管道气体参量检测系统【字数：14482】
管道气体参量检测系统[160515138336430x]
摘 要随着我国城市化进程的不断加快，燃气的使用不仅给人民的生活带来了便捷，同时也提高了居民的生活质量，相应地，燃气的广泛应用也带动了城市管道系统的建设。但是，由于管道问题造成燃气管道发生爆炸的事故不胜枚举，对居民的生命财产造成了重大威胁。 本次设计的管道气体检测仪是基于ARM Cortex-M4内核的MK10DN512VLL10（简称K10）微控制器为主控芯片，通过芯片内部自带ADC将传感器采集的模拟信号转变为数字信号，设置按键和OLED作为人机交互模块，蜂鸣器、LED作为报警电路模块，通过设定阈值实现不同等级的报警，最后驱动电机稀释气体，检测到的气体浓度通过无线传输模块发送至电脑。在软件设计方面，本课题基于IAR软件开发环境和K10标准外设库进行程序编程，实现数据采集与处理、声光报警、电机驱动等功能。在数据采集与处理设计中使用滑动滤波算法，提高数据处理的稳定性。 经试验证明，本设计完成了测试工作，系统在显示、报警、驱动等各项功能均满足设计要求。目录
1. 绪论 1
1.1 课题研究的背景和意义 1
1.2 气体检测仪的国内外发展 1
1.3 对环境及社会可持续发展的影响 2
1.4 论文章节安排 3
1.5 本章小结 3
2. 系统总体方案设计 4
2.1 设计目标 4
2.2 系统总体设计方案 4
2.3 本章小结 5
3. 硬件电路设计 6
3.1 硬件设计的总体框架 6
3.2 主控模块设计 6
3.2.1 复位电路 7
3.2.2 时钟电路 8
3.2.3 JTAG下载电路 8
3.3 供电电源管理设计 9
3.3.1 5V稳压电路 9
3.3.2 3.3V稳压电路 10
3.3.3 12V升压电路 10
3.4 声光报警模块 11
3.5 传感器检测模块 11
3.5.1 MQ2烟雾传感器 11
3.5.2 MQ7一氧化碳传感器 12 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
3.5.3 热敏电阻 12
3.6 人机交互设计 13
3.6.1 按键电路 13
3.6.2 OLED显示电路 13
3.7 电机驱动 14
3.8 无线通信模块 15
3.9 本章小结 15
4. 系统软件设计 16
4.1 系统程序总体设计 16
4.2 主程序初始化 17
4.2.1 时钟初始化 17
4.2.2 ADC初始化 17
4.2.3 电机初始化 17
4.2.4 报警电路初始化 17
4.3 数据采集及滤波算法的设计 18
4.3.1 气体浓度数据采集处理 18
4.3.2 温度数据采集处理 19
4.4 人机交互程序设计 19
4.4.1 OLED显示程序设计 19
4.4.2 按键功能程序设计 20
4.5 声光报警程序设计 22
4.6 PWM驱动电机程序设计 22
4.6.1 PWM波生成 22
4.6.2 PWM控制电机转速 23
4.7 本章小结 23
5. 系统调试与结果分析 24
5.1 硬件电路调试 24
5.1.1 供电电源模块测试 24
5.2 软件与实物调试 25
5.2.1 数据处理调试 26
5.2.2 报警和驱动代码调试 26
5.2.3 按键调试功能 27
5.3 数据的分析与校验 27
5.3 本章小结 28
6. 总结与展望 29
6.1 总结 29
6.2 展望 29
参考文献 30
附录 31
致谢 39
1. 绪论
1.1 课题研究的背景和意义
人们的生存活动离不开能源的使用。随着人们生活质量的不断提高，城市现代化的推进，远古时期的钻木取火到现世纪燃气的普遍使用，已然便捷了居民的生活方式。燃气传统的货车、轮船的低效率拉运方式渐渐被管道运输所取代，这种方式不仅节约运输成本、减少运输中的损耗，而且还能实现自动化控制。然而由于输送气体易燃易爆炸、具有腐蚀性等特点，它在带来便利的同时也威胁着人们的生命财产安全。不乏有管道气体泄漏造成大范围爆炸的事故，因此及时检查燃气管道是否异常，并做好预防工作是有必要的。
城市中地下管道运输的气体不单局限于一种，常见的管道燃气有天然气、煤气（CO），一旦气体泄露将会危害到人们的安全。比如天然气，它具有易燃易爆的特性，在空气中，只要天然气浓度上升至5%就会引起爆炸，含量一旦超过10%时，就会对人体健康造成威胁，比如大脑缺氧导致的窒息、昏厥甚至失去生命。本课题设计的管道气体检测仪，以K10为核心的微控制处理器，具有集成性能高、运作稳定等优点，可以方便携带以及能在狭小、复杂的作业环境中稳定工作。该气体检测仪可以同时检测CH4和CO气体浓度，并在OLED上显示，通过热敏电阻及时检测环境温度，避免易燃气体明火；当超过预设值时，驱动风扇稀释有毒或易燃气体，将检测结果及时发送至电脑界面，提醒作业人员采取安全措施预防安全事故发生。
1.2 气体检测仪的国内外发展
随着工业自动化进程的加快，气体检测方面的技术在很大程度上有了显而易见的突破性进展。由最初始的通过观测火焰的高低来判断气体浓度大小而发明的瓦斯检验设备，到根据光的干涉原理发明的气体探测器，一直到如今更先进的自动化设备应运而生，以单片机为控制核心，与气体传感器检测技术相融合，应用到生产中去。因为在复杂的工作环境中，单一种类的传感器检测气体有很大的局限性，利用新技术研制出的多气体探测器的精度、可靠性更高。
自二十世纪七十年代初，我国在气体检测技术上较之国外相对落后，其主要原因有工作场所复杂，对监测设备的精确性和稳定性要求较高，更重要的是国内的传感器技术和生产工艺很大一部分引进国外，自身水平达不到高要求，这极大地限制了我国气体检测行业的发展。随着石油化行业的蓬勃发展，仪表行业气体检测仪的市场占有率已达到30％以上，并不断上涨。近年来，中国的气体检测技术在产品稳定性和创新方面取得了进步。例如，哈尔滨东方警报设备开发有限公司研究的便携式多气体检测仪，除了可以同时检测四种气体浓度，还能够作用于各种复杂环境，如地下管道、动火现场等。电路采用本安型设计，质量体积小，具有数字显示、低压电源报警、无线传输等功能。但是，除了上述的优点外，检测仪造价昂贵、传感器使用寿命短也成为了今后发展中需要着重考虑的问题。综上所述，气体检测仪在工业中的有很大的研究和创新空间。
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