有毒氣體無線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

1、有毒氣體無線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) 合肥工業(yè)大學(xué) 碩士學(xué)位論文 有毒氣體無線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) 姓名：李勛濤 申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士 專業(yè)：測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器 指導(dǎo)教師：余曉芬 20100401 有毒氣體無線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) 摘要 由于現(xiàn)代科技進(jìn)步和工業(yè)的發(fā)展，工業(yè)中產(chǎn)生的各種廢氣以及室內(nèi)裝修散 發(fā)的有毒氣體對(duì)人們的生活造成了巨大危害。市面上存在很多的空氣凈化設(shè) 備，但是這些空氣凈化裝置雖然能凈化有毒有害氣體，但并不了解環(huán)境中有毒 有害氣體的信息。因此，如果在凈化設(shè)備中集成有毒氣體監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)有毒有 害氣體進(jìn)行定性定量檢測(cè)，及時(shí)了解環(huán)境中的有毒有害氣體的信息，對(duì)于實(shí)現(xiàn) 空氣凈化設(shè)備的智能化控制 如：采用何種凈化方法?

2、何時(shí)開啟和關(guān)閉凈化設(shè) 備?等 具有十分重要的意義，并對(duì)了解環(huán)境中有毒有害氣體含量的變化趨 勢(shì)，為工業(yè)環(huán)境、醫(yī)院環(huán)境和人們的生活環(huán)境等環(huán)境監(jiān)測(cè)提供十分重要的數(shù)據(jù) 和依據(jù)。 對(duì)于有毒氣體的測(cè)量，常用方法主要包括分析化學(xué)方法、半導(dǎo)體氣敏式 探測(cè)方法、接觸燃燒式探測(cè)方法、光譜分析方法、電化學(xué)方法等。其中電化學(xué) 測(cè)量方法響應(yīng)速度快、能夠?qū)崿F(xiàn)在線檢測(cè)、對(duì)非被測(cè)氣體的抗干擾性好、制作 成的探頭體積小方便集成，所以本論文研究的系統(tǒng)采用電化學(xué)測(cè)量方法。市場(chǎng) 上有售的氣體檢測(cè)設(shè)備，只是對(duì)單一氣體檢測(cè)研制的，而且它們通過有線傳輸 數(shù)據(jù)。如果需要檢測(cè)多種氣體，將這些氣體檢測(cè)設(shè)備集成，體積會(huì)十分龐大。 而且對(duì)需要布置大

3、量監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)環(huán)境，有線傳輸數(shù)據(jù)布線十分麻煩，成本 高。因此，本學(xué)位論文研制了一個(gè)能與空氣凈化設(shè)備集成、智能化、體積小的 有毒氣體無線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，具體的研究?jī)?nèi)容如下： 1氣體傳感器集成化設(shè)計(jì) 對(duì)CO、甲醛、苯等氣體傳感器進(jìn)行了集成化設(shè)計(jì)，根據(jù)傳感器輸出信號(hào) 的極性、大小進(jìn)行分類，對(duì)同類別的傳感器輸出信號(hào)的信號(hào)處理電路進(jìn)行集成 化設(shè)計(jì)。 2無線網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì) 對(duì)無線通訊節(jié)點(diǎn)與氣體傳感器進(jìn)行集成化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)傳輸 及控制命令的發(fā)送的無線節(jié)點(diǎn)通訊；建立計(jì)算機(jī)中心控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè) 點(diǎn)、傳感器的選擇以及測(cè)量信號(hào)的自動(dòng)處理。 3系統(tǒng)特性標(biāo)定測(cè)試實(shí)驗(yàn) 研制了有毒氣體無線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)特性測(cè)試的實(shí)驗(yàn)系

