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1、摘 要 矿井中瓦斯浓度的监测，直接关系到煤矿的安全生产和广大的矿工的生命安全。而单片机传感器近年来发展的相当快，其本身具有速度快、精度高、操作简便、运行可靠等特点，十分适合作为瓦斯监控传感器的核心。根据国家煤矿安全生产规范的要求，本文设计了一种使用PIC16F877单片机的智能矿井瓦斯传感器，除具有浓度显示，声光报警等传统功能外，还具有上位机监控的功能，能将瓦斯浓度通过RS-485总线向上位机进行报告，大大提高了此类产品的可靠性、方便性和网络化程度。此外，本设计采用了红外传感器，其具有气体选择性好，测量精度高，寿命长和不易老化等优点。关键词：瓦斯检测 PIC16F877单片机 红外吸收 传感器
2、AbstractMine gas concentration monitoring, is directly related to the safety of coal production and the majority of the lives and safety of miners. Single-chip sensors and the development of a fairly rapid pace in recent years, with its own speed, high precision, easy to operate, reliable running is
3、 very suitable as the core of the gas monitoring sensors. Coal mine production safety in accordance with national norms, the paper design of a PIC16F877 microcontroller smart use of gas sensor, with the exception of a concentration shows that the traditional sound and light alarm functions, also has
4、 the function of the PC monitor, capable of gas concentration through the RS-485 bus crew reported upward, greatly improving the reliability of these products, convenience and the degree of the network. In addition, the design uses an infrared sensor, its gas selectivity, and high measurement accura
5、cy, long life and the advantages of aging is not easy.Key words:gas detection PIC16F877 microcontroller infrared absorption sensors目录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 瓦斯事故的危害11.2 矿井安全监测装置的现行状况21.3 国内外红外传感器发展情况3第2章 PIC系列单片机简介52.1 PIC16F877单片机简介52.2 PIC单片机的优越之处52.3 PIC16F877管脚功能简介62.3.1 引脚图62.3.2 特殊内嵌功能72.3.3
