毕业设计（论文）气雾剂泡沫易燃性检测仪的硬件设计

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1、中国计量学院本科毕业设计（论文）气雾剂泡沫易燃性检测仪的硬件设计气雾剂泡沫易燃性检测仪的硬件设计Hardware design of test instrument for foam flammability of aerosols 学生姓名 叶勇 学 号 0500201326学生专业 测控技术与仪器 班 级 05 测控 3班 二级学院计量测试工程学院 指导教师 王学影 讲师 中国计量学院2009 年 06 月郑郑 重重 声声 明明本人呈交的毕业设计论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含

2、他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。学生签名： 日期： 分类号： TP23 密 级： 公 开 UDC： 620 学校代码： 10356 中国计量学院本科毕业设计（论文）气雾剂泡沫易燃性检测仪的硬件设计Hardware design of test instrument for foam flammability of aerosols 作 者 叶勇 学 号 0500201326 申请学位 工学学士 指导教师 王学影 讲师 学科专业 测控技术与仪器 培养单位 中国计量学院 答辩委员会主席 评 阅

3、人 2009 年 6 月致 谢值此论文完稿之际，谨向辛勤指导我的王学影、王晓娜老师致以衷心的感谢。大四的时候王晓娜老师担任我们班的专业实验课老师，她严谨的治学态度和一丝不苟的作风给我们留下了深刻的印象。王学影老师虽然不是我们的任课教师，但她平易近人，在我做毕业设计期间，多次询问并指导我，帮我解决疑难，对于我论文的写作给予了许多的帮助。感谢这几年来父母对我在生活上的照顾，虽然在学术上父母并不是很懂，但在生活上，父母对我照顾的无微不至。他们供我上大学，每个月给我寄生活费。他们的养育之恩我只能用优良的成绩来回报。感谢张晟学长在本课题研究上的帮助，起初对课题了解得很少，基础也不牢，学长对我产生的疑问都

4、会耐心回答。虽然在大二的时候学过一点单片机，但到大四时已经不太熟悉，而且对于利用单片机进行系统开发设计也没有过接触。学长向我推荐了许多有用的论坛、网站，并及时解决我的疑问。尽管他自己的科研任务繁忙，但是对于我的咨询他从不推脱。同时也感谢郭天太老师，朱明辉老师，他们也很关心我的毕业设计，遇到难题的时候他们也会热心帮助。毕业在即，感谢量院的所有老师，你们的辛勤劳动让我们四年的大学有所学，有所成。你们以及量院的所有一切，将让我们在未来更加的自信。I气雾剂泡沫易燃性测试仪的硬件设计摘要：摘要：易燃性是喷雾剂泡沫安全性测试中的一种重要参数。本文针对喷雾剂泡沫安全性测试中普遍存在的火焰高度测量非自动化，效

5、率及精度低等问题，研究了一种基于光敏二极管光电转换原理的对小型稳定火焰源高度测试的方法，并设计了由单片机、光电传感定位机构、直流电机等构成的自动检测系统。对硬件进行相关测试，火焰高度误差来源及其解决方案做了详细的分析，并开发了相关的自动测试系统。该系统测量精度可达 5mm，具备自动测试和处理数据的能力，并能和上位机进行数据通信和显示，能满足新标准危险品 喷雾剂泡沫易燃性测试方法规定的测试要求，为喷雾剂易燃性自动测试仪器奠定了良好的基础。关键词：关键词：易燃性 自动检测 火焰高度 单片机中图分类号：中图分类号：TP23IIHardware design of a test instrument

6、for foam flammability of aerosols Abstract：In the safety test of aerosols foam, flammability is a very important parameter. But there is still some problem in this test: the flame height measurement is not automated, and the accuracy is too low. This thesis proposes a approach to solve these problem

7、s. It uses photosensitive diode to make photoelectric conversion, then measure the height of some stabilization flame .On this basis ,this thesis also researches and develops an automatic detection system, consist of microprogramme control unit(MCU),D. C. motors , and automatic positioning agencies.

8、 They did hardware test, analysisd the source of error, and put forward some method to make the system more efficiency. With a high precision, automatic detection and data processing and display ability, this system can meet the requirements of the new national standard of 2008. It effectively solve

9、d the problem of lack of automatic test equipment for foam flammability of aerosolsKeywords: : Inflammability; Automatic detection; Height of the flame; MCUClassification: : TP23III目目 次次摘要.I目次 .III1 绪论.11.1 课题的来源与背景.11.2 喷雾剂易燃性测试简介.21.3 国内外研究现状.21.4 单片机在测控系统中的应用.31.5 课题的主要内容.41.6 本章小结.52 系统硬件电路设计.62

10、.1系统总体结构.62.2主体电路设计.72.2.1微处理器电路设计.72.2.2供电电路设计.92.2.3光电数据采集电路设计.132.2.4电机控制电路设计.172.2.5按键模块设计.182.2.6通讯电路设计.192.3本章小结.203 系统硬件测试及误差源分析.21IV3.1印制电路板设计图.213.2 硬件测试.223.2.1在线编程测试.223.2.2硬件可靠性测试.223.3系统误差源分析及改进措施.243.3.1自然光影响火焰光谱的探测.243.3.2气流扰动引起的火焰不稳定性.243.3.3泡沫燃烧火焰源本身的不稳定性.253.3.4光敏管极限尺寸带来的精度限制.253.3