4、統(tǒng)，完成了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感 特性標(biāo)定和精度比對(duì)實(shí)驗(yàn)、通訊系統(tǒng)的通訊距離測(cè)試實(shí)驗(yàn)及環(huán)境濕度對(duì)監(jiān)測(cè)系 統(tǒng)傳感特性影響的研究實(shí)驗(yàn)。 關(guān)鍵字： 有毒氣體檢測(cè)；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)：電化學(xué)傳感器；集成化設(shè)計(jì) rn 一 ? 一 一 10xlC monitor based0n gas systemdesign wirelesssensornetwork ABSTRACT Withthe ofmodern and of improvementtechnologydevelopmentindustry，a ofemissions in aswellastoxic frominteriordec- variety prod

5、uced industry gases orationdoharmto lots of airareinsh- peoplelivesAlthough equipmentspurifing can thetoxic donot whetherthereare ops，whichpurify gases，theyrecognize waste or notin the networkoftoxic environmentTherefore，if gases monitoring is inthe it and gasesintegratedpurificationequipment，detect

6、ingqualitatively abreastoftoxic keeping andharmfulintheenvironmentofinformationin gases for time，air therealizationof as： purificationequipment control such intelligent what methodused?whenisthe and purification purificationequipmentopened of the tren closed?，etc isgreatsignificanceWhatSmore，underst

7、anding changing d oftoxic in essentialdatafor gasesenvironment，for providing intheindustrial environmentand monitoring environment，the hospital peopleS environment living For thetoxic are as detecting gases，there manyways，suchanalytical methodssemiconductordetection combustion chemistry gas-type met

8、hods，contact detection methodsand SOonElectroc type methods，spectroscopy，electrochemical ?chemical measurementisoffast canmeasurethetoxic on response，which gases lineandresist interferenceofnon?measured whichthe gasstrongly，by probes madeare tobe with studiedthis easy smallTherefore，the integrated s

9、ystem by theelectrochemical paperadopts measurementThedetection on gas equipments marketare a transmitdata de-velopedby singlegasdetection，and they through thecableIfneedtotesta of detection you varietygases，thegas equipments will be a numberof then，if integratedhu-geAnd large monitoringpointsrequir

10、ed ofthe datatransmissionis layout environment，wired monitoring very wiring troublesomeand dissertation atoxic costlySo，This developedgasmonitoring network withair sizeand integrated purification researchesareasfollows： wirelessSpecific sensor 1Gas integrateddesign The andother sensorswere CO，formal

11、dehyde，benzenegas sensorswereclassified to andthesizesof gas accordingpolarity outputsignals， andThesame of circuit typeoutputsignalsprocessesintegrateddesign network 2Wireless communication system The aboutwireless integrateddesign communicationnodesand sensorsis gas totransmissensordataand control

12、commandssentwirelessnode by toestablish centerstorealize nControllingplatform computer the monitoringpoi automatic nts，sensorselection，and ofmeasured processing signals Calibration 3System TestingLaboratory ameasurementofwireless Developed system networkforcharact monitoring eristic of testingpoison

13、ous thedemarcationofsensor gasFinished characteristic， the of communicationdistancetestof comparisonaccuracy，and ontheinfluencetothesensorcharacteristicof fromtheambient monitoringsystem humidity keywords：toxic sensor gasmonitor；wireless network；Electrochemicalsensor；inte grated design 插圖清單 圖2一l系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

14、框圖5 圖22氣體傳感器8 圖24氣體傳感器電路9 圖25TLC27L7C管腳圖10 圖26TLC27L7C符號(hào)10 圖2703傳感器工作電路11 圖28MC4303引腳圖1l 1 圖2-9氧傳感器結(jié)構(gòu)圖1 圖210LM33650引腳圖12 1 圖21LM334引腳圖一13 圖212電源供電電路：13 5 圖213氣體傳感器信號(hào)處理電路。l 圖214TA75902F管腳圖16 圖215CD4066引腳圖16 圖216輔助電路設(shè)計(jì)17 圖217傳感器電源控制電路17 圖31zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D19 圖32無線通訊節(jié)點(diǎn)21 圖33 Zigbee無線通訊節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖2l 圖3-4CC2420芯片內(nèi)部

