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双波段红外可燃气体探测器硬件电路设计

摘要:伴随着经济发展的一系列需求，我国的化工能源产业正蓬勃发展着，逐渐成为我国经济发展的一个中流砥柱。但这一类的化工能源等相关企业，大多数企业在生产产品的过程中都含有可燃气体泄露的危险，有的可燃气体的泄露可能引起爆炸等一些无法预知的安全事故。近年来随着我国人民生活水平的日益提高，对安全问题的重视程度越来越高。于是提前预防一些可燃气体的泄露，在爆炸事故发生之前检测到他们并提前做出相应的预防措施，从而保证国家、企业、人民的生命财产安全。

本文为了对一些化工能源的企业的可燃气体（主要是一些含有C-H键的可燃气体，例如甲烷、乙烷等可燃气体）的泄露进行检测而设计了一种双波段红外可燃气体探测系统，本文主要是对其硬件电路进行了一系列设计，包括EMC电路模块设计、4-20mA电流环模块设计、传感器检测电路模块设计、光源驱动模块的设计、MCU模块设计、HART通信模块设计等游一些电路模块的设计。本文根据双波段红外可燃气体探测器的一些基本功能要求，以及一些电路板的测试规范进行了硬件设计的计算说明。

    本文通过测试计算，我们所设计的双波段红外可燃气体探测器可在不同浓度的可燃气体中进行测试，得到相对精确的气体浓度，满足设计任务的的基本要求。

关键词：可燃气体探测器；硬件电路设计

 

目录

第一章 绪论 5

1.1 课题的背景及意义 5

1.2 国内外研究现状 5

1.3 本课题研究的内容 6

第二章 系统的总体设计 7

2.1 光路检测原理 7

2.1.1 本征谱带吸收原理 7

2.1.2 朗伯比尔定律 7

2.2 探测器的总体框架图 8

第三章 硬件设计 9

3.1 MCU模块设计 9

3.1.1 MCU模块芯片选型 9

3.1.2 STM32F105VCT芯片介绍 9

3.1.3 MCU模块电路 12

3.2 光源驱动模块设计 13

3.2.1 光源驱动模块芯片选型 13

3.2.2 驱动模块芯片介绍 13

3.2.3 光源驱动模块电路 15

3.3 电源电路模块设计 16

3.3.1 数字5V电源电路 16

3.3.2 数字3.3V电源电路 16

3.3.3 EMC电路 17

3.3.4 24V转模拟5V电路 18

3.4 传感器检测电路模块设计 19

3.4.1 红外探测器总体外观结构图 19

3.4.2 传感器检测方案 19

3.4.3 传感器检测电路 20

3.5 电流环设计模块 22

3.5.1 电流环电路介绍 22

3.5.2 4-20mA电流环模块芯片AD5420介绍 23

3.5.3 电流环电路设计测试规范 24

3.5.4电流环模块电路 25

3.6 通信模块设计 26

3.6.1 MAX13085芯片介绍 26

3.6.2 Modbus通信电路 26

第四章 硬件调试 27

4.1电源电路调试 27

4.2光源驱动电路调试 28

4.3电流环电路调试 30

第五章 总结 32

参考文献 33

 

第一章 绪论

1.1 课题的背景及意义

由于近年来经济的蓬勃发展，一些石油化工产业得到了迅猛发展。经济发展的同时也使得社会不断发展，人类不断进步，人们的生活水平日益提高，人类对安全问题的认识和重要程度也在不断地发展提高。所以与此同时，也存在了一个不可疏忽的安全问题。在一些石油化工企业，其产品大多都具有易燃易爆性质，在一些产品贮存区，每年都有因一些化工能源企业的可燃气体泄露遇到明火而引发爆炸事故，最后造成了火灾等一系列严重事故，给国家、企业、和人民的生命财产造成了巨大损失。火灾的提前预防措施和火灾的救援工作变得十分难以开展。因此，在一些石油化工企业、加油站、煤气天然气管道连接处做好可燃气体泄露的预防工作室很有必要的。否则到时候由于可燃气体的泄露而引发一些大的安全事故到时将追悔莫及。

在石油化工企业中，一些可燃气体泄露有时是无法避免的。所以提前做好可燃气体泄露的预防措施变得十分的关键和重要。为了确保一些化工能源企业的工作人员的人身安全，提前检测到那些泄露的可燃性气体浓度并及时报警从而做好相应的措施避免安全事故的发生。石油化工能源企业的相关规定如下：在企业生产产品的过程中，会使用一些处理可燃气体的工艺装置（如甲烷、乙烷等液体的储罐区、装卸的设等）的区域内，对那些会有可能发生可燃气体泄露的地方进行检测时，应按照国家相关规定设置可燃气体探测器。 

