。本设计采用ATMEL公司生产的AT89S52单片机作为检测系统的核心部件，AT89S52单片机是AT89S系列单片机中的一种，它是在现已广泛应用于工业控制等各领域的AT89C52系列单片机的换代产品。它具有89C52的全部功能，是80Cn第57页中国矿业大学2009届本科生毕业设计51的增强型并且指令完全兼容，AT89S52新增加的功能由特殊功能寄存器完成，相信日后它将更广泛地应用于工业控制、汽车控制、智能仪器仪表及电机控制等应用领域。3.2.2AT89S52单片机的特点l)兼容MCS—51单片机2)8K字节FLASH存贮器支持在系统编程ISP1000次擦写周期3)256字节片内RAM4)工作电压4.0V到6.0V5)全静态时钟0HZ到33MHZ6)三级程序加密7)32个可编程I/O口5)3个16位定时/计数器9)6个中断源10)上电复位标志11)完全的双工UART串行口12)低功耗支持Idle和Power-down模式13)Power-down模式支持中断唤醒14)看门狗定时器15)双数据指针此外，与AT89C52相比，AT89S52新增加了许多功能，这将使单片机在工作过程中具备更高的稳定性和电磁抗扰动性。首先，AT89S52内部增加了片内看门狗定时器，这将有利于坚固用户应用系统，提高系统可靠性；其次，AT89S52独有的双数据指针使数据操作更加快捷方便；再次，AT89S52运行速度更高，最高晶振可达到33MHZ；最后，AT89S52支持ISP(In-SystemProgramming)在线下载功能。AT89S52中ISP引脚共有4个:RST、MOSI、MISO和SCK。用户可以直接替换应用系统中的AT89C51/52，而软件硬件均不需作任何修改，这给正使用AT89C52单片机的用户史新换代带来许多方便。正因为AT89S52单片机增加了高可靠性、安全性的功能，所以能避免因外部芯片扩展过多或传感器输入信号过多而引起的信号失真、电磁扰动等现象的发生。因此，用它作为甲烷气体测量可以满足检测、信息传送的要求。而且，从经济性的角度来看，AT89S52不但硬件结构简单，而且价格低、功能强、性价比高，符合我国工业设计制造的要求。3.2.3系统电源该系统的系统电源电路图如图3.2所示，Vin是外部输入电源，采用的是12V/3A的直流电源。C2，C4的作用是对LM317电压调节端(ADJ)的电压进行滤波，以提高输出电压的稳定性；n第57页中国矿业大学2009届本科生毕业设计Dl、D2起保护作用，当有意外情况使得LM317的Vin电压比Vout电压还低的时候，防止从C3，C4上有电流倒灌入LM317引起其损坏。整个系统用电可以划分为两部分:HVCC是LED显示器模块、气体传感器加热、传感器信号检测回路及A/D转换参考电源模块输入需要的9.58V工作电压；VCC是单片机等集成芯片需要5V的工作电压。电源部分的核心器件是三端可调输出集成稳压器LM317。LM317是美国国家半导体公司的三端可调整流稳压器集成电路，输出电压范围是1.25V至37V，负载电流最大为1.5A。它的使用非常简单，仅需两个外接电阻来设置输出电压，此外线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。内置过载保护、安全区保护等多种保护电路。输出引脚3与调节引脚1之间保持1.25V的参考电压Vref，并且引脚3为正端。当调节端接地时，输出端输出1.25V。由Vin端提供工作电压以后，便可以保持Vout端(3脚)比ADJ端(1脚)的电压高1.25V。因此，只需要用极小的电流来调整ADJ端的电压，便可在Vout端得到比较大的输出电流，并且输出电压比ADJ端电压高出恒定的1.25V。LM317的输出电压=1.25x(I+ADJ端到地的电阻/ADJ端到Vout端的电阻)。通过调整接入ADJ端和Vout端电阻的比值，来改变输出电压。值得注意的是，LM317有一个最小负载电流的问题，即只有负载电流超过某一值时，才能起到稳压作用。这个电流随器件的生产厂家而有所差异，一般在3-8mA不等，可以通过在负载端接一个合适的电阻来解决。依据LM317的输出电压计算公式，可以得到图3.2中LMI的输出:（3.1）其中:V=l.25V，R=1000，R=150。数据代入上式得:HVCC=9.58V。另外LM2的输出:（3.2）其中:V=1.25V，R=460，R4=150。数据代入公式得到:VCC=5.O8V。n第57页中国矿业大学2009届本科生毕业设计图3.2系统电源电路图3.2.4气体传感器加热及其信号采样气体传感器加热及其信号采样电路图如图3.3所示，由LM317提供加热电压。其中HVCC是输入电压，VE是气体传感器的加热电压，VH是检测回路的工作电压，GND为气体传感器加热地，VSS为信号采样地，Rs为气体传感器的敏感体电阻，R为取样电阻。传感器加热电压高，加热丝的电阻值小，这样势必导致流经加热回路的电流大；另外，为了方便测量，传感器探头电路与仪表数据处理电路不在同一个电路板上，而是用了比较长的数据线相连。如果采样地与加热地共用一条回路，采样地就会流过较大的电流，这样就能在信号采样线上产生很大的压降，从而导致采集的信号受信号采集线的长短影响较大。必须把加热地与信号地分离开，才能降低扰动。依据LM317的输出电压计算公式，可以得到:（3.3）其中:V=1.25V，R=470，R=15O。数据代入公式得到:VE5.17V。n第57页中国矿业大学2009届本科生毕业设计图3.3气体传感器加热及信号采样电路图模数转换芯片选用的是美国模拟器件公司(AnalogDevices)生产的一种低功耗10位高速串行A/D转换器AD7810，其转换精度为。模数转换时，参考电源的稳定性很重要，在本系统中外部电源是由TL431及其外围电路供给。根据欧姆定律，得到气体传感器的输出电压:(3.4)经A/D转换后，换算出气体传感器输出电压:(3.5)其中:V是A/D的转换结果由以上两式联立得:(3.6)上式化简得到:n第57页中国矿业大学2009届本科生毕业设计(3.7)从上式可以看出，R与采样回路电压VH无关，只要保证参考电压VH稳定就可以。如果确定了采样电阻R，以及A/D转换结果，就可以得到气体传感器的敏感体电阻R。3.2.5传感器信号检测回路及A/D转换参考电源传感器信号检测回路及A/D转换参考电源电路图如图3.4所示，主要由三极管和TL431组成。TL431是TI公司生产的一个有良好的热稳定性能的三端可调精密电压基准集成电路，引脚分别为:阴极(CATHODE)、阳极(ANODE)和参考端(REF);输出电压范围是2.5v到36v；典型动态阻抗为0.2，输出杂波低。在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等等。该器件内部有一个2.5V基准源VI，接在内部运放的反相输入端。由运放的特性可知，只有当REF端(同相端)的电压非常接近VI时，三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着REF端电压的微小变化，通过三极管的电流将从1到100mA变化。当在REF端引入输出反馈时，器件可以通过从阴极到阳极很宽范围的分流来控制输出电压。