15、結(jié)構(gòu)示意圖23 圖35時(shí)鐘源電路錯(cuò)誤!未定義書簽。 圖36串行Flash外部電路24 圖37串口通信電路24 圖3-8JTAG接口電路25 圖3-9CC2420外圍電路25 圖3一10天線電路27 圖311擴(kuò)展接口27 表32節(jié)點(diǎn)外部接口說明表_：27 圖312傳感器電路與無線通訊節(jié)點(diǎn)集成電路28 圖313終端監(jiān)測(cè)點(diǎn)程序流程圖30 圖314中心控制平臺(tái)流程圖3l 圖315網(wǎng)絡(luò)路由器程序流程圖31 圖316CSMACA算法流程圖32 圖317確認(rèn)幀的格式32 圖3一l8系統(tǒng)單路監(jiān)測(cè)點(diǎn)程序流程圖-34 圖319軟件界面圖35 圖41氣室36 圖42實(shí)驗(yàn)示意圖37 圖43數(shù)據(jù)對(duì)比去曲線圖37 圖44

16、CO氣體濃度測(cè)試結(jié)果38 圖45 CO測(cè)試結(jié)果曲線擬合38 圖46通訊距離測(cè)試圖40 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所星交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。據(jù) 我所知，除了文中特別加以標(biāo)志和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的 研究成果，也不包含為獲得 金壁王些太堂 或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材 料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示謝 意。 學(xué)位論文作者簽氯虧助磅簽字日期2州眸驢月可日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解 金目巴王些太堂 有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，有權(quán)保留 并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交

17、論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱或借閱。本人授權(quán)_金 坦王些太堂 可以將學(xué)位論文的全部或部分論文內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影 印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書 學(xué)位論文者簽名：季勛路 導(dǎo)師簽名： 抖蝴馴。年釤月節(jié)日 簽字醐：刎。年伊月矽日 學(xué)位論文作者畢業(yè)后去向： T作單位： ： 通訊地址： ： 致 謝 本學(xué)位論文是在余曉芬教授的悉心指導(dǎo)和親切關(guān)懷下完成的。導(dǎo)師最大 限度地提供了良好的學(xué)習(xí)和科研條件。從課程學(xué)習(xí)到項(xiàng)目論證、研究、實(shí)驗(yàn)和 論文的撰寫過程中，余老師始終給予了我悉心地指導(dǎo)，傾注了大量的心血，使 得課題的研究取得了很好的成果，

18、論文也得以順利完成，我的專業(yè)技術(shù)和科研 能力也得到提高。余老師淵博的學(xué)術(shù)知識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和誨人不倦的敬業(yè) 精神，使我受益匪淺。在此，向尊敬的余老師表示衷心的感謝和最誠(chéng)摯的敬 意。感謝胡佳文、程伶俐、余卿、馬文平、李志強(qiáng)、張埏、陳香蘭等同門師兄 弟，在我的學(xué)習(xí)、科研和生活中，他 她 們給予了很多啟發(fā)和幫助，并使我研 究生期間的生活增添了很多快樂。感謝我的家人特別是我的父母對(duì)我堅(jiān)持不懈 的支持，感謝一切曾經(jīng)鼓勵(lì)、支持和幫助過我的人，衷心的謝謝大家! 李勛濤 2010年4月 第一章緒論 11課題的研究背景及意義 僅以人類自身來說，其日常生活和生產(chǎn)活動(dòng)都與周圍的大氣環(huán)境密切相 關(guān)，大氣環(huán)境品質(zhì)的變

19、化對(duì)人類有極大的影響。隨著工業(yè)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，產(chǎn)品 的種類不斷增多，氣體原料和生產(chǎn)過程中的產(chǎn)生的氣體種類和數(shù)量不斷增多， 尤其是石油、化工、煤炭和汽車等工業(yè)發(fā)展，致使大氣污染日益嚴(yán)重。空氣中 含有有毒有害氣體，會(huì)對(duì)人類的身體健康帶來巨大的威脅?？扇?xì)怏w的泄漏會(huì) 的甲醛、苯的有毒氣體等，這些都會(huì)對(duì)人類的身體健康和財(cái)產(chǎn)安全帶來威脅， J。 氣體污染己逐漸影響到人類的生存【2 對(duì)于這些有毒氣體的危害，人類研制出了基于各種凈化方法的空氣凈化設(shè) 備。近年來，美國(guó)和日本的空氣凈化器市場(chǎng)逐漸普及，在我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)空氣凈 化器幾乎成為辦公大樓及居家環(huán)境中的必備品。我國(guó)國(guó)內(nèi)空氣凈化器市場(chǎng)也正 逐漸活躍。空氣凈化裝置