6、PIC16F877基本电路82.3.4 PIC16F877I/O设备92.4 PIC16F877指令简介10第3章 甲烷探测仪硬件部分设计123.1 红外甲烷气体检测的原理及红外气体检测仪简介123.1.1 原理123.1.2 红外气体检测仪的构成133.1.3 IR32BC143.2 红外光源163.2.1 红外光源的选择163.2.2 红外光源驱动163.3 热释电探测器183.3.1 热释电探测器原理183.3.2 热释电探测器信号与气体浓度的关系分析193.4 放大电路213.5 与上位机通信设计233.5.1 上位机与井下通讯方式233.5.2 接口器件简介243.5.3 通讯电路设
7、计273.6 报警、显示电路设计293.7 系统电源电路设计30第4章 甲烷探测仪软件部分设计324.1 系统功能说明324.2 主程序流程图324.3 A/D转换程序流程图334.4 键盘转换程序34第5章 上位机软件355.1 计算机端VC通信程序的编写355.2 PIC单片机汇编程序的编写36结论37致谢38参考文献39附录一 瓦斯气体检测的基本方法41附录二The basic gas detection method44附录三48附录四49 第1章 绪论我国是世界煤炭生产和消费大国，煤炭在今后相当长的时期内仍将是主要能源。近年来，瓦斯爆炸事故频繁发生，造成了重大伤亡和经济损失，教训深刻
8、。事实上瓦斯超限造成爆炸事故是煤矿事故的主要原因之一。随着国民经济的不断发展，煤炭等能源的需求量与日俱增，保证煤矿行业的安全是非常重要的，为此煤矿生产管理单位对煤矿瓦斯监测非常重视，控制瓦斯超限成为煤矿可以生产的必要条件。避免瓦斯超限及瓦斯爆炸事故的一个重要措施就做好瓦斯的检测工作。通过建立煤矿瓦斯监测监控系统，提前掌握煤矿瓦斯的变化情况，一旦出现瓦斯超限，及时采取相应措施，保障煤矿的安全生产。1.1 瓦斯事故的危害瓦斯是煤矿开采的伴生物，矿井瓦斯是对煤矿井下，各种有害气体的总称，其主要成分是甲烷(CH4)、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)等。在这些有毒有害气体中，甲烷含量占了80%以上，
9、所以人们习惯上将甲烷称为瓦斯1。瓦斯是一种无色、无味、无臭的气体，瓦斯在空气中浓度增大时，能使空气中的氧气含量相对降低，而使人窒息，当空气中瓦斯含量达到40%以上时，能使人立刻死亡。新鲜空气中，瓦斯浓度达到5%15%时，就达到爆炸浓度，也称爆炸极限。当瓦斯浓度在5%以下时，遇到火源能燃烧，不能爆炸，当瓦斯浓度大于15%时，在混合气体中遇到火源不能燃烧，也不会爆炸，如有新鲜空气供给，在混合气体与新鲜空气的接触面上，遇火就会燃烧，其浓度在5%16%时，遇火源就会爆炸，在9.5%时，爆炸能力最强。在新鲜空气中，瓦斯的引燃温度为650750，所以明火、吸烟、电火花、放炮产生的火焰以及摩擦火花，都可以引
10、起瓦斯爆炸。全国已有相当数量的矿井开采到6O0m以下的高瓦斯和瓦斯突出区，条件十分困难。而每向下开掘垂深100m，作业面温度就会升高34，瓦斯的相对涌出量呈线性增长(不同地区梯度值不一样)，瓦斯灾害就容易发生。瓦斯爆炸是一种激烈的化学反应，瓦斯爆炸后会产生大量有毒有害气体，使空气中的含氧量大大降低，瓦斯爆炸时产生大量的热量，形成火焰，温度可达18502650，这样的高温及火焰能使工作人员烧伤，还会引起煤尘爆炸及矿井火灾。由于空气温度的骤然升高，使爆炸源附近空气压力急剧增大，因而形成强大的冲击波。这种直接冲击波，使爆炸源附近的气体以每秒几百米甚至几千米的速度向外传播，从而造成井巷、设备损坏及人员
11、伤亡。瓦斯、煤尘爆炸后，由于空气稀薄，在爆炸源附近形成低压区，因而又形成了爆炸波的反向冲击，对井巷、设备会造成更大的破坏，对工作人员也构成更大的威胁。煤矿安全规程2第一百三十三条至一百三十六条规定:一个矿井中只要有一个煤(岩)层发现瓦斯，该矿井即为瓦斯矿井。每年必须对矿井进行瓦斯等级和二氧化碳涌出量的鉴定工作，报省(自治区、直辖市)负责煤炭行业管理的部门审批，并报省级煤矿安全监察机构备案。上报时应包括开采煤层最短发火期和自燃倾向性、煤尘爆炸性的鉴定结果;低瓦斯矿井中，相对瓦斯涌出量大于10m3/t或有瓦斯喷出的个别区域(采区或工作面)为高瓦斯区，该区应按高瓦斯矿井管理;矿井总回风巷或一翼回风巷