需要注意的是，在选择电阻时必须保证TL431工作的必要条件，即通过阴极的电流要大于1mA。图3.4中，R和R的分压引入反馈。若输出增大，则反馈量增大，TL431的分流也就增加，从而又导致VH下降。可见，这个深度的负反馈电路必然在VI等于基准电压处稳定，此时TL431的输出:（3.8）其中:V=2.5V，R=200，R=1000。数据代入公式得到:VH3V。为了降低系统功耗，用单片机I/O口控制该电源的工作状态。当I/O为高电平“1”时，NPN三极管Q导通，其集电极为低电平，从而使PNP三极管Q基极拉低，Q导通，其射极输出高电平，这样就能满足TL431的工作条件，从而可以得到VH=3V的输出电压；当I/O为低电平“0”时，NPN三极管Q截止，其集电极为高电平，从而使PNP三极管Q基极为高，Q截止，这样不能满足TL431工作条件，得到VH=0V的输出电压。n第57页中国矿业大学2009届本科生毕业设计图3.4传感器信号检测回路及A/D转换参考电源电路图3.2.6模数转换芯片AD7810的原理及应用AD7810是美国模拟器件公司(AnalogDevices)生产的一种低功耗10位高速串行A/D转换器。该产品有8脚DIP和SOIC两种封装形式，并带有内部时钟。它的外围接线极其简单，AD7810的转换时间为2，采用标准SPI同步串行接口和单一电源(2.7V—5.5V)供电。在自动低功耗模式下，该器件在转换吞吐率为1kSPS时的功耗仅为27W。1、AD7810引脚功能AD7810引脚排列如图1所示，各引脚的功能如下:1)脚CONVST:转换启动输入信号2)脚VIN+:模拟信号同相输入端3)脚VIN-:模拟信号反相输入端4)脚GND:接地端口5)脚VREF:转换参考电压输入端6)脚DOLT:串行数据输出端7)脚SCLK:时钟输入端8)脚VDD:电源端n第57页中国矿业大学2009届本科生毕业设计图3.5AD7810引脚功能2、AD7810主要参数l)分辨率:10位二进制2)转换时间:23)非线性误差:4)电源电压范围:2.7—5.5V5)电源功耗:高速方式时为17.5mW，低功耗方式时为5W6)参考电压V范围:1.2V—VDD7)模拟电压输入范围:0V—V8)输出形式:SPI同步串行输出，与TTL电平兼容3、AD7810的工作模式l高速模式图3.6是AD7810工作在高速模式时的时序图。在此模式下，启动信号CONVST一般处于高电平。在CONVST端输入一个负脉冲，其下降沿将启动一次转换。若采用内部时钟，那么，转换需要2S的时间(图中t1)。当转换结束时，AD7810会自动将转换结果锁存到输出移位寄存器中。此后，在每一个SCLK脉冲的上升沿，数据按由高到低的原则(首先发送DB9，最后发送DB0)依次出现在DOUT上。如果在转换还未结束之前就发出SCLK信号来启动数据输出，那么，在DOUT上出现的将是上一次转换的结果。n第57页中国矿业大学2009届本科生毕业设计图3.6AD7810高速模式时序图启动信号CONVST应在转换结束前变为高电平，即t2应小于t1，否则器件自动进入低功耗模式。另外，串行时钟SCLK的最高频率不能超过20MHz。l自动低功耗模式图3.7是AD7810工作在自动低功耗模式时的时序图。在此模式下，启动信号CONVST为低电平时，器件处于低功耗休眠状态。当在CONVST端输入一个正脉时，可在其上升沿将器件从休眠状态唤醒，唤醒过程需要1S的时间(图中t2)。当器件被唤醒后，系统将自动启动一次转换，转换时间也是2S(图中t1)。转换结束时，AD7810将转换结果锁存到输出移位寄存器中，同时自动将器件再次置于低功耗状态。图3.7AD7810自动低功耗模式n第57页中国矿业大学2009届本科生毕业设计启动信号CONVST正脉冲的宽度(图3.7中t2)应小于1s，否则器件被唤醒后将不会自动启动转换，而是将A/D转换的启动时间顺延至CONVST的下降沿处。自动低功耗模式是AD7810的一大特色，一般当数据吞吐率小于100kSPS时，应使器件工作在此模式下。在5V电源电压下，当数据吞吐率为100kSPS时，器件的功耗2.7mW；而当数据吞吐率为10kSPS时，功耗为270W。若数据吞吐率为1kSPS，则其功耗仅27W。4、AD7810的应用电路AD7810应用时几乎不需外围元件。图3.8所示是其应用电路，其参考电压V连接至参考电源VH，模拟输入VIN-接至GND，而待由气体传感器输出的信号从VIN+输入。图3.8AD7810应用电路AD7810几乎可与各种MCU进行接口，图3.8中的MCU可以是51系列或PIC16C6X/7X单片机。在本论文中AD7810与AT89S52接口时，电路采用的是一种模拟串行方式，AD7810的SCLK、DOUT和CONVST分别接至AT89S52的P1.5、p1.6和p1.7，只要严格按照AD7810的时序要求操作，一般接口都不会有问题。这种方式实际上可扩展到所有的MCU种类。另外，AT89S52也可利用其串行口工作方式0与AD7810进行通讯(图中未画出)，但这时应解决好两个问题:一是由于AT89S52在TXD的上升沿进行采样，这样，TXD应经过一个反相器再接到SCLK，而将RXD接至Doutn第57页中国矿业大学2009届本科生毕业设计，然后将CONVSI接至任意一个输出端口。二是AT89S52串行口首先接收低位数据，这一点与AD7810刚好相反。3.2.7MAX7219显示电路本设计中气体检测系统的工作环境是处于比较黑暗的矿井巷道中，所以不宜采用液晶显示模块，而采用了发光柔和的LED数码管作显示，显示颜色为红色。发光数码管的优点在于防潮防湿，温度特性极佳，而且有远距离视觉效果，很适合矿井下恶劣环境的需要。而我们使用的单片机AT89S52本身并无显示接口部分，需要外接显示的译码驱动电路。LED数码管显示有动态显示和静态显示两种方式。通常不管采用哪种显示方式，单片机往往都工作于并行I/O或存储器方式。在本单片机数据采集控制系统中，利用MAXIM公司的串行接口8位LED显示驱动器MAX7219构成显示接口电路，仅需使用单片机3个引脚，即可实现对8位LED数码管的显示控制和驱动，线路非常简单，控制简单方便。l、MAX7219的功能和设置MAX7219芯片为MAXIM公司推出的串行输入/输出共阴极显示驱动器，是用一个芯片实现以往用软件完成的动态显示电路扫描工作的器件。每片可控制显示8个七段LED数码管、条形图或64个发光二极管，控制字简单。为24引脚芯片，除与显示器连接外，与微机串行口为3线连接，芯片外部电路仅为一限制峰值段电流的电阻，线路简单，极大地方便了对显示器件的控制。该芯片控制的显示位数多，控制字少，可对全部或个别显示位的数据进行更新。并可方便地进行多个芯片的级联，扩展显示容量。MAX7219有多种封装形式，如窄式DIP封装和SOP封装等。MAX7219的串行数据格式如表3.1所示。其中:D12—D15位不用；D8—D11为显示位和各种工作方式的控制寄存器地址位，可选择要显示的位、解码方式、显示亮度、扫描位数、停止方式、显示测试等，其地址分布如表3.2所示；D0—D7为数据位，其形式与显示出的数字间的关系与解码方式有关。表3.2中X可为16进制任意值，一般取为0。每组16位数据中，首先接收的为最高有效位，最后接收的为最低有效位。