20、根據(jù)用途可以將其分為工業(yè)空氣凈化裝置、醫(yī)用空氣 凈化裝置和民用室內(nèi)空氣凈化裝置三種類型；根據(jù)其性能可分為除塵式空氣凈 化器、除去有害氣體式空氣凈化器、滅菌式空氣凈化器Il】。但是這些空氣凈化 裝置雖然能凈化有毒有害氣體，但并不了解環(huán)境中有毒有害氣體的信息。因 此，對(duì)它們進(jìn)行定性定量檢測(cè)，及時(shí)了解環(huán)境中的有毒有害氣體的信息，對(duì)于 實(shí)現(xiàn)空氣凈化設(shè)備的更加智能化 如：采用何種凈化方法?何時(shí)開啟和關(guān)閉凈 化設(shè)備?等 具有十分重要的意義，并對(duì)了解環(huán)境中有毒有害氣體含量的變化 趨勢(shì)，為工業(yè)環(huán)境、醫(yī)院環(huán)境和人們的生活環(huán)境等環(huán)境監(jiān)測(cè)提供十分重要的數(shù) 據(jù)和依據(jù)。 人類早就開始?xì)怏w檢測(cè)和控制方法的研究。從30年代

21、起，國(guó)外就開始了 研究開發(fā)氣體傳感器，主要用于廠礦和家庭的煤氣測(cè)試、液化石油氣、天然氣 以及瓦斯等有害氣體的檢測(cè)和報(bào)警，并取得很大的成績(jī)。進(jìn)入80年代以來， 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種檢測(cè)技術(shù)和儀器?，F(xiàn)在常用的測(cè)量手段和儀 器，主要包括分析化學(xué)方法、半導(dǎo)體氣敏式探測(cè)方法、接觸燃燒式探測(cè)方法、 光譜分析方法、電化學(xué)方法等方法。 1分析化學(xué)方法是通過在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)采集樣氣，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行化學(xué)分析 得到結(jié)果。這種檢測(cè)方法周期比較長(zhǎng)，無法實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)。 2半導(dǎo)體氣敏式探測(cè)方法是將由金屬氧化物或金屬半導(dǎo)體氧化物材料做 成的阻性元件，放入到被測(cè)氣體中，與氣體相互作用產(chǎn)生表面吸附或反應(yīng)，引 起阻性元件的電導(dǎo)

22、率或表面電位變化來測(cè)量氣體濃度。這種檢測(cè)方法受材料的 影響大，對(duì)非被測(cè)氣體的抗干擾性不高，有的甚至需要高溫條件。 3接觸燃燒式探測(cè)方法是將由氣敏材料做成的探頭如 Pt電熱絲等 放入到 被測(cè)氣體中，在通電狀態(tài)下，使被測(cè)氣體氧化燃燒或者在催化劑作用下氧化燃 燒，從而使探頭的電阻值發(fā)生變化，通過測(cè)量探頭電阻值變化來測(cè)量氣體濃 度。這種檢測(cè)方法局限性大，對(duì)不能燃燒的氣體不能測(cè)量。 4光譜分析方法是利用不同氣體對(duì)光譜具有不同的光學(xué)吸收特性來檢測(cè) 氣體成分和濃度。這種檢測(cè)方法需要專門的光譜儀，設(shè)備昂貴，操作復(fù)雜，不 便攜帶，而且采樣分析速度慢，無法實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)。 5電化學(xué)方法是將由電化學(xué)原理制作的探頭放入