11、.5光敏管接收光强能力的影响因素.263.4本章小结.264 总结和展望.274.1 本文结论.274.2 展望.27参考文献.28学位论文数据集.29附录 1： ：系统总电路原理图.30附录 2：系统 PCB 设计图.31附录 3：在线编程制作电路原理图.32中国计量学院本科毕业设计（论文）11绪论1.1课题的来源与背景气雾剂（Aerosol）或称喷雾剂，是指将药物或其他化学制剂与适宜的抛射剂装于具有特制阀门系统的耐压密闭容器中制成的澄明液体、混悬液或乳浊液，使用时借抛射剂的压力将内容物呈雾粒喷出的制剂。由于气雾剂本身使用与携带方便，加上制备与灌装等工艺水平的提高，越来越多的气雾剂类的产品进

12、入到人们的日常生活当中。随着它的广泛运用，其概念也得到了扩展，一般能够喷排出雾、液流、泡沫、凝胶的压力包装产品都属于其范畴1。气雾剂产品主要有个人护理用品、家庭用品、医疗用品及工业用品等,其中杀虫剂、发用摩丝及喷发胶三种产品约占 80%。气雾剂产品使用的推进剂过去一直是氯氟化碳类物质, 这些物质进入大气层后破坏臭氧层,影响全球气候,并导致人类皮肤癌增多,农作物减产,浅海浮游生物受害。根据消耗臭氧层物质逐步淘汰国家方案,我国决定在气雾剂行业(医药用途除外) , 广泛使用液化石油气和二甲醚作为氯氟化碳推进剂的替代品,这种替代品价格低廉,对人体和环境无不良影响。于是，从 1998年开始，环境少了一个

13、危害，但是消防安全则多了一个对手，就的矛盾解决了，新的矛盾却又派生出来2,4。通常气雾杀虫剂、摩丝、空气清净喷雾剂等气雾剂产品都压缩在小型高强度焊合金属罐内，推进剂的比例约占 40%左右，可燃有机溶剂(大多为酒精或煤油)约占50%左右，其罐体的爆炸破坏压力设计一般为 1700kPa，变形压力为 1500kPa，这种气雾金属罐气装后，实际上是一个小小的压力容器。因此，在贮存运输、使用时受高温、震动、碰撞、挤压，极易使罐内液化气体气化，蒸汽压急剧上升, 超过罐体承压能力就会产生爆炸、燃烧。如果说过去有些气雾剂产品只产生物理性爆炸不燃烧的话, 那么从 1998 年开始，由于极易燃烧爆炸的液化石油气、

14、二甲醚作为气雾剂产品的推进剂，完全替代了氯氟化碳类推进剂(医用除外)，化学性爆炸燃烧的“概率”将大幅度上升。由于人们对气雾剂的认识不足，因此，气雾剂产品导致的火灾爆炸事故屡见不鲜2。由于气雾剂产品的这些特性，对其进行易燃性测试，并对其易燃性能进行定量的检测，就变的至关重要了。2008 年 6 月，新的国家标准 GB/T31632-2008危险品 喷雾剂泡沫可燃性试验方法颁布，它详细规定了对喷雾剂泡沫进行可燃性测试的方法和步骤，并规定对许多的参数进行测量考核。但是，目前国内使用的检测手段几乎是全手工的方式，存在工作量大，测量不准确，重复性差，存在调节点火处和样品的相对位置困难，准确记录火焰高度、

15、火焰蔓延时间困难等问题。这与我国气中国计量学院本科毕业设计（论文）2雾剂生产与消耗大国的现状是不符合。因此，现在急需开发一种专用仪器，此仪器要能够按照新标准规定，进行各参数的自动检测与数据处理，以便能进行批量检测，在保证安全与质量的基础上提高生产的效率。本课题便是在这样的背景下产生。1.2喷雾剂易燃性测试简介易燃性测试是喷雾剂安全性检测中的一项重要的参数，它主要检测喷雾剂泡沫是否可燃，燃烧后的火焰高度和定量泡沫的燃烧时间等数据。根据 GB/T 31642-2008危险品 喷雾剂泡沫易燃性测试方法规定，喷雾剂易燃性测试要求在通风但无气流的环境中进行，温度控制在 205，在进行火焰高度测试之前还要

16、测量泡沫的流出速率，以便使该喷雾剂喷射量得到准确的计量。按照此标准规定，测试的方法和步骤如下3：1.根据喷雾剂的流出速率，释放适量的喷雾剂泡沫于耐火材料玻璃上；2.5 秒后将火源放于试样底部的边缘，同时开始计时。如有需要，可以在 2 秒之内将火源移开试样底部边缘，以便清楚观察试样是否燃烧；如果试样没有点燃，应将点火源继续放于试样边缘；3.如果试样点燃，记录火焰最大高度、火焰持续时间，重新称量喷雾剂重量，计算喷雾剂释放量；4.若试样不发生燃烧，且在整个过程中保持泡沫或糊状，则使同一试样再重复上述步骤；若试样发生燃烧，则再取试样重复测试两次或以上。此标准规定要求测试并记录以下要素：1.产品是否点火