12、中的瓦斯浓度超过0.75%时，必须立即查明原因，进行处理。采区回风巷、采掘工作面回风巷风流中瓦斯浓度超过1.0%必须停止工作，撤出人员，采取措施，进行处理。及时、准确地检测瓦斯气体的产生源、浓度，对于工矿安全运行、人身安全及环境保护有着十分重要的意义。所以，开发研制一种安全可靠，高灵敏度的瓦斯传感系统具有重大的社会意义和经济意义。1.2 矿井安全监测装置的现行状况目前，国内煤矿所用的甲烷传感器绝大部分采用载体催化型(催化燃烧型)，这种方法虽然可以进行瓦斯检测，但存在使用寿命短、工作稳定性差和调校频繁的致命弱点。采用载体催化型的煤矿,首先需要建立安全测控仪器检修室，然后每隔10天须用校准气体和空
13、气样对载体催化传感器进行校准。低浓度甲烷传感器经过大于4%的甲烷冲击后，必须及时进行调校或更换。同时，煤矿环境中高粉尘、高湿度的环境加速了载体催化传感器的老化，严重制约着对瓦斯的有效、准确检测。由于载体催化甲烷检测方法的弱点无法解决，欧美等发达国家多年来一直在研究将红外吸收光谱技术应用于甲烷检测，终于在2004年推出了煤矿用红外甲烷传感器。该产品一经推出，即受到了各国广泛重视。红外光谱吸收法与载体催化法相比，在稳定性、可靠性以及长寿命等方面，都表现出明显的优势，是煤矿用甲烷传感器的更新换代理想产品，具有良好的发展前景。但这些产品在我国推广时却遇到了难题。首先，这些产品在我国矿井下的高粉尘、高湿
14、度环境无法正常使用；其次是这些产品价格昂贵，国内的企业难以接受；同时，这些产品还不能与国内煤矿现有的安全检测系统兼容。1.3 国内外红外传感器发展情况红外气体传感器是红外检测仪的基础，红外光源和红外探测器又是红外气体传感器的关键部件，也是成本的主要构成。国外发达国家对红外气体传感器的研究起步较早。德国微传感器执行器和系统研究所、波兰化学研究所、瑞士微系统所都利用微机电系统(MEMs)技术设计了可直接调制的红外辐射源；美国Perkin一Eliner和Honeywell传感器公司都已大量利用红外热电堆制作传感器。我国的相关单位也一直致力于红外气体传感器方面的研究工作，并取得了一定的成果3。中科院微
15、系统所、复旦大学等单位也开展了脉冲调制的MEMS脉冲辐射源的研制。国外发达国家对气体在线检测仪器研究和应用方面起步较早，现已研制出的基于光干涉原理、热催化原理、热导原理的传感器都在气体检测中起到了推动作用，在大多数的检测方法和仪器中，红外光谱吸收型气体传感器技术方案是最有效和广泛采用的方法。1979年H.inaba提出利用光谱吸收法通过光纤传输光信号进行长距离的大气污染检测；法国生产的LEL5610型气体分析仪能检测CH4、CO2、CO混合气体，并且具有自检功能;美国西屋电气公司研制的红外瓦斯遥测仪能在40m内确定工作面周围的平均瓦斯浓度；美国罗斯蒙特公司研制的红外吸收气体分析仪具有性能可靠、
16、安全防爆等特点，同时能够提供标准电压或电流输出信号。这些仪器广泛应用于环境监测和工矿安全检测。近年来，国内的有关单位也一直致力于基于红外技术的气体浓度检测研究工作。中国科学院开发的红外激光汽车尾气检测仪可以在汽车驶过瞬间，分析出尾气中的各种废气含量，并在大约4秒钟内得出结果；浙江大学的叶险峰博士用1.3m的LED作光源，配合闪耀光栅对甲烷气体进行了检测实验 ；燕山大学的王玉田教授对吸收式光纤瓦斯传感系统也作了大量的研究。但目前国内针对瓦斯浓度检测的红外技术还不是很成熟，实时性、稳定性和灵敏度方面都有待提高。长期以来，我国矿井现场都采用热催化元件来检测瓦斯浓度。采用热催化元件制成的甲烷检测仪，适
17、用于煤矿井下各工作场所测量空气中的甲烷浓度。仪器具有红外线遥控功能，超限声、光报警功能，超限断电指令输出功能。并具有检测精度高，调校简单，工作稳定等特性。但其检测精度不高，易老化且发生错误等缺点在应用过程中逐渐显露出来，因此，急切需要一个新的方法来克服这些缺点。随着红外技术的迅猛发展，国内外用于精确测定和标定气体浓度的分析仪大多数都采用了红外技术。因此，研制一种高稳定性、高灵敏度的矿用红外瓦斯浓度检测仪来实时的检测瓦斯浓度，对于提高我国煤矿安全监测水平，防止煤矿瓦斯事故发生，保障我国煤炭事业的可持续性发展有着重要的现实意义。 第2章 PIC系列单片机PIC系列单片机是有美国Microchip公