23、到被測(cè)氣體中，被測(cè)氣 體和探頭中的化學(xué)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，通過測(cè)量化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電流來測(cè)量氣 體濃度。這種檢測(cè)方法響應(yīng)速度快、對(duì)非被測(cè)氣體的抗干擾性好、制作成的探 頭體積小。 上述這些測(cè)量方法制作的氣體檢測(cè)設(shè)備在當(dāng)前生活中都得到廣泛的應(yīng) 用，但是本學(xué)位論文的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要能夠?qū)崿F(xiàn)在線檢測(cè)，響應(yīng)速度要快、體積 小，能夠檢測(cè)環(huán)境中的不同氣體。經(jīng)過對(duì)上述測(cè)量方法的分析，最終選擇了電 化學(xué)測(cè)量方法。但是電化學(xué)方法制作的探頭只能檢測(cè)單一氣體，因?yàn)樾枰瑫r(shí) 檢測(cè)多種氣體，所以我們必須對(duì)多種電化學(xué)氣體傳感器進(jìn)行集成化設(shè)計(jì)。 對(duì)于大環(huán)境的氣體監(jiān)測(cè)，必須在不同的地點(diǎn)布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，組成一個(gè)監(jiān)測(cè)網(wǎng) 絡(luò)。如果采用有線傳輸數(shù)

24、據(jù)，成本比較高而且布線十分的麻煩，有些地方有線 布監(jiān)測(cè)點(diǎn)可能很難做到。針對(duì)以上這些不足和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自身特點(diǎn)，本 論文需要設(shè)計(jì)一個(gè)無線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。 12環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀 隨著社會(huì)的進(jìn)步和人們對(duì)環(huán)境問題及健康問題的日益重視，大氣品質(zhì)狀況 受到越來越多的關(guān)注，政府和社會(huì)對(duì)氣體環(huán)境監(jiān)測(cè)的投入也越來越大。 早期的氣體環(huán)境監(jiān)測(cè)主要以化學(xué)分析為主，對(duì)監(jiān)測(cè)環(huán)境設(shè)立監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行定 時(shí)、間斷的測(cè)量分析。這種監(jiān)測(cè)方法需要檢測(cè)人員現(xiàn)場(chǎng)操作，無法實(shí)現(xiàn)在線檢 測(cè)，而且對(duì)有害氣體濃度較高的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，對(duì)測(cè)量人員的危害很大。 隨著科技的發(fā)展，氣體監(jiān)測(cè)技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展，出現(xiàn)了各種能夠?qū)崟r(shí)、 連續(xù)的檢測(cè)設(shè)備。氣體污

25、染的增多，需要監(jiān)測(cè)環(huán)境的范圍的擴(kuò)大，單個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn) 已很難覆蓋這些監(jiān)測(cè)環(huán)境并實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)被測(cè)環(huán)境，于是出現(xiàn)了初步的環(huán)境監(jiān)測(cè) 網(wǎng)絡(luò)。它們通過有線制傳輸數(shù)據(jù)，將各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳送到中心控制平臺(tái)， 實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)。但這類監(jiān)測(cè)方式對(duì)于監(jiān)測(cè)環(huán)境復(fù)雜、監(jiān)測(cè)點(diǎn)多、監(jiān)測(cè)點(diǎn)可能需 要變動(dòng)等場(chǎng)合，有線監(jiān)測(cè)存在十分明顯的缺點(diǎn)： 1環(huán)境復(fù)雜、監(jiān)測(cè)點(diǎn)多，布線十分復(fù)雜，一些環(huán)境有線布線可能無法實(shí) 現(xiàn)，大大增大了環(huán)境信息采集的難度。 2由于環(huán)境改變，需要改變監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置時(shí)，會(huì)大大增加成本。 2 隨著無線通訊技術(shù)的興起，對(duì)于一些監(jiān)測(cè)范圍大、環(huán)境復(fù)雜等測(cè)量場(chǎng) 合，出現(xiàn)了通過各種無線通訊技術(shù)組成的環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備【3】。這些監(jiān)測(cè)設(shè)備主要 基