17、；2.火焰的最大高度(cm)；3.火焰的持续时间(S)；4.产品的介绍、内压和排放率；5.根据测试结果，计算其火焰高度和燃烧时间的平均值。此为标准测试方法。一般在进行测试时，都是以人工记时和借助刻度尺读数的方法。这种测试方式存在许多的弊端，具体表现在火焰高度测量非自动化，缺乏效率，同时由于火焰在燃烧时存在闪烁、晃动等，以肉眼目测火焰高度就存在很大的误差。所以，为了使此项测试更加准确、更加具有参考价值，急需开发一种专用仪器以满足高效、准确测试的要求。1.3国内外研究现状从气雾剂测试标准 GB/T14449-93 版发布，到 2008 年对其做出修改，气雾剂泡中国计量学院本科毕业设计（论文）3沫安

18、全性测试受到人们越来越广泛的关注。但是，研究与开发专门对气雾剂泡沫易燃性进行测量的仪器还处于空白的局面，一方面是由于我国气雾剂生产与质检行业发展比较滞后，另一方面也由于此种仪器的应用比较单一。但运用单片机，光电传感器及步进电机等进行类似的设计，开发专用仪器的工作在国内有许多的例子。如玩具易燃性测试仪，可燃气体爆速测试仪等5,6。与本课题类似，数据的采集是设计中十分重要的一环，玩具易燃性测试仪是利用对步进电机的驱动脉冲与角位移之间的换算得到试样以及烧毁的长度，利用温湿度变送器对环境温湿度数据进行采集。可燃气体爆速测试仪选用的是光纤传感器，将可燃气体在一定距离内的爆炸时间由显示屏直观地显示出来。火

19、焰高度和燃烧时间是此仪器要测量的主要数据。一般对火焰高度进行测量，都是采用人工目测的方法。对于一些跳动、光线较暗、边缘模糊的火焰就很难以判定，而且完全人工记录，存在许多缺陷。也有利用面 CCD 采集火焰图像6，瞬时捕获火焰突跳，爆火信息，对捕获图像数据存储和处理后，计算出火焰高度等数据。例如温州市质监局利用此方法研制的打火机火焰高度自动测量装置等7。1.4单片机在测控系统中的应用目前的检测仪器设备中，很多已经由原来的机械式、刻度读数模式，更新换代为传感器采集数据，微处理器处理，数字式输出的模式。这种转变的发生，得益于传感器技术和集成技术的发展。本课题将以单片机为核心设计专用测量仪器。在一个应用

20、系统中，只使用一块单片机，这是目前应用最多的方式，单片机的在检测仪器中的应用主要表现在8：1.智能仪表：用单片机改造原有的测量、控制仪表，能促进仪表向数字化、智能化、多功能化、综合化、柔性化发展。长期以来测量仪器中的误差修正、线性化处理等难题也可迎刃而解。由单片机构成的智能仪表集测量、处理、控制功能于一体，赋予测量仪表以崭新的面貌。单片机智能仪表的这些特点不仅使传统的仪器、仪表发生根本的变革，也给传统的仪器、仪表行业技术改造带来曙光9。2.控制系统：用单片机可以构成各种工业控制系统、适应控制系统、数据采集系统等。在这个领域中，有不少是采用通用的 CPU 单片机或通用计算机系统。随着单片机技术的

21、发展，大部分可以用单片机系统或单片机加通用系统来代替。例如，智能人工气候控制，水闸自动控制，粮仓温湿度控制、电镀生产线自动控制、汽轮机的电液调节系统等10,11。 单片机在一般自动测量系统的应用中具备有测、控目的的前向传感器通道、后向伺服控制通道以及基本的人机对话手段。它包括了系统扩展和系统配置两部分内容。 系统扩展是指单片机中的 ROM、RAM 及 I/O 口等片内部组件不能满足系统的中国计量学院本科毕业设计（论文）4要求是，在片外扩展相应的部分。扩展多少，视需要选择12。系统配置是指单片机为满足应用要求时，应配置的基本外部设备，如键盘，显示器等13。单片机的典型应用系统如图 1-1 所示，

22、整个系统包括基本部分和测、控增强部分以及外设增强部分。 单片机光光电电隔隔离离A/D光光电电隔隔离离EPROMD/ARAMI/O显显示示器器键键盘盘通通用用外外设设数字量检测模拟量检测开关量检测开关量检测光光电电隔隔离离伺服驱动控制测测控控增增强强基基本本部部分分外外设设增增强强图 1-1 单片机的典型应用系统 1.5课题的主要内容本课题的主要研究内容为：依据行业标准危险品 喷雾剂泡沫可燃性试验方法对气雾剂泡沫的检测的规范要求设计电路，使之能够实现：控制火源移入移出测试区；迅速对燃烧产生的光信号进行可靠采集；处理采集到的信号，自动判断火焰高度。要求高度测量范围大于 20cm，分辨力小于等于 1

23、cm；能与 ARM 上位机进行数据通讯。方案选择时，在保证系统的信号采集精度、速度的前提下，尽可能地提高系统经济实用性和提高系统处理数据的能力。针对以上内容，本设计将完成以下设计任务：1.单片机及其外围电路设计；2.电源电路设计；3.火焰数据采集部分设计；4.电机控制及定位部分设计；5.通讯电路模块设计；中国计量学院本科毕业设计（论文）56.画出系统总体设计原理图和 PCB 设计图；7.对硬件进行相关测试，并分析误差源。系统主要实现的技术指标为：1.火焰高度测量分辨力：510mm； 2 高度测量范围：24cm；3.具备火源自动定位和自动测试能力，数据分析和显示能力。1.6本章小结 本章介绍了气