D15D14D13D12D11D10D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0XXXX地址MSBDATALSB表3.1MAX7219串行数据格式n第57页中国矿业大学2009届本科生毕业设计解码方式寄存器可设置各位数码管为解码显示方式，或非解码的数据位与显示段直接对应的显示方式。亮度寄存器用于与外部电阻配合控制数码管的显示亮度。扫描限制寄存器控制显示的位数。停机寄存器控制显示器为停机或正常工作状态，停机状态下描振荡器停止工作，消隐所有显示位。显示测试寄存器设置器件为正常工作或测试状态。空操作寄存器用于多个MAX7219级连。器件上电后所有控制寄存器复位。解码方式寄存器的值为非解码方式，亮度寄存器的值设置为最小，扫描寄存器设置为仅显示1位，停机寄存器处于停机状态，显示消隐。因此MAX7219必须经过初始化后才可正常工作。MAX7219的工作时序如图3.9所示。数据由DIN引脚输入，最先输入的为最高位，在CLK的上升沿将数据位移入器件内的移位寄存器，LOAD引脚信号的上升沿将最后移入的16位数据锁存入相应的寄存器中，LOAD信号的上升沿必须与CLK的上升沿同时，或在其后。从DIN输入的数据经过16.5个CLK脉冲后移到DOUT引脚上。寄存器地址十六进制码D15-D12D11D10D9D8N-OX00000XX0位0X00010XX1位1X00100XX2位2X00110XX3位3X01000XX4位4X01010XX5位5X01100XX6位6X01110XX7位7X10000XX8译码方式X10010XX9亮度X10100XXA扫描范围X10110XXB关闭X11000XXC显示测试X11110XXF表3.2MAX7219地址格式2、单片机的串行工作方式AT89S52单片机串行口有四种发送工作方式，其中方式0n第57页中国矿业大学2009届本科生毕业设计每帧共发送8位数，其他工作方式下每帧发送均不为8位数或其倍数。因此只能考虑使用方式0。串行口工作于方式0时，通过P1.0引脚发送/接收串行数据，通过P1.1引脚发送移位时钟脉冲。发送顺序为低位在前，高位在后，与MAX7219的接收顺序相反。从单片机时序上看，只需在发送前将显示数据和地址码的高低位顺序颠倒，利用串行方式0进行发送，每发送两次，就可向MAX7219输出一个要显示的数据或控制寄存器参数。而在单片机与MAX7219的时序配合中，时钟脉冲的配合是非常关键的。图3.9MAX7219时序图3、单片机与MAX7219的连接控制系统单片机与MAX7219及显示器件的连接如图3.10所示。单片机的P1.0、P1.1引脚分别接MAX7219的DIN、CLK，以p1.2控制LOAD引脚。由于MAX7219是在脉冲信号控制下工作的，抗扰动非常关键，在线路上，MAX7219应尽量与显示器件相靠近，以减少外部的扰动。n第57页中国矿业大学2009届本科生毕业设计图3.10MAX7219电路连接图4、控制程序设计本系统中单片机采用中断方式对MAX7219进行控制，传送16位数据的地址位和数据位。在主程序中，包括串行方式的设置、显示缓冲单元和各控制寄存器的地址码及数据单元的分配、对MAX7219的初始化等。由于MAX7219易受扰动影响，因此在程序执行过程中应经常对显示进行更新。3.2.8总线接口电路总线是一种用于IC器件之间连接的二线制总线。它通过SDA(串行数据线)及SCL(串行时钟线)两根线在连到总线上的器件之间传送信息，并根据地址识别每个器件:不管是单片机、存储器、LCD驱动器还是键盘接口。1、总线的基本结构采用总线标准的单片机或IC器件，其内部不仅有接口电路，而且将内部各单元电路按功能划分为若干相对独立的模块，通过软件寻址实现片选，减少了器件片选线的连接。CPU不仅能通过指令将某个功能单元电路挂靠或摘离总线，还可对该单元的工作状况进行检测，从而实现对硬件系统的既简单又灵活的扩展与控制。总线接口电路结构如图3.11所示。n第57页中国矿业大学2009届本科生毕业设计图3.11总线接口电路结构2、双向传输的接口特性传统的单片机串行接口的发送和接收一般都各用一条线，如MCS51系列的TXD和RXD，而总线则根据器件的功能通过软件程序使其可工作于发送或接收方式。当某个器件向总线土发送信息时，它就是发送器(也叫主器件)，而当其从总线上接收信息时，又成为接收器(也叫从器件)。主器件用于启动总线上传送数据并产生时钟以开放传送的器件，此时任何被寻址的器件均被认为是从器件。总线的控制完全由挂接在总线上的主器件送出的地址和数据决定。在总线上，既没有中心机，也没有优先机。总线上主和从(即发送和接收)的关系不是一成不变的，而是取决于此时数据传送的方向。SDA和SCL均为双向I/O线，通过上拉电阻接正电源。当总线空闲时，两根线都是高电平。连接总线的器件的输出级必须是集电极或漏极开路，以具有线“与”功能。总线的数据传送速率在标工作方式下为100kbit/s，在快速方式下，最高传送速率可达400kbit/s。3、总线上的时钟信号在总线上传送信息时的时钟同步信号是由挂接在SCL时钟线上的所有器件的逻辑“与”完成的。SCL线上由高电平到低电平的跳变将影响到这些器件，一旦n第57页中国矿业大学2009届本科生毕业设计某个器件的时钟信号下跳为低电平，将使SCL线一直保持低电平，使SCL线上的所有器件开始低电平期。此时，低电平周期短的器件的时钟由低至高的跳变并不能影响SCL线的状态，于是这些器件将进入高电平等待的状态。当所有器件的时钟信号都上跳为高电平时，低电平期结束，SCL线被释放返回高电平，即所有的器件都同时开始它们的高电平期。其后，第一个结束高电平期的器件又将SCL线拉成低电平。这样就在SCL线上产生一个同步时钟。可见，时钟低电平时间由时钟低电平期最长的器件确定，而时钟高电平时间由时钟高电平期最短的器件确定。4、数据的传送在数据传送过程中，必须确认数据传送的开始和结束。在总线技术规范中，开始和结束信号(也称启动和停止信号)的定义如图3.12所示。当时钟线SCL为高电平时，数据线SDA山高电平跳变为低电平定义为“开始”信号；当SCL线为高电平时，SDA线发生低电平到高电平的跳变为“结束”信号。开始和结束信号都是由主器件产生。在开始信号以后，总线即被认为处于忙状态；在结束信号以后的一段时间内，总线被认为是空闲的。图3.12总线开始和结束信号定义图总线的数据传送格式是:在总线开始信号后，送出的第一个字节数据是用来选择从器件地址的，其中前7位为地址码，第8位为方向位(R/W)。方向位为“0”表示发送，即主器件把信息写到所选择的从器件；方向位为“1”表示主器件将从从器件上读信息。开始信号后，系统中的各个器件将自己的地址和主器件送到总线上的地址进行比较，如果与主器件发送到总线上的地址一致，则该器件即为被主器件寻址的器件，其接收信息还是发送信息则由第8位(R/W)确定。在总线上每次传送的数据字节数不限，但每一个字节必须为8位，而且每个传送的字节后面必须跟一个认可位(第9位)，也叫应答位(ACK)。每次都是先传最高位，通常从器件在接收到每个字节后都会做n第57页中国矿业大学2009届本科生毕业设计出响应，即释放SCL线返回高电平，准备接收下一个数据字节，主器件可继续传送。