26、于GSM短消息、GPRS、紅外、藍(lán)牙等通訊技術(shù)。這些環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備雖然 克服了有線傳輸?shù)娜秉c(diǎn)，實(shí)現(xiàn)無線傳輸數(shù)據(jù)，但是它們都存在各自的不足?；?于GSM短消息、GPRS的監(jiān)測(cè)設(shè)備，它們的無線傳輸是利用移動(dòng)的基站實(shí)現(xiàn) 的，對(duì)于沒有基站的地方，無法實(shí)現(xiàn)無線傳輸，而且這些通訊方式，都需要收 數(shù)據(jù)流量費(fèi)等，成本比較高?；诩t外的監(jiān)測(cè)設(shè)備，它們的通訊距離比較短， 而且無法實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)通訊，應(yīng)用場(chǎng)合比較有限。基于藍(lán)牙的監(jiān)測(cè)設(shè)備，雖然可以 實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)通訊，但無法自組織網(wǎng)絡(luò)，所以監(jiān)測(cè)范圍受到很大限制。 對(duì)于上述設(shè)備的不足，如何實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、智能、大范圍的布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，實(shí) 現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)化，成為人們研究的熱點(diǎn)?；趜igbe

27、e的無線通訊技術(shù)的 出現(xiàn)，使這些難點(diǎn)的解決成為可能。本學(xué)位論文就是采用zigbee無線通訊技 術(shù)對(duì)組建無線環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究。 13論文內(nèi)容概述 本課題的目的是研制了一個(gè)能與空氣凈化設(shè)備集成、智能化、體積小的 有毒氣體無線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。采用多類電化學(xué)氣體傳感器進(jìn)行信號(hào)采集，由無線網(wǎng) 絡(luò)通訊系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，由計(jì)算機(jī)控制平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和控制各個(gè)監(jiān)測(cè) 點(diǎn)。課題解決的關(guān)鍵問題主要集中在以下幾個(gè)方面： 1氣體傳感器集成化設(shè)計(jì) 對(duì)CO、甲醛、苯等氣體傳感器進(jìn)行了集成化設(shè)計(jì)，根據(jù)傳感器輸出信號(hào) 的極性、大小進(jìn)行分類，對(duì)同類別的傳感器輸出信號(hào)的信號(hào)處理電路進(jìn)行集成 化設(shè)計(jì)。 2無線網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì) 對(duì)無線通

28、訊節(jié)點(diǎn)與氣體傳感器進(jìn)行集成化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)傳輸 及控制命令的發(fā)送的無線節(jié)點(diǎn)通訊；建立計(jì)算機(jī)中心控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè) 點(diǎn)、傳感器的選擇以及測(cè)量信號(hào)的自動(dòng)處理。 3系統(tǒng)特性標(biāo)定測(cè)試實(shí)驗(yàn) 研制了有毒氣體無線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)特性測(cè)試的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，完成了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳 感特性標(biāo)定和精度比對(duì)實(shí)驗(yàn)、通訊系統(tǒng)的通訊距離測(cè)試實(shí)驗(yàn)及環(huán)境濕度對(duì)監(jiān)測(cè) 系統(tǒng)傳感特性影響的研究實(shí)驗(yàn)。 論文內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)部分： 第一章：主要闡述研究背景及課題的提出。 第二章：詳細(xì)介紹了系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)思想、氣體傳感器工作電路設(shè)計(jì) 及傳感器信號(hào)調(diào)理電路集成設(shè)計(jì)等。 3 第三章：詳細(xì)闡述了無線網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括無限節(jié)點(diǎn)與傳感器的 集成、無

29、線節(jié)點(diǎn)的通訊實(shí)現(xiàn)、測(cè)量信號(hào)的自動(dòng)處理等。 第四章：主要闡述了系統(tǒng)特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)，包括實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建立、系統(tǒng)性 能標(biāo)定實(shí)驗(yàn)和特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)等。 第五章：對(duì)本文進(jìn)行了總結(jié)，并提出可以進(jìn)一步進(jìn)行的研究工作。 4 第二章氣體傳感器電路集成化設(shè)計(jì) 21系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)思想 有毒氣體無線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)主要由能實(shí)現(xiàn)對(duì)CO、甲醛、02、03、苯等氣體檢 測(cè)的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和能接收各監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)、發(fā)送監(jiān)控命令的中心控制平臺(tái)組成。監(jiān) 測(cè)節(jié)點(diǎn)是系統(tǒng)的重要組成部分，它包括氣體傳感器模塊、傳感器工作電路、信 號(hào)處理電路和無線模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖21所示。 圖2-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 其工作原理是：中心控制平臺(tái)初始化，并構(gòu)建一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)