1.2 国内外研究现状

可燃气体报警器最先是出现在上个世纪30年代，但是国外大概在30年代早期 就已经开始研究一些气体传感器了，并且取得了相当大的研究成果，发展十分迅速。

导致其发展如此迅速的原因总体而言有两方面，一方面是人们生活水平的日益提高，对安全这个问题越来越重视，促使人们把企业生产安全监管的力度加大。另外一个方面就是气体传感器的市场随着政府发布的安全法规而不断被推动发展着。根据一些相关的统计，在1996年到2002年之间，美国的气体传感器的年平均增长率最高甚至到了百分之三十。在气体传感器的逐步发展的同时，传感器的工艺生产水平也在渐渐提高，传感器逐渐小型化、集成度越来越高，所占空间范围变小。提高了气体检测仪器的便携性，对于气体传感器产品的生产、运输和市场的推广都有莫大的帮助。

在1963年5月，日本率先独立完成了世界上第一台接触式的家用可燃气体探测器。第二年，煤气探测器的改良产品出世。经过改良后的产品所能检测气体的范围变得更广，其中包括煤气、一氧化碳之类的可燃性气体。改良后的产品可以安装在浴室或厨房统一的进行集中监视。

70年代初期，我国开始研发可燃气体探测器。此时探测器产品的型号多样、种类比较较齐全，应用的范围也由单一的石油企业，然后发展到几乎所有含有隐藏的危险环境中的各种类型报警器，可燃气体探测器在相似传感器的所占的市场份额近年来也是越来越高。但主要的产品商业模式是在引进国外先进的可燃气体传感器先进的技术和生产工艺基础上，进行一系列的研究和开，从而最终发展逐渐形成了具有自己特色可燃气体探测器。最近几年，根据气体的选择和产品研发生产过后的产品稳定性方面也有了长足的进步。

目前，可燃气体探测器主要分为四大类，分别是半导体式气体传感器、催化燃烧式气体传感器、热导池式气体传感器、电化学式气体传感器、和近几年来刚逐步发展的红外线式气体传感器。国外在探测器远见的原材料制备以及器件工艺技术、结构设计等方面技术比较成熟，其传感器灵敏度高、稳定性良好、抗腐蚀性好、工作寿命较长。

随着微处理器和微电子技术的不断发展，以及工业的创新和应用范围的扩大。社会对新型传感器的需求变多。最终近年的发展的几个主要方向也逐渐形成，分别是实现可燃气体传感器新型特性、稳定性、工作时间周期等要求。

本课题根据近年来不断发展的红外可燃气体探测器为基础，最终设计了一种双波段红外可燃气体探测器，用于对含有C-H键等可燃气体的检测。

1.3 本课题研究的内容

(1)查阅收集国内外可燃气体探测器的相关文献，了解国内外可燃气体检测器的目前研究状况以及研究意义。

(2)了解红外双波段可燃气体探测器的基本原理。

(3)进行红外双波段可燃气体探测器的硬件电路系统设计。

 

总结

本文介绍了双波段红外可燃探测器系统设计的硬件电路设计。我们分别设计了光源驱动电路、传感器检测电路、电流环转换电路、MCU模块电路和电源电路。为了扛干扰和电源板的稳定输出，我们对电路电路分别进行了数字5V电源电路、数字3.3V电源电路、EMC电路、24V转模拟5V电路的设计。在对硬件电路设计完成之后。我们对电源电路、光源驱动电路、电流环电路分别根据其设计测试规范进行了硬件电路调试，调试结果基本满足本文对红外双波段可燃气体探测器的功能设计任务，能够对不同浓度的可燃气体进行一个精确的检测。

 

参考文献

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[4]  张建奇.红外探测器[M].西安：西安电子科技大学出版社，2016.

[5]  朱丽.双波段红外可燃气体探测器[D].武汉：武汉科技大学，2007.

[6]  孙金玲.点式红外可燃气体探测器的光学配置[D].浙江：胜利工程设计咨询有限责任公司，2000.

[7]  孙振东.基于单片机的中红外多组分气体检测系统[D].天津：天津大学电子工程学院，2006.

[8]  余勇超.非分光红外气体传感器的光学系统和控制软件设计[D].武汉：华中科技大学，2011.

[9]  熊友辉.电解质非分光红外气体传感器[D].：武汉：华中科技大学，2011.

[10]  刘岗.反射式红外甲烷传感器气室设计[D].太原：中北大学，2007.