如果从器件正在处理一个实时事件而不能接收数据时(例如正在处理一个内部中断，在这个中断处理完之前就不能接收总线上的数据字节)，可以使时钟SCL线保持低电平，从器件必须使SCL保持高电平，此时主器件产生1个结束信号，使传送异常结束，迫使主器件处于等待状态。当从器件处理完毕时将释放SCL线，主器件继续传送。当主器件发送完一个字节的数据后，接着发出对应于SCL线上的一个时钟(ACK)认可位，在此时钟内主器件释放SDA线，一个字节传送结束，而从器件的响应信号将SDA线拉成低电平，使SDA在该时钟的高电平期间为稳定的低电平。从器件的响应信号结束后，SDA线返回高电平，进入下一个传送周期。5、总线接口器件目前在视频处理、移动通信、数据采集等领域采用总线接口器件已经比较普遍。另外，通用的总线接口器件，如带总线的单片机、RAM、ROM、A/D、D/A、LCD驱动器等器件，也越来越多地应用于计算机及自动控制系统中。AT24C02是美国ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM，它是内含2568位存储空间，具有工作电压宽（2.5—5.5V）、擦写次数多（大于10000次）、写入速度快（小于10ms）等特点。AT24C02与AT89S52连接电路见图3.13。图3.13AT24C02与AT89S52连接电路图图中AT24C02的1、2、3n第57页中国矿业大学2009届本科生毕业设计脚是三条地址线，用于确定芯片的硬件地址。它们都接地，第8脚和第4脚分别为正、负电源。第5脚SDA为串行数据输入/输出，数据通过这条双向总线串行传送，和单片机的P3.7连接。第6脚SCL为串行时钟输入线，和单片机的P3.6连接。SDA和SCL都需要和正电源间各接一个5.IK的电阻上拉。第7脚需要接地。3.2.9RS—485串口通讯本节主要介绍RS—485的标准，并从几个方面简要介绍了本设计在用RS—485进行数据通讯时提高可靠性的一些措施。RS—485作为一种多点差分数据传输的电气规范现已成为业界应用最为广泛的标准通信接口之一，这种通信接口允许在简单的一对双绞线上进行多点双向通信。它所具有的噪声抑制能力、数据传输速率、电缆长度及可靠性等方面是其他标准无法比拟的。因此，许多不同领域都采用RS—485作为数据传输链路。例如:汽车电子电信设备局域网、蜂窝基站工业控制仪器仪表等等。这项标准得到广泛接受的另外一个原因是它的通用性。RS—485标准只对接口的电气特性做出规定而不涉及接插件电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。尽管RS—485标准已被广泛接受，但是对于它在实际应用中的一些具体问题并没有得到深入广泛的认识，甚至存在着种种误区以至于影响到整个系统的性能。本节在介绍RS—485标准的基础上重点讨论几个在本设计实际应用中注意的几个方面。1、RS—485标准回顾RS—485标准最初由电子工业协会EIA于1983年制订并发布，后由TIA通讯工业协会修订后命名为TIA/EIA—485—A，不过工程师还是习惯地称之为RS—485，RS—485由RS—422发展而来，后者是为弥补RS—232之不足而提出的为改进RS—232通信距离短、速率低的缺点。RS—422定义了一种平衡通信接口将传输速率提高到10Mbps，传输距离延长到4000英尺(速率低于100kbpS时)，并允许在一条平衡线上连接最多10个接收器。RS—422是一种单机发送多机接收的单向平衡传输规范，为扩展应用范围随后又为其增加了多点双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性扩展了总线共模范围，这就是后来的EIARS—485标准。RS—485是一个电气接口规范，它只规定了平衡驱动器和接收器的电特性，而没有规定接插件传输电缆和通信协议。RS—485标准定义了一个基于单对平衡线的多点双向半双工通信链路，是一种极为经济、并具有相当高噪声抑制、传输速率、传输距离和宽共模范围的通信平台。RS—485接口的主要特点如下:n第57页中国矿业大学2009届本科生毕业设计l)平衡传输2)多点通信3)驱动器输出电压(带载)|1.5V|4)接收器输入门限:200mV5)-7V至+12v总线共模范围6)最大输入电流:1.0mA/-0.8mA(12Vin/-7Vin)7)最大总线负载:32个单位负载(UL)8)最大传输速率:10Mbps9)最大电缆长度:1200m2、RS—485通信硬件电路设计在使用RS—485总线进行数据通信时，如果简单地按常规方式设计电路，在实际工程中可能有以下两个问题出现。一是通信数据收发的可靠性问题；二是在多机通信方式下(图3.14)，一个节点的故障(如死机)，往往会使得整个系统的通信框架崩溃，而且给故障的排查带来困难，针对上述问题，我们对485总线的软硬件采取了具体的改进措施。图3.14RS—485系统示意图1、硬件电路的设计在设计中采用AT89S52单片机自带的异步通信口，外接MAX485芯片转换成485总线。其中为了实现总线与单片机系统的隔离，在AT89S52的异步通信口与MAX485之间采用光耦隔离。电路原理图如图3.15所示。n第57页中国矿业大学2009届本科生毕业设计图3.15485通信电路原理图MAX485各引脚意义如下:l)RO:接收数据的TTL电平输出2)RE:低电平有效的接收允许3)DE:高电平有效的发送允许4)DI:发送数据的TTL电平输入5)A:485差分信号的正向端6)B:485差分信号的反向端充分考虑现场的复杂环境，在电路设计中注意了以下三个问题。lMAX485芯片DE控制端的设计由于应用系统中，主机与分机相隔较远，通信线路的总长度往往超过400米，而分机系统上电或复位又常常不在同一个时刻完成。如果在此时某个MAX485的DE端电位为“1”，那么它的485总线输出将会处于发送状态，也就是占用了通信总线，这样其它的分机就无法与主机进行通信。这种情况尤其表现在某个分机出现异常情况下(死机)，会使整个系统通信崩溃。因此在电路设计时，应保证系统上电复位时MAX485的DE端电位为“0”。由于AT89S52在复位期间，I/O口输出高电平，故图3.15电路的接法有效地解决复位期间分机“咬”总线的问题。l隔离光耦电路的参数选取在瓦斯数据采集系统中，由于要对现场情况进行检测及响应，通信数据的波特率往往做得较高(通常都在4800波特以上)。限制通信波特率提高的n第57页中国矿业大学2009届本科生毕业设计“瓶颈”，并不是现场的导线(现场施工一般使用5类非屏蔽的双绞线)，而是在与单片机系统进行信号隔离的光耦电路上。此处采用TIL117。电阻R2、R3如果选取得较大，将会使光耦的发光管由截止进入饱和变得较慢;如果选取得过小，退出饱和也会很慢，所以这两只电阻的数值要精心选取，不同型号的光耦及驱动电路使得这两个电阻的数值略有差异。l485总线输出电路部分的设计输出电路的设计要充分考虑到线路上的各种扰动及线路特性阻抗的匹配。由于工程环境比较复杂，现场常有各种形式的扰动源，所以485总线的传输端一定要加有保护措施。