24、雾剂泡沫易燃性测试仪的研究意义,并简要介绍了国内外相关研究现状。其中重点介绍了单片机在测控系统中的应用。中国计量学院本科毕业设计（论文）62系统硬件电路设计2.1系统总体结构本测试仪是以单片机为核心，加上外围扩展电路共同组成，具备电机自动控制，自动测试数据的功能。可以实现对泡沫易燃性的规范性自动测试，同时具备通信接口，可以和上位机进行数据通信显示等。考虑到系统测试环境及测试物理参数的特殊性，在设计的过程中，电子元器件的选用、线路布置等等都要考虑到抗干扰的问题。总体设计要求其实现如下功能：采集火焰高度、火焰燃烧时间等数据，具备电机自动判断定位，自动进给，自动回退的功能。根据上面的设计要求，测试仪

25、的主体结构框图如图 2-1 所示，系统的总电路图见附录 1。 光光电电传传感感器器阵阵列列火火焰焰光光信信号号电电信信号号信信号号放放大大电电路路单单片片机机R RS S2 23 32 2按按键键模模块块电电机机驱驱动动P PW WM M直直流流减减速速电电机机光光电电对对管管电电源源模模块块P PC C机机 图 2-1 系统总体方案图设计的基本思路是：上电后，按下相应按键，告知测试开始。单片机发出驱动脉冲，经驱动电路控制电机运动。火源在电机的带动下向测试区域前进，光电对管及单片机的协同作用，控制火源进出测试区。点火，光电传感器阵列感受到火焰信号，发出包含火焰高度的信息，同时单片机计数器开始计

26、时。单片机对试样燃烧过程中的高度信号进行处理，与上位机间通信，显示测量结果。从图 2-1 我们可以看出，此测试仪包含六大模块，分别是：1微处理器电路（单片机模块） ；2供电模块；3光电数据采集模块；4电机控制模块；5按键模块；中国计量学院本科毕业设计（论文）76通信输出模块。下面本文将对这六大模块逐一进行介绍。2.2 主体电路设计2.2.1 微处理器电路设计微处理器部分是系统的关键部分之一。针对设计任务的要求，本系统中微处理器具体将完成以下的功能：1. 控制电机运动，并完成火源的定位；2. 监控各光电传感器上信号，完成对火焰数据的处理；3. 完成与上位机之间的串行通信与数据显示为保证这些功能的

27、实现，要完成单片机的正确选择，并规划好单片机与各个外围芯片之间的搭配1.单片机选型：考虑到本设计中，单片机要实现的功能比较多，对于运算处理的要求比较高，因此本设计中采用了 AT89S52 系列单片机。AT89S52 是 ATMEL 公司的一种低功耗、高性能的 8 位 CMOS 工艺处理器。它除了具有与 MCS-51 完全兼容的若干特性外，最为突出的优点是片内集成了 8K 字节 FLASH 只读程序存储器，可用来存放应用程序。这个 Flash 程序存储器除允许用一般的编程器离线编程外，还允许在应用系统中实现在线编程。除此之外，此芯片具有的其他良好性能也是选择它的主要原因，主要来说：(1)AT89

28、S52 内部具有三个 16 为定时/计数器，相比只有两个定时/计数器的 8051单片机，AT89S52 单片机具有更强的实时控制能力，同时也减少了软件的开销。(2)低功耗空闲和掉电模式，此两种特性使得此单片机具有较低的功耗，同时掉电模式的存在使得在突然的断电情况发生时，一些重要数据能不至于丢失，对于一个测量系统来说，这一点是十分重要的。(3)内置看门狗定时器（WDT，Watch Dog Timer） 。它实际上是一个计数器，一般给看门狗一个大数，程序开始运行后看门狗开始倒计数。如果程序运行正常，过一段时间 CPU 应发出指令让看门狗复位，重新开始倒计数。如果看门狗减到 0 就认为程序没有正常工

29、作，强制整个系统复位。 此外，WTD 还可以在程序陷入死循环的时候，让单片机复位而不用整个系统断电，从而保护硬件电路。AT89S52 单片机芯片的管脚图如下，它的管脚分布和对应管脚的功能和AT89C51 单片机相同，同时它具有与 MCS-51 完全兼容的指令系统中国计量学院本科毕业设计（论文）8图 2-2 AT89S52 单片机管脚分布2单片机外围电路设计由于要对火焰数据进行高度采集并对燃烧时间进行计时，在仪器进行可燃性的自动测试时，一般会对样品进行几次重复测试，以得到较为准确的结果。这样，在一次测试时，会有大量的数据产生，而 AT89S52 单片机片内只有 256B 的数据存储器空间，因此有