18、司生产的单片机产品。目前在世界8位单片机中销量第一。PIC16F877单片机在多个方面较之其它系列单片机更有优越性，它的最大优点表现在引脚少、功能强、可直接带LED负载；具有低耗能工作方式，较简便地实现掉电保护；外围接口电路简单，提高了整机的可靠性；具有较强的抗干扰性，大大提高抵御外界的电磁干扰和本机控制电路的电磁干扰的能力，从而提高了工业电脑自动控制器的适应能力。2.1 PIC16F877单片机PIC16F877单片机的指令字节位14位，属于中级产品，是PIC中级单片机中很有特色的一个子系列。PIC16F877单片机电压运行范围为2.0V至5.5V，具有高性能的RISC CPU，仅仅有35条
19、单字指令，执行速度快，指令易学易用；带有256字节的电可擦写的EEPROM存储器，每次报警和断电界限的设定值可以从EEPROM中读出以前写入的设定值，或重新按键设定并写入EEPROM以备下次使用；8K*14个FLASH程序存储器，368*8个数据存储器（RAM）字节，充足的资源可供以后开发改进；内含10位多通道模/数转换器，转换精度高；看门狗可以对软件运行出错提供保护功能4。2.2 PIC单片机的优越之处1.重实际PIC最大的特点是从实际出发，重视产品的性价比，靠发展多种型号来满足不同层次的应用要求。2.效率 PIC系列8位单片机具有独特的RISC结构，数据总线和指令总线分离的（Harvard
20、）结构，使指令具有单字长的特性，且允许指令码的位数可多于8位的数据位数，这与传统的采用 CISC结构的8位单片机相比，可以达到2：1的代码压缩，速度提高了4倍。3.发环境优越PIC在推出一款新型号的同时推出了相应的仿真芯片，所有的开发系统有专用的仿真芯片支持，实时性非常好。4.强的抗干扰能力PIC单片机通过限流电阻可以接至220V交流电源，可直接与继电器控制电路相连，无需光电耦合隔离，给应用带来极大方便。5.彻底的保密性PIC以保密熔丝来保护代码，用户在写入代码后熔短熔丝，别人无法读出，除非恢复熔丝。目前，PIC采用熔丝深埋工艺，恢复熔丝的可能性极小。6.带看门狗定时器自带的看门狗定时器可以提
21、高程序运行的可靠性。7.眠何低功耗模式睡眠和低功耗模式使PIC单片机对电源具有非常低的功耗。2.3 PIC16F877管脚功能简介2.3.1 引脚图PIC16F877的40根接脚图，PDIP是指一般最常见的DIP(Dual In Line Package)包装，而PIC单片机也有PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier)与QFP(Quad Flat Package)两种形式的包装，依照不同的需求，寻找不同的包装形式。如图2-1所示，每根接脚都有其特定功能，例如Pin11与Pin32(VDD)为正电源接脚，Pin12与Pin31(VSS)为地线接脚；而有些接脚有两种甚至三
22、种以上功能，例如Pin2(RA0/AN0)代表PORTA的第一支接脚，在系统重置(Reset)后，可自动成为模拟输入接脚，接收模拟讯号，也可经由程序规划为数字输出输入接脚56。PIC16F877属于闪控式(Flash)单片机，可以重复烧录，其ROM的容量总共是8K 字节，以2K为一个页，区分为4个页；内部RAM总共有512个字节(00f-1FFh)，以128个字节为一个Bank，共区分为 4个Bank，每个Bank的前半段都有其特殊用途，分别连接到其特殊功能模块，例如I/O、CCP、Timer、USART、MSSP等。图2-1 PIC16F877芯片2.3.2 特殊内嵌功能PIC16F877属