30、 加入這個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)以后，由中心控制平臺(tái)發(fā)送監(jiān)測(cè)指令，監(jiān)測(cè)點(diǎn)收到指令后， 氣體傳感器開始采集氣體濃度信息，傳感器輸出信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理以 后，將數(shù)據(jù)送入對(duì)應(yīng)的無線模塊，無線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給中心控制平臺(tái)，由中 心控制平臺(tái)的PC機(jī)對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并實(shí)時(shí)顯示各種氣體的濃度值。 由上圖可以看出，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由氣體傳感器工作電路、信號(hào)調(diào)理電路、 無線網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)中心控制平臺(tái)等組成。 1氣體傳感器工作電路是使各路傳感器能夠正常工作，并將傳感器輸出的 電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。 2信號(hào)調(diào)理電路是根據(jù)傳感器輸出信號(hào)的極性、大小進(jìn)行分類，對(duì)同類別 的傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行放大處理，為進(jìn)入單片機(jī)做準(zhǔn)備。

31、 3無線網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)到中心控制平臺(tái)的數(shù)據(jù)無線傳輸。 5 4計(jì)算機(jī)中心控制平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的智能控制以及測(cè)量信號(hào)的自動(dòng)處 理。 22氣體傳感器電路設(shè)計(jì) 221傳感器的選擇 氣體傳感器是一種將氣體的種類、濃度等信息轉(zhuǎn)換成可以被識(shí)別的信息， 如電量信息等。它是對(duì)氣體進(jìn)行定性、定量檢測(cè)的重要部分。目前常用的氣體 傳感器包括電化學(xué)氣體傳感器、半導(dǎo)體氣體傳感器、接觸燃燒式氣體傳感器、 熱導(dǎo)式氣體傳感器、紅外式氣體傳感器【I5】等。 1半導(dǎo)體氣體傳感器 將由金屬氧化物或金屬半導(dǎo)體氧化物材料做成的半導(dǎo)體元件，放入到被 測(cè)氣體中，與氣體相互作用產(chǎn)生表面吸附或反應(yīng)，引起阻性元件的特性變化來 測(cè)量氣體

32、濃度。自20世紀(jì)70年代問世以來，半導(dǎo)體氣體傳感器得到了廣泛的 應(yīng)用，根據(jù)其氣敏特性可分為電阻式和非電阻式兩種【4】。 會(huì)隨著氣體濃度不同而發(fā)生變化。它具有靈敏度高、操作方便、體積小、成本 低廉、響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際的應(yīng)用中存在穩(wěn)定性和氣體抗 干擾能力差、工作溫度高、使用壽命短等缺點(diǎn)。隨著科技的發(fā)展，人們又研究 開發(fā)了一批以新型材料制作的電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器，這些材料包括單一金 屬氧化物材料、復(fù)合金屬氧化物材料以及混合金屬氧化物材料。這些新型材料 的研究和開發(fā)，大大提高了氣體傳感器的特性和應(yīng)用范圍【15l。 非電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器是利用一些物理效益與器件特性來檢測(cè)氣體。 如