在电路设计中采用稳压管D1、D2组成的吸收回路，也可以选用能够抗浪涌的TVS瞬态杂波抑制器件，或者直接选用能抗雷击的485芯片(如SN75LBC184等)。考虑到线路的特殊情况(如某一台分机的485芯片被击穿短路)，为防止总线中其它分机的通信受到影响，在MAX485的485信号输出端串联了两个20的电阻R10、R11。这样本机的硬件故障就不会使整个总线的通信受到影响。在应用系统的现场采集中，由于通信载体是双绞线，它的特性阻抗为120左右，所以线路设计时，在RS—485网络传输线的始端和末端各应接1只12O的匹配电阻(如图3.15中R8)，以减少线路上传输信号的反射。由于RS—485芯片的特性，接收器的监测灵敏度为200mV，即差分输入端VA-VB+200mV，输出逻辑1，VA-VB200mV，输出逻辑0；而A、B端电位差的绝对值小于200mV时，输出为不确定。如果在总线上所有发送器被禁止时，接收器输出逻辑0，这会误认为通信帧的起始引起工作不正常。解决这个问题的办法是人为地使A端电位高于B两端电位，这样RXD的电平在485总线不发送期间(总线悬浮时)呈现唯一的高电平，AT89S52单片机就不会被误中断而收到乱字符。通过在485电路的A、B输出端加接3.3K的上拉、下拉电阻R7、R9，即可很好地解决这个问题。2、软件的编程485芯片的软件编程对产品的可靠性也有很大影响。由于485总线是异步半双工的通信总线，在某一个时刻，总线只可能呈现一种状态，所以这种方式一般适用于主机对分机的查询方式通信，总线上必然有一台始终处于主机地位的设备在巡检其它的分机，所以需要制定一套合理的通信协议来协调总线的分时共用。这里采用的是数据包通信方式。通信数据是成帧成包发送的，每包数据都有引导码、长度码、地址码、命令码、内容、校验码等部分组成。其中引导码是用于同步每一包数据的引导头；n第57页中国矿业大学2009届本科生毕业设计长度码是这一包数据的总长度；命令码是主机对分机(或分机应答主机)的控制命令；地址码是分机的本机地址号；“内容”是这一包数据里的各种信息；校验码是这一包数据的校验标志，可以采用奇偶校验、和校验等不同的方式。在485芯片的通信中，尤其要注意对485控制端DE的软件编程。为了可靠的工作，在485总线状态切换时需要做适当延时，再进行数据的收发。具体的做法是在数据发送状态下，先将控制端置“1”，延时1ms左右的时间再发送有效的数据，一包数据发送结束后再延时1ms，将控制端置“0”。这样的处理会使总线在状态切换时，有一个稳定的工作过程。经过以上的软硬件共同处理，RS—485总线在应用系统工程中的可靠性大大提高，在通常的环境条件下，24小时连续开机，系统的通信始终处于正常状态，整机性能满足了对瓦斯进行检测与数据采集的需要。3.2.10声光报警电路瓦斯检测仪在井下工作，对环境气体中的瓦斯浓度进行检测；当瓦斯浓度超过预先设定的上限值时，系统发出声光报警。声报警通过驱动蜂鸣器发声实现；光报警通过发光二极管闪烁实现。图3-16声光报警电路图中使用RCO引脚控制输出声光报警信号。BELL是蜂鸣器、LED是发光管、PS是PNP的三极管、IC4B是电压比较器。当CO输出低电平时，IC4B输出低电平，PS导通，发出声光报警信号；n第57页中国矿业大学2009届本科生毕业设计当CO输出高电平时，IC4B输出高电平，但是比较器输出高电平时驱动能力不够(需要接上拉电阻RC8)，PS截止，不发出声光报警信号。3.2.11看门狗硬件电路在检测系统中为了保证单片机可靠而稳定的运行，使单片机系统尽快摆脱因扰动而产生的程序跑飞或死循环，需要一种监视器，提供某种状态使CPU重新回到用户程序。这种监视器即“看门狗”(Watchdog)。检测系统设计有看门狗功能，一旦系统在现场受到突发扰动使程序跑飞，单片机没有自我保护能力，不能使系统复位，重新工作。为此，本系统采用了MAX7O6和AT89S52构成的“看门狗”硬件电路，如图3.16所示。MAX706是一种性能优良的低功耗CMOS监控电路芯片，其内部电路由上电复位、可重复触发“看门狗”定时器及电压比较器等组成。MAX7O6有以下特性:1)精确的供电电压检测(2.63v，2.93v，3.08v)2)200ms的复位时延3)对手动复位信号消抖，兼容TTL/CMOS4)独立的1.6秒时长watchdog5)可输出高电平有效的复位信号CPU正常工作时，该电路对其不加干预，当CPU工作失常一段时间后，看门狗电路动作，使系统复位重新工作。图3.17看门狗电路图1.3作为喂狗信号，CPU只要在1.6s内给P1.3一个n第57页中国矿业大学2009届本科生毕业设计正脉冲，看门狗定时器被清零，引脚维持高电平；当程序跑飞或死机时，CPU不能在1.6s内给出喂狗信号，引脚立即跳变为低电平，进而触发MR手动复位引脚，使MAX706复位，从而使“看门狗”定时器清零并重新开始计时，引脚输出高电平，MAX706的复位输出引脚输出大约200ms宽度的的电平脉冲，使单片机控制系统可靠复位，重新投入正常运行。4系统软件设计本系统软硬件底层设计软件是采用美国KEILSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统KEILUvision2。KEILUvision2是众多单片机应用开发软件中优秀的软件之一，它支持众多不同公司的MCS51架构的芯片，它集编辑，编译，仿真等于一体，同时还支持汇编和C语言的程序设计，它的界面和常用的微软VC++的界面相似，界面友好，易学易用，在调试程序，软件仿真方而也有很强大的功能。论文中设计的内嵌于气体检测仪表中的软件所要完成的主要功能有:l)设置系统初始状态2)气体成分识别及浓度计算、显示3)报警阈值设置4)数据存储5)串行通讯6)测量结束后系统进入低功耗状态上述功能主要由主程序、气体传感器信号测量子程序、按键中断程序、定时器A中断程序、定时器B中断程序、显示子程序、数据存储子程序、串行中断程序以及软件的低功耗设置这几个部分完成。4.1主程序主程序首先初始单片机的一些寄存器、I/O等的状态功能，开/关一些IC芯片的电源，如延时等待晶振稳定等；然后从闪速存储器里读取设定的参数；接着延时进行气体传感器预热:最后程序进入主循环，开启中断，进入低功耗模式3，等待中断唤醒。其工作流程如图4.1所示。n第57页中国矿业大学2009届本科生毕业设计图4.1主程序流程图n第57页中国矿业大学2009届本科生毕业设计4.2按键中断程序图4.2按键中断程序流程图仪表有6个外部按键，它们的名称分别为“CH4”、“▲”、“”、“RECORD”、“RESET”、“AlarmStop”。运用它们各自的独立功能及组合功能，配合LED显示，实现人机界面操作。其程序流程图如图4.2所示，具体完成以下功能:n第57页中国矿业大学2009届本科生毕业设计1)参数设定:触发“CH4”键，显示CH4报警阈值。“▲”键控制LED设置位，“”键改变被设置位的位值(从0到9循环改变)。再次触发“CH4”键，就可以更新CH4报警阈值。更新的参数存入DataFlash后，并在液晶上显示“88“，提示参数设置成功。2)数据采集:触发“RECORD’’键，启动定时器A，进行传感器数据采集、处理、显示、存储等操作。再次触发“RECORD”键，关闭定时器A，停止数据采集。