30、必要对其扩充外部数据存储器。在本设计中，我们使用静态 RAM芯片 62256 进行扩展。62256 是 32K 字节、8 位的静态随机存储器芯片，它采用 CMOS 工艺制造，+5V 电源，其 28 角双列直插式封装的引脚配置如图 2-3，其中 A0A14 为 15 根地址线，IO0-IO7为双向数据线，CS 为片选信号线，OE 为读允许信号线，WR 为写信号线。表 2-1 为 62256 的操作方式。 图 2-3 62256 管脚图 表 2-1 65256 操作方式CSOEWR方式功能000禁止不允许同时为零OE WR010写入把 D0-D7 的数据写入 62256001读出从 62256 读

31、出数据到 D0-D7011选通62256 选通，但输出高阻态1XX没选通DoD7 输出高阻态中国计量学院本科毕业设计（论文）965256 静态 RAM 芯片与单片机的硬件的连接如图 2-4 所示。在设计中，由于要外扩 I/O 接口，所以利用了 74LS138 译码器做片选信号。以其 Y5 输出口连接62256 的片选，则此时 62256 的地址是 BFFF。62256 芯片的容量为 32KB，共有CS15 根地址线，74LS573 作为锁存器扩展输出，它直接挂在 P0 口上。 图 2-4 扩展 62256 静态 RAM 原理图AT89S52 的 I/O 端口与外围器件的接口的分配情况如下表 2

32、-2 所示： 表 2-2 I/O 分配89S52 引脚外围电路/器件引脚说明P0.0P0.774LS573外部 RAM 扩展接口P2.0P2.76225662256 高八位地址P2.7P2.574LS138译码电路做片选信号P1.0继电器 1，电机停止信号输入端P1.1继电器 2，火源进、退信号输入端P1.2光电门 1，自动定位信号输入端 1P1.3光电们 2，自动定位信号输入端 2P1.4按键 1，开机信号输入端P1.5按键 2，关机信号输入端P1.6按键 3，急停键，故障信号输入端P1.7蜂鸣器接口P1.5P1.7ISP 在线编程端2.2.2供电电路设计整个系统电路中需要两个不同的电压供电

33、，即直流电机部分需要的+24 伏供电中国计量学院本科毕业设计（论文）10和芯片需要的+5 伏电压供电。+24 伏的电压可以由外界电源供给，考虑到外界电压输入时的可能出现脉动及不平稳的情况而影响电机的平稳运动，在系统中，设计了对应的电路以得到稳定的 24 伏直流稳压电源。其具体电路如图 2-5 所示。 图 2-5 24 伏直流电源供应电路如图所示，外界 24 伏电源接入时，经过超快速整流二极管 SF34 整流，得到较为平稳的直流信号。接着，信号在 C1、C2、H1、以及 C3、C4、C5 组成的 型电感电容滤波器（LC 滤波器）的作用下，得到脉动更小的直流信号，最后在稳压管IN5556 的稳压作

34、用下得到稳定的 24 伏供压。+5 伏为芯片所需电压，可以由直流电机+24 伏的电压经过转换获得。对于得到+5V 的稳压电源，可以有两种选择，分别是线性稳压电源和开关稳压电源。两者的原理及比较如下：1线性稳压电源：线性稳压电源由调整管、参考电压、取样电路、误差放大电路等几个基本部分组成。另外还可能包括一些例如保护电路，启动电路等部分。下图是一个比较简单的线性稳压电源原理图（示意图，省略了滤波电容等元件），取样电阻通过取样输出电压，并与参考电压比较，比较结果由误差放大电路放大后，控制调整管的导通程度，使输出电压保持稳定 图 2-6 线性稳压电源原理简图中国计量学院本科毕业设计（论文）11其特点是

35、：输出电压比输入电压低；反应速度快，输出纹波较小；工作产生的噪声低；效率较低；发热量大（尤其是大功率电源），间接地给系统增加热噪声。常见的常用的线性串联型稳压电源芯片有：78XX 系列（正电压型），79XX 系列（负电压型），LM317（可调正电压型），LM337（可调负电压型）等。2开关稳压电源：开关电源是一种比较新型的电源。下图 2-7 是其原理简图。电路由开关 K，续流二极管 D，储能电感 L，滤波电容 C 等构成。当开关闭合时，电源通过开关 K、电感 L 给负载供电，并将部分电能储存在电感 L 以及电容 C 中。由于电感 L 的自感，在开关接通后，电流增大得比较缓慢，即输出不能立刻达到

36、电源电压值。一定时间后，开关断开，由于电感 L 的自感作用，将保持电路中的电流不变，即从左往右继续流。这电流流过负载，从地线返回，流到续流二极管 D 的正极，经过二极管 D，返回电感 L 的左端，从而形成了一个回路。通过脉冲宽度调制，就可以控制输出电压。如果通过检测输出电压来控制开、关的时间，以保持输出电压不变，这就实现了稳压的目的。图 2-7 开关稳压电源原理简图相比线性稳压电源，开关型个稳压电源具有以下优点：(1)体积小，重量轻；(2)稳压范围宽；(3)滤波的效率大为提高，使滤波电容的容量和体积大为减少；(4)电路形式灵活多样。例如，有自激式和他激式，有调宽型和调频型，有单端式和双端式等等