23、于内嵌功能较多的单片机，除了CPU、ROM、RAM、I/O等基本构造外，还包括以下各种功能，简介如下：A/D converter：模拟数字转换器，最多可以读取8组模拟输入讯号。CCP：Capture、Compare、PWM，用于控制直流马达。Timer：内部定时器，有Timer0、Timer1、Timer2等。USART：Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitte同步/异步串行传输，如RS232、RS485等。MSSP；Master Synchronous Serial Port，两线式(I2C)与三线式(SPI)标准同步串行传
24、输协定，常用于EEPROM内存资料的烧录与读取，或是与其它集成电路沟通与联系，形成多芯片网络。2.3.3 PIC16F877基本电路1. PIC振荡频率电路单片机振荡电路与整体系统工作速度有直接的关系，例如同步异步串行传输、定时器等，都与振荡频率有关，不同系列单片机有不同振荡频率，根据产品资料手册，PIC16F877振荡频率最高可到20MHz；在图2-2中，振荡电路接于Pin13(OSC1/CLKIN)与Pin14(OSC2 /CLKOUT)，而振荡电路有以下四种形式： LP：使用低功率振荡晶体(Low Power Crystal) XT：使用振荡器谐振器(Crystal/Resonator)
25、 HS：使用高速振荡器(High Speed Crystal/Resonator) RC：使用电阻电容(Resister/Capacitor)一般常用振荡晶体或是谐振器作为单片机振荡源，外接电路及PIC内部电路说明如图2-2所示。图中电容C1与C2规格大小是根据Crystal或Resonator而有所不同，本设计选用的是4MHZ的晶振，所以电容选用的是15uF。图2-2. 振荡源电路图图2-3. 电源与重置电路2. 外加电源与复位电路PIC16F877的工作电压为5V，连接Pin11与Pin32，Pin12与Pin31为地线接脚；复位电路连接Pin1，按下Reset后，内部指令重头开始执行，系
26、统重新运作。如图2-3所示7。2.3.4 PIC16F877I/O功能PIC16F877除了上述基本电路所占用的7支接脚外，其余的33支接脚都可当成输出、输入接脚，输入输出端口是单片机基本界面，可以与周边电路进行电路控制和信号传输与检测。PIC是8位的单片机，以接脚特性分组，每组尽量凑满8支接脚，并将I/O命名为PORTA(RA0RA5)、PORTB(RB0RB7)、PORTC(RC0RC7)、PORTD(RD0RD7)和PORTE(RE0RE2)等，各分组接口特性说明如下：PORTA: PIC16F877的PORTA总共有6个位(RA0RA5)，PORTA的接脚可作为数字输出输入端口，而系统
27、重置后，PORTA自动成为模拟输入状态，可读取模拟输入讯号。 PORTB:PORTB总共有8个位(RB0RB7)，可以撰写程序规划输入输出方向、状态，其中，要进行烧录时，使用到三支接脚，分别是Pin36(RB3/PGM)、Pin39(RB6/PGC)与Pin40(RB7/PGD)。 PORTC:PORTC总共有8个位(RC0RC7)，除了可作为数字I/O外，还和一些特殊功能的周边电路共享接脚，例如CCP（直流马达控制）、I2C、SPI（同步串行通讯电路）、USART（异步串行传输电路）等等。PORTD:PORTD总共有8个位(RD0RD7)，可作一般数字I/O，并与PSP(Parallel S
28、lave Port)并列传输接口共享。当整体系统需要多单片机时，彼此可以经由并列传输接口来快速传输资料。PORTE:PORTE总共有3个位(RE0RE2)，PORTE的Pin8、9、10有三种功能，除了基本I/O功能，也有模拟输入功能，而上述PORTD的并列传输接口设定所需的控制接脚，如/RD、/WR、/CS等，也是属于PORTE接脚。2.4 PIC16F877指令简介PIC16F877常用的语言有汇编语言与C语言两种，汇编语言是将每一个机器码使用一个文字代号代表，比较接近处理器真正动作模式，而C语言是比较符合人们的使用习惯，事先将汇编语言组合成C语言形式，使用较为方便，但是C语言所组译的机器