3)系统复位:触发“RESET”键，启动看门狗复位功能，1.9ms后，程序复位。4)屏蔽:触发“AlarmStop”键，程序暂时屏蔽报警和LED显示功能。4.3定时器A中断程序n第57页中国矿业大学2009届本科生毕业设计中断入口关闭定时器A记录时间？读取时钟数据并存储传感器信号采集数据处理数据存储并显示数据远传？报警?停止数据采集？开启定时器A中断返回传输数据读取时钟数据并存储声光报警并显示气体成分及浓度图4.3定时器A中断程序流程图本文利用定时器A定时中断来实现对环境气体的循环测量，其程序流程如图4.3所示。进入定时中断后，关闭定时器A，关中断；n第57页中国矿业大学2009届本科生毕业设计设置A/D转换模式，采集气体传感器信号；设置定时器B，识别气体成分，计算气体浓度；存储、显示数据以及数据远传:气体浓度超过阈值进行声光报警。中断返回时，开中断，开启定时器A。如果数据采集停止标志位复位，则关闭定时器A，退出定时器A程序中断，停止数据采集。4.4串行中断程序n第57页中国矿业大学2009届本科生毕业设计进入串口中断并清除串口中断标志是冒号？是回车？是换行?清除数据局接受标志节点号正确？校验数据正确？确？置位数据接收有效标志位中断返回置位数据接收错误标志位串口接收数据标志位置位存入数据缓冲区图4.4串行中断程序流程图本文利用AT89Sn第57页中国矿业大学2009届本科生毕业设计52单片机的通用串行同步/异步(UART)通信接口，来实现PC机对煤矿气体检测仪表的控制。UART接口允许7或8位串行位流以预设的速率或外部时钟确定的速率移入、移出单片机。UART接口支持两种不同的串行协议:通用异步协议(UART协议)和同步协议(SPI协议)。用控制寄存器UCTL中的控制位来选择所需的模式。PC机发送命令，CH4气体检测仪表根据PC机发送过来的命令进行相应的处理。程序流程如图4.4所示，冒号是串行通讯的起止码，是数据传输开始标志；回车换行是串行通讯的停止码，是数据传输结束标志。5总结与展望5.1总结我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，也是世界上少数几个以煤为主要能源的国家之一。据不完全统计，2003年中国煤炭产量占世界产量的35%，可事故伤亡人数却占80%。2004年中国有6009名煤矿工人因发生矿难而死亡。在这些事故中，瓦斯爆炸又占绝大多数，瓦斯灾害已成为煤矿安全生产的大敌。伴随气体传感器的发展，气体检测仪器的种类也在不断更新。本文采用的CH4气体传感器选用具有较高性能价格比的AT89S52单片机作为硬件电路的核心，设计甲烷气体检测仪表的电路。系统软件部分采用了模块化设计，为以后对系统的升级提供了良好的接口，使后继开发人员可以方便快捷地改变系统设置。5.2展望煤矿气体检测系统对煤矿工业安全生产，减少事故发生和生命财产损失有重要意义，但是还是存在其不足的地方，今后考虑从两个方面进一步研究探讨:l)测量煤矿其他潜在致灾因素，如采集矿道压力预防巷道坍塌、测量煤层温度防止煤层自燃、测量巷道风速防止瓦斯积聚等。通过多参数的数据采集进一步完善煤矿安全检测系统。2)增加系统控制功能，在本设计中主要对检测进行了深入讨论，在进一步的研究中考虑如何将智能控制引入系统。n第57页中国矿业大学2009届本科生毕业设计参考文献：[1]毛健全.煤层甲烷资源的开发与利用，贵州地质，1997，14(3):253-259.[2]周军民.耿村煤矿“1.25”特大瓦斯爆炸原因及防范措施.煤矿安全，2001(3):32-33.[3]李鸿燕，张立毅.基于单片机控制的甲烷浓度报警监控仪电脑开发与应用，2002，15(8):29-30.[4]王君，凌振宝.传感器原理及监测技术.长春：吉林大学出版社，2003：267-290.[5]LiobetE,BrezmesJ,VilanovaK,etal.Qua1itativeana1ysisofvolati1eorganiccompoundsusingtransientandsteadystateresponseofathickfilmtinoxidegassensorarray.SensorsandActuatorsB,1997(41):13-21.[6]RomainAC,AC,NicolasJ,WiertzVetal.Useofasimpletinoxidearraytoidentifyfivemalodorscollectedinthefield.SensorsandActuatorsB,2000(62):73-79.[7]NakamotolT,OkazakiN,MonizumiT.Highspeedactivegas/odorsensingsystemusingadaptivecontroltheory.SensorsandActuatorsB,2000(41):183-188.[8]李明.NTC热敏电阻用于可燃性气体监测的研究.职大学刊，1997(2):30-34.[9]顾文照，顾月清等.催化燃烧式可燃气体微机化监测技术研究.传感技术学报，1999(1):63-68.[10]刘建周，范健，王小刚等.甲烷催化燃烧反应与甲烷传感器稳定性的研究.煤炭转化，2001，21(1):87-90.[11]肖鸣，陈岱.光干涉法实现CH4浓度的直读式测最.国内科技，1999(2):37-38.[12]白晓东.交叉气体反应对气体检查装备的影响.矿业安全与环保，2002，29(5):25-26.[13]HauptmannP,BomgraeberR,SchroederJet.al.Artificalelectronictougueincomparisontotheelectronicnosestateoftheartandtrends.2000IEEE/EIAInternationalFrequencyContronicSymposiumandExhibition,2000:22-29.[14]余皓，徐良，林征等.新型多路可燃气体检测电子鼻.仪表技术与传感器，2002(5):46-49.n第57页中国矿业大学2009届本科生毕业设计[15]张延松.煤矿井下有害气体的危害及预防.安全，1996(2):14-16.[16]朱经国.可燃气体监测报警器的检定.中国计最，2001(62):53-53.[17]王幸之.片机应用系统抗扰动技术，北京航空航天大学出版社，1999.[18]于不凡.煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册，煤炭工业出版社，2000.[19]YeaB,OsakiT,SugaharaKetal.Theconcentrationestimationofinflammablegaseswithasemiconductorgassensorutilizingneuralnetworksandfuzzyinference.SensorsandActuatorsB,1997(41):121-129.[20]何立民，MCS-51系列单片机应用系统设计，北京航空航天大学出版社，1999.[21]胡大可.MSP43O系列FLASH型超低功耗16位单片机.北京航空航天大学出版社，2001:1-169.[22]杨振江，孙古彪，王曙梅，布线涛.