37、，设计者可以发挥各种类型电路的特长，设计出能满足不同应用场合的开关稳压电源。出于对以上开关型稳压电源优点的考虑，本文采用了 LM2576 芯片来实现+5V稳压电源的设计。其电路图如下：中国计量学院本科毕业设计（论文）12 图 2-8 +5 伏电源电路LM2576 是美国国家半导体公司生产的 3A 电流输出降压开关型集成稳压电路，它内含固定频率振荡器(52kHz)和基准稳压器(1.23V)，并具有完善的保护电路.包括电流限制及热关断电路等，利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。LM2576 系列包括 LM2576(最高输入电压 40V)及 LM2576HV(最高输入电压 60V)二个

38、系列。各系列产品均提供有 3.3V (-3.3), SV (-5.0),12V (-12) , ISV (-15)及可调(-ADJ)等多个电压档次产品。此外，该芯片还提供了工作状态的外部控制引脚14。由 LM2576 构成的基本稳压电路最少仅需四个外围器件，电路如图 2-8 所示。其中除 C6，D3，C8，L2 是必不可少的，其他都可以视电路的需要而增减。电感 L1的选择要根据 LM2576 的输出电压、最大输入电压、最大负载电流等参数选择。首先，依据如下公式计算出电压微秒常数(ET)： ET= (Vin - Vout) Vout/ Vin1000/f (2-1) 上式中，Vin 是 LM25

39、76 的最大输入电压、Vout 是 LM2576 的输出电压、f 是LM2576 的工作振荡频率值(52kHz)。ET 确定之后,就可参照 LM2576 生产商所提供的相应的电压微秒常数和负载电流曲线来查找所需的电感值了。 该电路中的输入电容一般应大于或等于 100F，安装时要求尽量靠近 LM2576的输入引脚，其耐压值应与最大输入电压值相匹配。而输出电容的值应依据下式进行计算(单位 F)： C13300 Vin/ VoutL (2-2) 上式中，Vin 是 LM2576 的最大输入电压、Vout 是 LM2576 的输出电压、L 是经计算并查表选出的电感 L2 的值,其单位是 H。电容 C

40、铁耐压值应大于额定输出电压的 1.52 倍。对于 5V 电压输出而言，推荐使用耐压值为 16V 的电容器。二极管D3 的额定电流值应大于最大负载电流的 1.2 倍,考虑到负载短路的情况,二极管的额定电流值应大于 LM2576 的最大电流限制.二极管的反向电压应大于最大输入电压的1.25 倍.生产商提供的资料中推荐使用 1N582x 系列的肖特基二极管。Vin 的选择应考虑交流电压最低跌落值(Vac-min)所对应的 LM2576 输入电压值及 LM2576 的最小输入允许电压值 Vmin(以 5V 电压输出为例,该值为 8V)，因此，Vin 可依据下式计算：中国计量学院本科毕业设计（论文）13

41、 Vin(220Vmin/Vac-min) （2-3） 如果交流电压最低允许跌落 30%(Vac-min=154V)、LM2576 的电压输出为5V(Vmin=8V)，则当 Vac=220V 时，LM2576 的输入直流电压应大于 11.5V，通常可选为 12V。在本设计中为 24V，根据计算是可行的。2.2.3 光电数据采集电路设计这部分电路是本设计的关键部分。对火焰信号进行有效的采集，有许多的方案可以做到。比如光敏电阻，光敏二极管，光敏三极管等。不同的方案有不同的特点【9】:(1)光敏电阻：它是在绝缘材料上装有梳状光电导体封闭在金属或塑料外壳内，再在两端连上欧姆接触的电极而成。一般为避免外

42、界干扰，入射窗口装有透明的保护窗，起到特殊的滤光作用。光敏电阻具有灵敏度高，工作电流大（达到毫安级） ，光谱响应范围与所测光强范围宽，无极性使用方便的优点。但有响应时间长，强光线性差与受温度影响大的缺点。在本设计中，将对火焰光信号进行探测，火焰温度的对其可能产生影响15。(2)光敏二极管：相比于普通的二极管，它具有更浅的 PN 结深度，更大的工作面以获得尽可能大的光生电流。(3)光敏三极管：光敏三极管是一个相当于在基极和集电极之间接有光电二极管的普通三极管。针对泡沫火焰高度检测精度要求不高的实际情况，本设计采用了一种基于光敏二极管光电转换原理的气雾剂泡沫燃烧火焰高度检测方法。将数个光敏管在火焰

43、源适当距离处以一定规律排列后，通过光敏管感光与否的输出信号判断该物理位置有无火焰，以此得到火焰高度值。两邻近光敏管的物理距离决定了检测到的火焰高度的最小分辨率。运用高频的数据采集电路对光敏管的输出信号采集到微处理器，数据处理后显示结果（如图 2-9）16,17。试试样样燃燃烧烧火火焰焰光光敏敏管管阵阵列列微微处处理理器器显显示示光光信信号号电电平平信信号号测测试试结结果果图 2-9 测量原理图对应此原理，我们选择了东芝公司生产的 TPS806 光电探测器件。其内部集成有光电二极管，放大电路及滤波模块，在接收到光信号时，其输出端会变成低电平，这样就可以知道在对应的位置有火焰的直射。采用此芯片，可