33、肖特二極管的伏安特性和半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管閾值電壓變化特性，利用這兩種特 性制作的氣體傳感器，其電流或電壓隨著氣體含量而變化。這類傳感器主要用 于檢測(cè)可燃性氣體。 2電化學(xué)氣體傳感器 電化學(xué)氣體傳感器是利用化學(xué)原理制作的探頭放入到被測(cè)氣體中，被測(cè) 氣體和探頭中的化學(xué)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，通過測(cè)量化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電流來測(cè)量 氣體濃度。它主要可以分為原電池型氣體傳感器和恒電位式氣體傳感器。電化 學(xué)傳感器響應(yīng)速度快、對(duì)非被測(cè)氣體的抗干擾性好、制作成的探頭體積小、靈 敏度高¨¨。 3接觸燃燒式氣體傳感器 接觸燃燒式氣體傳感器可分為直接接觸燃燒式和催化接觸燃燒式，其工作 原理是將由氣敏材料做成的

34、探頭女fl Pt電熱絲等 放入到被測(cè)氣體中，在通電狀 態(tài)下，使被測(cè)氣體氧化燃燒或者在催化劑作用下氧化燃燒，從而使探頭的電阻 6 值發(fā)生變化，通過測(cè)量探頭電阻值變化來測(cè)量氣體濃度【41。這種傳感器的局限 性大，對(duì)不能燃燒的氣體不能測(cè)量，普遍適用于石油化工廠、造船廠、礦井隧 道和浴室廚房的可燃性氣體的監(jiān)測(cè)和報(bào)警【17J。 4熱導(dǎo)式氣體傳感器 熱導(dǎo)式氣體傳感器是利用傳感器溫度隨氣體濃度變化而變化來檢測(cè)氣體 濃度。這類傳感器檢測(cè)范圍大、裝置簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，但其檢測(cè)的靈敏度低、 檢測(cè)誤差大、溫度漂移大等缺點(diǎn)限制了這類傳感器的廣泛應(yīng)用【l引。 5紅外式氣體傳感器 紅外氣體傳感器12】是利用不同氣體對(duì)紅外光

35、譜的吸收特性不一樣，來檢測(cè) 氣體及其濃度。這類傳感器的檢測(cè)精度最高，它具有高抗振能力和抗污染能 力，靈敏度高、誤報(bào)率低。但這種傳感器的成本很高，裝置也很復(fù)雜，操作過 程歷時(shí)長(zhǎng)。操作人員需要經(jīng)過專門培訓(xùn)，只能用于離線分析，不能在線檢測(cè)。 在整個(gè)系統(tǒng)中，傳感器是采集氣體種類及濃度信息的主要器件，是整個(gè)系 統(tǒng)的核心之一，它的選擇直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的識(shí)別能力、識(shí)別范圍、使用壽 命等。在我們的系統(tǒng)中，需要多種不同的氣體傳感器，選擇合適的傳感器組合 對(duì)提高整個(gè)系統(tǒng)的性能起到至關(guān)重要的作用。因此，系統(tǒng)選擇傳感器需要考慮 以下幾個(gè)方面： 1根據(jù)測(cè)量對(duì)象與測(cè)量環(huán)境確定傳感器的類型。對(duì)于氣體的測(cè)量，存在很 多種原

36、理的傳感器進(jìn)行選擇，所以我們必須根據(jù)測(cè)量對(duì)象和環(huán)境，選擇采用何 種原理的傳感器。 2靈敏度的選擇。在使用傳感器的測(cè)量中，傳感器的靈敏度決定了傳感器 能識(shí)別測(cè)量對(duì)象的最小變化量。 3傳感器的抗干擾能力。傳感器的抗干擾能力決定了傳感器的穩(wěn)定性和輸 出信號(hào)的可靠性，對(duì)于系統(tǒng)的穩(wěn)定十分重要，如果傳感器的抗干擾能力不強(qiáng)， 引入噪聲比較大，可能是信號(hào)淹沒或者信號(hào)的誤差比較大。 4傳感器的價(jià)格和體積。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，成本是必須考慮的問題，所以在 選擇傳感器的時(shí)候，也需要考慮這一點(diǎn)。由于本學(xué)位論文各監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用集成化 設(shè)計(jì)，傳感器的體積影響到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的體積，我們也必須考慮。 5量程范圍。傳感器的線性范圍越寬，則其量程越大。對(duì)于不同的測(cè)量環(huán) 境需要不同的量程范圍，選擇適合自身系統(tǒng)的量程范圍，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須考慮 的問題