智能仪器与数据采集系统中的新器件及应用，西安:西安电子科技大学出版社，2001:124-138.[23]余永权.ATMEL89系列单片机应用技术，北京:北京航空航天大学出版社，2002:218-224.[24]孙育才等.ATMEL新型AT89S52系列单片机及其应用，清华大学出版社，2004.1.[25]季宏锋，吴军辉，徐立鸿.总线技术及应用实例.自动化与仪表，2002(4):21-23.[26]陈秀玲，周欣，陈黎平.总线数据传输系统的设计及其应用.微型电脑应用，2003，19(5):42-45.[27]王文兴，颜国正.串行DataFlash存储器及其与单片机的接口.单片机与嵌入式系统应用，2003(l):41-44.[28]安格斯生著.精英科技译串口大全，北京:中国电力出版社，2001:115-232.[29]胡大可.单片机C语言程序设计与开发，北京:北京航空航天大学出版社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hebondincludesadevicesuchasdiodetoensurethatcurrentcanonlyflowinonedirection.4Identificationandmeasurementofstraycurrentinterference4.1IdentificationIncaseswherethereisapossiblecorrosionriskduetod.c.interferenceanalysisofthesituationshallconsiderelectricalpropertiesandthelocationofthepossiblesourceofinterferenceaswellasanomaliesrecordedduringroutinecatholicprotectionmeasurements.Therearefourprincipalwaystoidentifystray-currentinterference.Thesearetomeasureoneormoreofthefollowing:—structuretoelectrolytepotentialfluctuations;—deviationsfromnormalstructuretoelectrolytepotentials;—voltagegradientsintheelectrolyte;—linecurrentsinpipelinescouponsormetalliccablesheaths.Themeasurementofcurrentfluctuationsandcurrentpolaritychangesisparticularlyusefulforidentifyinginterferenceincomplexnetwords.Afterstraycurrentinterferencehasbeenidentifiedfurthermeasurementsmustbecarriedouttoassesstheriskofcorrosion.4.2Measurementn第57页中国矿业大学2009届本科生毕业设计4.2.1GeneralInordertoassesstheriskofcorrosiontowhichanymetalstructureisexposedasaresultofstraycurrent,thepositivepotentialshiftoftheaffectedstructureshallbeconsidered(see6.1).Ifcatholiccorrosion(seeAnnexAandEN12954)ofthemetallicstructureislikelytooccurcorrosionrisksshallalsobeassessedbyreferencetothenegativeshiftofthepotentialofthestructure(see6.2).Thestructuretosoilpotentialshouldbemeasuredwithrespecttoareferenceelectrode,whichisplaceddirectlyabovetheinterferedstructure.Inordertoidentifystraycurrentpolarityand/ormagnitudepotentialgradientmeasurementsusingtworeferenceelectrodesmaybecarriedout.Oneofthetwoelectrodesshallbeplacedimmediatelyabovethestructureexposedtotheinterferenceandtheotheroneatadistanceof,ideally,notlessthan10m.Measuringthemagnitudeanddirectionofcurrentflowand/orthepotentialshiftatcouponsortestprobeswillhelptoassessapossiblecorrosionrisk.Measurementtechniques,sampleperiodsandthenumberofreadingsshallbeselectedtoproviderepresentativedata.Inordertoensureaccuratemeasurementscareshouldbetakentoselectsuitablevoltagerecordingequipmentanddueconsiderationgiventoinputimpedance,sampleperiod(orchartspeed)andsignalconditioningandfiltering.MeasurementtechniquesaredescribedinEN13509.4.2.2NonfluctuatinginterferenceIncaseofnonfluctuatinginterferencestructure-to-electrolytepotentialsofvoltagegradientsintheelectrolyteshallbemeasuredwhilethestraycurrentsourceisinandoutofoperation.Themeasuredvaluesduringthesetwoconditionsshallbecomparedwitheachother.Ifthestraycurrentsourcecannotbetemporarilyswitchedoff,theinterferenceshouldbeextrapolatedfromtestsmadeunderdifferentstraycurrentsourceoperationconditions.4.2.3FluctuatinginterferenceWherethepotentialsorvoltagedropsmeasuredfluctuate,e.g.asaresultofinterferencefromad.c.tractionsystem,measurementsshouldbemadeusingacontinuouschartrecorderordigitaldatalogger.Therecordingshalln第57页中国矿业大学2009届本科生毕业设计includetheperiodoftimewhenmaximuminterferenceisexpectedaswellasaperiodofnointerferenceifpossible.Manysourcesofinterferenceexhibitthemaximumandminimumlevelsovera24hperiod.Itisadvisabletorecordthemeasuredvaluesoftheaffectedsystemandanoperatingparameterofthestraycurrentsourcesimultaneouslytoallowaclearassociationofthestraycurrenttothesource.Valuesrecordedduringthenonoperationalperiodoftheinterferingsystemshallbeconsideredasthenormalorunaffectedpotentials.n第57页中国矿业大学2009届本科生毕业设计中文译文：直流系统中杂散电流引起腐蚀的防护介绍：杂散电流来源于直流供电系统，会对埋地金属结构引起严重的金属腐蚀（参考附录A）。特别是长距离水平掩埋结构，例如管道和金属屏蔽电缆，就处于被腐蚀危险中。因为腐蚀危害会在杂散电流出现短时期内发生，而且早期保护措施和定期检查这些措施效果目前还不可行。此标准提供适当的措施，在必要情况下，可应用于直流供电系统中，对那些会或可能会被杂散电流腐蚀影响的结构。该标准同时提供决定何时这些措施需实行的测量标准。直流扰动结构的测量技术在EN13509中提供。此标准提供的措施旨在防止杂散电流引起的腐蚀。为了有效的防护，其它类型的腐蚀需另考虑其它方法。1．范围此标准建立了，在由直流供电系统中，杂散电流引起的埋地金属结构的腐蚀危害降低到最小的普遍原则。该标准提供以下指导：－可能造成杂散电流的直流系统的设计－可能会受杂散电流腐蚀的埋地金属结构的设计－适当防护措施的选择此标准主要解决杂散电流对埋地金属结构的外部腐蚀的问题。然而杂散电流腐蚀也可能引起系统内部的电解例如近绝缘结合处与高电阻水管接缝处。这些情形不会具体谈到，但该标准提供最小化扰动效应的原理与措施普遍适用。杂散电流也会引起诸如发热等其它效应，本标准并不包括这些。直流系统中泄漏到道床及周围土壤介质中的杂散电流，无论是人为或非人为所致，包括：－直流牵引系统－无轨电车系统－直流电力系统－直流工业设备n第57页中国矿业大学2009届本科生毕业设计－直流通信系统－阴极保护系统－高压直流(HVDC)输电系统－直流轨道电路传信系统。对于牵引系统中产生的杂散电流，标准EN50122-2给出了最小化其副效应和对铁路影响的要求。可能会被杂散电流腐蚀影响的埋地金属结构系统有：a)管道b)金属屏蔽电缆c)金属容器d)接地网络e)钢筋混凝土f)钢桩最大可容忍杂散电流，例如管道和电缆的，受自身性质与附近结构的两者影响（参考条款8）2．标准参考本欧洲标准引用了其它标准中的规定，引用时有的带了制定日期，有的未带。本标准在适当的地方引用了这些标准。所引用的标准清单见下文。对于注日期引用的标准，这些标准随后的修订版本仅在被本欧洲标准的修订版本或有关规定纳入其中时才适用于本欧洲标准。对于未注日期引用的标准，则该标准的最新版本适用（包括修订）。EN50122-2:1998铁路应用－固定设施－直流牵引系统杂散电流防护措施EN12954:2001掩埋或浸没金属结构的阴极保护－基本原则和管道应用EN12499:1996金属结构的内部阴极保护－基本原则EN13509:1999阴极保护测量技术ENISO8044:1999金属及合金的腐蚀特性.基本术语与定义IEC60050-604:1987国际电工词汇－第604章：发电、输电和配电运行IEC60050-826:1999国际电工词汇－第826章：建筑物的电力装置3．定义为明确本欧洲标准目的，以下相关定义须说明：3.1防腐层n第57页中国矿业大学2009届本科生毕业设计电线中覆盖于金属表面的防腐层，防止电解质与金属表面接触引起腐蚀危害。3.2排流（电排流）将金属结构中流动的杂散电流，用人为通道使之直接流过，以达到防止管道腐蚀目的。注意：排流设备分直接排流法、极性排流法和强制排流法。3.3直接排流法将需要保护的金属结构与杂散电流源直接相连的电排流设备。包括一个串联电阻以限制电流。3.4强制排流法将需要保护的金属结构与杂散电流源相连的电排流设备。包括一个独立的直流电源以增加电流的转移。3.5极性排流法将需要保护的金属结构与杂散电流源通过单向导通相连的电排流设备。包括一个诸如二极管的装置使其具备单向导通的功能。4．杂散电流扰动监控与测量4.1监控由直流扰动分析的可能腐蚀风险应考虑到电气性质和可能的扰动源位置及阴极保护法程序的不规则记录值。现主要有4种方法鉴别杂散电流扰动。如下：-电解质电位波动构成-标准值与电解质电位之间的偏差-电解质电压梯度-管道挂片或金属电缆外皮的线路电流注意：电流极性改变与电流波动的测量方法在复杂网络的扰动鉴别中十分关键。在鉴别杂散电流扰动后，应有更进一步的措施评估腐蚀的危险性。4.2测量n第57页中国矿业大学2009届本科生毕业设计4.2.1总述为了评估因受杂散电流扰动而腐蚀的金属结构的危险性，应考虑受影响结构的正电位偏移（参考6.1）。如果金属结构的阴极腐蚀（参考附录A和EN12954）可能引起腐蚀危害，也应根据相关标准评估结构电位负偏移（参考6.2）。结构的对地电压的测量应基于一个直接置于受影响结构之上的参考电极。为了鉴定杂散电流极性和/或测量电位梯度大小，可以考虑使用两个参考电极。其中一个直接置于受影响结构之上，另一个置于一定距离之外，理想情况下，不少于10m。测量电流大小与方向和/或测试探头或管道挂片的电势偏移有助于评估腐蚀的危险性。测量技术，检测周期和读取数量应选取最具代表性数据。为了保证度量精度应选择合适的电压记录仪器，并充分的考虑给定的输入阻抗、检测周期（或记录速度）和信号调节与过虑。测量技术在EN13509中提供。4.2.2非波动扰动在非波动扰动中，应该分别在杂散电流源开与断时，测量金属结构向电解质过渡中的电势或电压梯度。在两种条件下的测量值相互比较，如果杂散电流源不能开断，扰动度应通过不同的杂散电流源操作条件下的测试进行推断。4.2.3波动扰动在有电势或电压波动的地方，例如直流牵引系统扰动的结果，应用连续图表记录仪或数字数据记录仪测量。记录应包括最大扰动出现周期，可能的话，还应包括最小扰动出现周期。很多扰动源会在24小时内出现最大与最小扰动值。同时记录受影响系统的测量值和杂散电流源的操作参数可以清楚看到杂散电流与电源之间的关系。非运行周期内的记录值可以看作正常或未受影响的电势。n第57页中国矿业大学2009届本科生毕业设计