44、以省去外围的滤波及中国计量学院本科毕业设计（论文）14其放大电路部分。其具体的参数如下：高速反应能力:延迟参数 tpLH=6us，tpHL=2us；可用电压范围：4.5V16V；工作温度范围：070；接受光照时，输出变为低电平。下图 2-10 为 TPS806 的光谱敏感系数分布图，可以看出，它对于在波长在8001000nm 的光反应较为敏感，对于波长在 900 左右的近红外紫光具有最大敏感度。同时图中还标注了人眼可视光的分布（380780nm,实线） ，以及气雾剂泡沫火焰中的光谱分布（虚线） ，可以看出，此器件对于气雾剂火焰中的波长较长的黄光部分和近红外紫光部分有较高的敏感度。波波长长（nm

45、）敏敏感感度度图 2-10 器件、人眼感光、火焰光波长分布其外形图如右 2-11 所示。其中，管脚 1 为接地脚，管脚 2 为输出脚，管脚 3 为+5 伏电源输入脚。中国计量学院本科毕业设计（论文）15图 2-11 TPS806 外形将此芯片以一定的距离（1cm 左右）铺成感光阵列，这样就形成了类似于直尺的特殊的尺。在有火焰直射的位置，传感器 TPS806 将产生低电平信号，通过三态八输出缓存器 74HC245 将信号输入到单片机。单片机对信号进行处理，可以知道火焰的高度。具体的连接电路如图 2-12 所示： 图 2-12 光电传感器连接电路图设计要求高度测试范围大于 20cm，分辨力小于等于

46、 1cm。在设计时，我们选用了 27 个光电传感器 TPS806，将它们以 1cm 的间距排列成直线。这样，就使得仪器可测的火焰最高高度达到 27cm，同时就有 27 个传感器向单片机传递数据。所以，我们采用 4 个 74HC245 芯片，实现并行数据的输入，如下图 2-13 所示。系统使用中国计量学院本科毕业设计（论文）16了 74LS138 译码器，高位地址 A13、A14、A15 作为译码电路的输入信号进行译码，译出的信号则为不同芯片的片选线。TPS806 的信号输入控制是由译码信号和信号合成控制的。当二者同时为“0”RD时，74LS32 的“或门”输出为 0，选通对应的 74HC245

47、 芯片。对应 74HC245 芯片上的 8 个 TPS806 上的电平信号被输入到总线。单片机在有火焰产生时，会分时选通四块 74HC245 芯片，在信号的共同作用下，分时调用四块芯片上的数据，这样RD就可以实时监控不同位置的火焰信号。 图 2-13 系统扩展火焰信号输入连接图这部分的装置外形设计如图 2-14 所示。以光电传感器 TPS806 组成的“光电尺”呈对称分布于试样测试区的两侧，火源（蜡烛）位于试样测试区的底部位置，当泡沫试样被点燃时，有火焰产生，两边的“光电尺”将对火焰进行探测，有火焰直射的位置，传感器有电平的变化。各个光电传感器经缓冲器将数据传至单片机，单片机分析数据即可得到火

48、焰的高度值。采用两边对称式分布，既可以使测得的数据更加准确，也可以避免火焰晃动时产生的误差。中国计量学院本科毕业设计（论文）17 2 27 7cm 试试样样测测 试试区区光光电电传传感感器器阵阵列列蜡烛 图 2-14 测试仪光电数据采集部分外形设计示意对于火焰燃烧时间的测定也可以通过此电路实现。当试样被点燃时，即当光电探测器整列上有电平变化时，通过程序控制启动单片机内定时器开始定时。当火焰燃烧结束，光电探测器件上的信号恢复为初始状态时，计时结束。这样，就可以自动、灵活、准确地实现对燃烧时间的记录。2.2.4电机控制电路设计 根据设计任务的要求，在测试中，火源要能在开始键按下时能够向测试区运动；

49、在试样被点燃后两秒，火源要向出发点回退。所以，控制火源运动的直流电机必须能够实现正反转控制。同时，为了实现自动测试，以及保证能准确点火，必须使系统具备自动判断定位的功能。于是，在电机控制模块中，必须有此两个主要的功能实现。本系统中设计的电机正反转控制部分电路如下图所示。 图 2-15 电机正反转控制部分上图电路原理为：单片机的 P1_1 口发出高电平，三极管导通，电流由+5V 流经中国计量学院本科毕业设计（论文）18继电器的线圈，Q2 到地。线圈中有足够的电流流过，致使动接点和常闭触点断开。这样，电机的 2 脚为接地端，1 脚为+24 伏电压输入，电机正转。当试样点燃，单片机在 P1_1 口发

50、出低电平，三极管截止，继电器线圈中的电流不能突变，经由二极管D6 续流。动接点和常闭触电闭合，此时电机的 2 脚为+24 伏电压输入，1 脚为接地端，电机发转，使火源回到出发点。这样就实现了电机的正反转控制18。继电器 K1 主要实现电机的启动和停止控制。在到达指定的位置时，或者当试样不能够被点燃时，都要求火源停在试样的底部边缘。此时，单片机的 P1_0 发出高电平，三极管导通，K1 线圈中有足够的电流流过，致使动接点和常闭触点断开，电机电源供给被切断，停止运转，火源停止在原地；当 P1_0 发出低电平，继电器发出相反的动作，电机得电，带动火源退回出发位置【19】。电机模块中自动定位的实现将依