29、码程序通常比较大，且组译软件通常需要额外购买。以下简介汇编语言相关指令与一套C语言组译软件。PIC16F877指令摘要。PIC是采用RISC（Reduced Instruction Set Computing，精简指令集），与8051系列采用的CISC（Complicated Instruction Set Computing，复杂指令集）不同，PIC16F877所有指令指有35个，而8051却高达111个指令。第3章 瓦斯检测系统硬件部分设计3.1 红外甲烷气体检测的原理及红外气体检测仪简介3.1.1 原理红外吸收型甲烷检测仪是利用不同气体对红外辐射有着不同的吸收光谱，吸收强度与气体浓度有关
30、的事实来检测甲烷浓度的。红外吸收型气体分析检测仪一般由红外辐射源(白炽灯或红外LED)，测量气样室，波长选择装置(滤光片)，红外探测装置(热电探测器，热电池)组成。如果气体吸收谱线在入射光谱范围内，那么红外辐射透过被测气体后，在相应谱线处就会发生能量的衰减，未被吸收的辐射被探头测出，通过测量该谱线处能量的衰减量来得知被测气体浓度8。衡量气体吸收的基本定律为lambert-beer定律，其内容为:当能量为I0的一束单色入射光透过长度为L的气体吸收介质后，在不考虑散射的情况下，其透射光强I可以表示为： （3-1） 一气体吸收后的透射光强。一通过待测气体前的光强。 一给定波长的单位浓度、单位长度气体
31、的吸收系数。一待测气体浓度。一待测气体与光相互作用的长度。由上式可知光强与气体浓度、气体吸收系数和路径长度L具有相应的函数关系9。气体的吸收系决定于被测气体的性质、传感器的结构等，它一般通过实验的方法求得。被测气体的浓度越大，气体的吸收系数越大，气体穿过的路径长度越长，能量衰减得越厉害。路径长度是指光在气体中的有效长度，路径长度越长，气体吸收越充分!所以穿透过气体长度为的红外辐射I仅仅是待测气体浓度的单值函数，其关系如图3-1所示：图3-1 lmbert-beer 定律确定的I-C关系曲线3.1.2 红外气体检测仪的构成红外吸收型气体传感器一般包括红外光源、采样气室、滤光片和红外探测器四部分，
32、如图3-2。为了减少红外光源的背景干扰和系统的其它一些干扰，一般采用两路信号通道的结构，一路通道作为测量信号，一路通道作为参考信号。整个气体检测装置的测量精度和准确度等特性能都归功于这四个方面的优化设计程度。当红外辐射经过气室照射到探测头上时，具有特征吸收带的滤光片过滤掉其他波长的红外辐射，只保留甲烷的吸收波长，从而检测到因甲烷吸收而有所变化的光强信号，再通过探测头转变成电信号输出；另一个滤光片与这个滤光片不同，它对甲烷吸收的波长进行过滤而保留其他红外波长，以便检测到红外辐射的入射光强，通过探测头转变成电信号输出1112。这样对两个引脚信号进行作差便可以得到。这种具有两个吸收通道的方法也就是所
33、谓的差分式吸收。差分式吸收比起直接吸收式(指气体吸收通道下的被测气体直接吸收)有很明显的优点:首先，差分式具有更好的抗干扰能力。直接吸收式在红外波长抖动，温度发生变化和气室中有粉尘或干扰气体时，系统的检测图3-2 红外传感器结构图性能有很明显的影响。而差分式，在同一干扰源下由于作差(除)的原因可以降低这种误差带来的影响。其次差分式便于计算。依据lambert-beer定律，在气室长度已知的情况下，要想求得气体浓度，必须知道，入射光强和气体吸收后光强，这对直接吸收式来说是有难度的。最后，差分式测量比直接吸收型精度高。因为式(3-l)中的系数有随机因素存在，差分式吸收可以减弱这种随机干扰13。3.
34、1.3 IR32BCIR32BC红外吸收型甲烷气体传感器，其红外光源采用白炽小灯泡；红外探测器采用热释电探测器；测量红外滤光片的中心波长是3.3m，采样红外滤光片的中心波长是4.0m，两片滤光片与探测器封装在一起；采样气室采用铝合金制作，呈圆柱形，红外光源和红外探测器均固定在气室的底部，气室的顶部留有让气体自由扩散的小孔，红外光源发出的光经过气室内壁多次反射而到达探测器，在有限的空间内增大了光程，使红外辐射能够被气体充分吸收，有利于提高分辨率。 IR32BC传感器的基本参数如下:.量程:05%.目标气体反应时间:5年.工作电压推荐:+5V最大:+15V.光源工作电压最大电压:+5v(60mA)
35、推荐调制频率:4Hz，50%占空比.工作温度:-1050.工作湿度:0100%. 探测器输出电压界限氮（165前置放大器增益）： 测量通道：1.34.2V 参考通道：1.64.2VIR32BC红外吸收型甲烷气体传感器的实物图如下图3-3。图3-3 IR32B实物图3.2 红外光源3.2.1 红外光源的选择为了最终获得有效的信号，红外光源必须提供测量所需的足够能量的光强，这样，必须要求红外光源在气体强烈吸收红外辐射的波段处具有较高的辐射能量。采用IRL715作为红外光源，IRL715是白炽灯，波长从可见光到5m，具有很宽的波谱，高可靠性，稳定的输出，短时间常数，长寿命，当工作在5V电源时，可达4
36、0000小时。光谱图如图3-4所示。图3-4 IRL715光谱图注：G5.2是测量滤光片，G20是参考滤光片3.2.2 红外光源驱动由图3-5可见，在光线强度出现突变时(灯由灭到亮) ,探测器信号产生明显的变化, 125 ms (典型值)达到峰值;此后若辐射光强维持恒定,则探测器输出逐渐下降至初始值(直流分量)并维持不变。同样,如果辐射光突然消失(灯由亮到灭) ,探测器输出将产生与图3-5 相似但方向相反的曲线。这样,如果给灯施加脉冲电压,提供一个连续的脉动光源,探测器将会产生连续的交图3-5 红外辐射与探测信号的变化关系图变信号。由于光源关断和开通后,探测器信号达到峰值的时间约125 ms,
37、所以,最合适的脉冲驱动电压是频率为4 Hz、占空比为50%的方波,此时,探测器的输出近似为4 Hz的正弦波。如图3-6所示。为使灯丝不完全冷却,脉冲驱动电源应能提供给灯丝一定大小的涌入电流。设置关断电压在0 V 以上,维持一个小电流流过灯丝,能够减少涌入电流。如果驱动电源不能提供涌入电流,则电压波形的上升沿将变缓,相应的探测器输出信号将会产生畸变。另外,当灯丝加高电平点亮时灯丝需要一个临界启动电压和一定的延迟时间,脉冲的低电平大于0 V,可降低启动电压、减少延迟时间,使灯丝能在开关状态间快速地切换。脉冲驱动电压的高电平不能大于5 V,电压过高,会烧坏灯丝14。图3-6 探测信号随红外辐射有规律
38、的变化图满足上述要求的灯丝电源驱动电路如图3-7所示。三端稳压块LM317输出5 V左右的直流电压Vo。由单片机产生4 Hz的方波脉冲控制三极管T。当脉冲为低电平时,三极管T导通, 有较小的电流流过灯丝, 灯丝电阻上获得较小的压降,灯熄灭；当脉冲为高电平时,三极管T截止,由于灯丝回路中增加了R12 ，灯丝电阻上获得较大的压降,灯被点亮。实际电路中还应在输入输出端增加滤波电容、考虑电源的功耗等因素。灯丝上施加5 V电压时所需的典型电流值为60 mA。此外, 为防止灯丝驱动回路中电流脉冲信号通过地线产生干扰, 灯丝驱动电路应与探测器信号电路隔离。这样,提供给两个热电探测器一个4 Hz的脉动光源,以
39、便对比有光和无光的情况,从而修正外部光线的干涉,并去掉两个热电探测器上的直流偏移1516。图3-7 红外光源驱动电路图3.3 热释电探测器3.3.1 热释电探测器原理热释电红外传感器是一种光电转换器件，它是一种PZT晶体结构的表面电荷极化随其温度变化而变化的传感器。自发极化的铁电体平时靠捕捉大气中的富有电荷保持平衡状态，受到红外线照射后，其内部温度将会升高，内部的极化状态便随之降低，表面电荷浓度也相应降低，这就相当于“释放”了一部分电荷，这种现象称为电解质的“热释电效应”，从外部将释放的电荷取出，就变成传感器的输出电压。需要指出的是，如果红外辐射持续下去，铁电体的温度就会升到新的平衡状态，表面
40、电荷也同时达到平衡，这时它就不再释放电荷，也就不再有信号输出了。所以，对于热释电红外传感器，只有在红外辐射不断变化，它的内部温度随之不断升降的过程中，传感器才有信号输出，而在稳定状态下，输出信号则为恒值，即热释电红外传感器只对红外辐射相对变化有反应，而对红外辐射的绝对值没有反应。因此在应用热释电传感器时，应设法使红外辐射不断变化，这样才能使传感器输出的信号有效，为了满足此要求，须将红外光源按一定频率进行调制17。3.3.2 热释电探测器信号与气体浓度的关系分析红外传感头通过一个气体扩散栅栏获得样气,因此不受气流的影响。采用防火设计,不锈钢的结构使其能短期暴露在大部分的弱酸、碱溶剂中。测量通道热
41、电探测器包括一个待检气体吸收光谱的滤光器,而参考通道探测器包括一个待检气体不吸收光谱的滤光器。这种方法使得测量探测器能够监测目标气体的主要吸收波段,而参考探测器提供了温度和光强改变等环境因素的影响18。如前所述,为使传感头工作,光源必须是脉动的,以便测量探测器和参考探测器检测到入射辐射的变化。测量探测器输出信号受光强、温度和对通过测量探测器滤光器的目标气体辐射吸收的影响。光强和温度也同样影响参考探测器,但目标气体的辐射吸收不影响参考探测器。从探测器出来的信号和光源的脉动是同步的,因此随着驱动光源方波的变化,探测器输出波形的最大值和最小值构成了有用的检测信号,其差值与光源入射辐射的强度有关。测量
42、探测器给出了由目标气体浓度所影响的入射辐射量,相应地,参考探测器给出了不受目标气体浓度影响的入射辐射量,两个探测器输出信号与目标气体浓度的关系如下: （32）目标气体的吸收系数表示为: （33） 式中: Z( Zero)是参考气体(如氮气)中的I/I0值, 称为零点校准值；ACT和REF分别是测量探测器和参考探测器信号。例如,传感头在氮气中稳定后测得ACT和REF的峰峰值分别为1.6 V和1.2V,则。将该值存储在E2 PROM中作为零点值,仅当再次校准时才需要改变。吸收系数与气体浓度之间的关系如下: （34） 由式(3-3)得: （35） 式中:S ( span)是满浓度目标气体(如5% v
43、ol氮气或2%vol CO2 ) 中的I/I0 值, 称为满刻度校准值, 存储在E2 PROM中,仅当再次校准时才需要改变。当然,进行校准时还应考虑温度的影响,采取适当的补偿措施。由式(3-4) 、(3-5)可以推出被测气体浓度表达式: （36） =理论上可以按式(3-6)计算出被测甲烷气体的浓度,但在实际应用中存在两个问题:一是如何准确方便地获取ACT/REF的值;二是瓦斯传感器对实时性要求很高, 用单片机汇编程序完成式（3-6）的计算很不现实。因此, 本系统采用的方法是先获得ACT/REF的值,计算出吸收系数,再利用e2V技术公司提供的气体浓度与吸收系数的关系曲线求得气体浓度。式（3-3）
44、的实用形式如下: （37） 式中:Fa 为吸收系数；S1 和S2分别是测量探测器和参考探测器输出信号的峰-峰值；R 的定义如下: （38） 式中: 和分别是 和 在没有特定气体下的数值。 ACT/REF的值采用信号的峰-峰值之比是因为在最大值和最小值处,信号的变化率最小,所得结果不会出现大的误差,最为可靠1920。IR32BC型红外传感头对甲烷气体的吸收系数与气体浓度的关系曲线如图3-8所示。 图3-8对甲烷气体典型的敏感性曲线 因为在矿井瓦斯监测中，瓦斯浓度超过1%时，即要报警，不得进行生产。所以只需将上图中浓度05%的一段曲线进行线性化，将数据存储于EEPROM中。单片机通过计算测量信号和
45、参考信号的峰-峰值的商，再通过查表程序，就可得到非常精确的瓦斯浓度值2122。3.4 放大电路 经红外传感器转变的电压信号很微弱，单片机不能直接读出这样的信号，需将其放大到一个适于单片机读取的范围。所以电路中需要放大电路23。如图3-9所示。本设计IR32BC探测头输出中有直流信号，这部分信号必须滤波，因此采用电容C2和电阻R4组成对参考信号VinREF的滤波电路，参考信号的放大滤波电路与测量信号的电路相同。这里以对参考信号VinREF的滤波电路为例分析，公式： （3-9） （3-10） （3-11）带入数值得： （3-12）图3-9 放大电路此电路可以对频率小于1Hz的信号有显著的抑制作用，而对频率大于1Hz的信号基本没有影响。单片机通过控制多路开关中的某一路通断来选择输入测量信号和参考信号。经内部A/D转换存储到指定的存储器中，再之后的计算时进行调用。3.5 与上位机通信设计在工业控制领域，往往需要组成上位机下位机系统，由一