51、靠图 2-16 所示的电路完成。 图 2-16 自动定位控制系统如上图所示，OP1 是光电门，当有物体挡在光电门的中间时，接收管因为接收不到发光二极管的光而截至，这样致使三极管 Q3 截至，POS-1 处为高电位，单片机接收到 POS-1 发来的高电平，判断得出已到设定位置，它发出相应的电平信号控制电机的停止等。这样，就实现了对位置的自动检测判断20,21。在实际的系统设计中，我们采用对称式分布的安排。在火源运动轨迹的两侧对称放置位置判断电路。这样可以避免由于运动偏转等所产生的误判。2.2.5按键模块设计由于设计中，需要按键提示的情况很少，在按键模块，我们设定了简单的 3 个独立式按键，作用分

52、别是：按键 S1：开机键，提示测试开始；按键 S2：关机键，测试结束；按键 S3：急停键，在电机出现故障或出现某些不可预知的情况时急停使用。电路图如下 2-17 所示：中国计量学院本科毕业设计（论文）19图 2-17 按键模块电路 这种独立式按键结构电路配置灵活，软件结构简单。但每个按键需要占有一根输入口线，在按键数量较多时，输入口的浪费大，电路结构显得复杂，故只适用于类似本设计这种按键较少的场合。其中的 P1-7 接口是蜂鸣器接口，当系统处于开机状态，初始化结束，可以进行测试是会发出蜂鸣声，提示测试者开始进行测试。2.2.6通讯电路设计系统采用 MAX232 芯片实现单片机和 PC 机的 R

53、S-232C 标准接口通信电路。MAX232 芯片是 MAXIM 公司生产的、包含两路接收器和驱动器的 IC 芯片，适用于各种 RS-232C 的通信接口。MAX232 芯片内部有一个电源电压变换器，可以把输入的+5V 电源电压变换成为 RS-232C 输出电平所需的10V 电压。所以，采用此芯片接口的串行通信系统只需要单一的+5V 电源就可以了。对于没有12V 电源的场合，其适应性更强，加之其价格适中，硬件接口简单，所以被广泛采用。MAX232 芯片的引脚分布和内部结构如下： 中国计量学院本科毕业设计（论文）20 图 2-18 MAX232 管脚分布和内部结构 在连接时，可以在 MAX232

54、 芯片的两路发送和接收中的任选一路，注意其发送、接收的引脚的对应关系。如 T1in 接单片机的发送端 TXD，则 PC 机的 RS-232C 的接收端 RXD 一定要对应接 T1out 引脚。同时，R1out 接单片机的 RXD 引脚、PC 机的 RS232C 的发送端 TXD 对应接到 R1in 引脚15。其接口电路如图 2-19 所示： 图 2-19 MAX232 串行通信电路图2.3本章小结本章介绍了系统硬件电路的设计。系统采用光电传感器 TPS806 采集火焰信号，它具有灵敏度高，外围电路简单等特点。同时还介绍了电源电路，电机控制电路，通信电路，键盘电路等。中国计量学院本科毕业设计（论

55、文）213系统硬件测试及误差源分析 设计好电路原理图后的工作就是画好电路的 PCB 图，做好布线设计与规划。最后做出的电路板实物能否得以正常工作，需要各个环节原理正确，并且充分考虑好设计中的各种细节。硬件测试则是测试实物能否实现任务中的各种功能要求。本章介绍对电路实物进行功能测试的一般步骤，并对火焰测量误差来源进行分析。3.1印制电路板设计图本设计中电路原理部分的 PCB 设计图如下所示。其中 3-1 为光电采集部分电路板设计，图 3-2 为其他部分的电路板 PCB 设计图。 图 3-1 光电采集部分 PCB 设计图图 3-2 系统主电路板 PCB 设计主电路板中国计量学院本科毕业设计（论文）

56、223.2硬件测试硬件测试要求在设计要求中各种既定功能都能实现，并且要对理想状态下的设计转换为实际操作环境中的实物时可能出现的未曾考虑到的诸如干扰、屏蔽、可靠性等问题提出相应的解决方案。3.2.1在线编程测试 进行硬件测试时，一般在单片机输入正确的软件的状态下，测试各个扩展芯片的状态，数据情况。通过相应的外接显示模块，监控各个模块、地址中的数据是否符合设计时的预期。在进行软、硬件同时测试时，一般要有仿真器的辅助，本系统中使用的芯片 AT89S52 芯片具有 8K 字节可反复擦写 Flash 闪速存储器，这样就使得 AT89S52 芯片具有了在线编程（ISP）的功能。用户可以通过 AT89S52

57、 在线编程接口直接对电路板上的 CPU 进行在线编程，方便了程序的修改与烧写工作。ISP 进行在线编程时，使用 AT89S52 芯片的 P1.5, Pl.6, Pl.7 引脚及 RST 端口，通过 PC 并口，根据 ISP 协议制作简单的编程器就可对CPU 进行编程。在线编程(ISP)器的红色 LED 是电源指示灯，绿色 LED 是复位指示灯，黄色 LED 是时钟信号指示灯，每个 LED 约消耗 0.6mA 的电流，它们使用独立的缓冲器不会影响下载线和用户板，当执行菜单命令 Reset 时可以看到绿色 LED 闪烁一下，表示电脑已经可以控制下载线；其下载线正常工作电压为 DC3.6- 6V，部

58、分电脑即使不连接 VCC 也可以正常工作，10 心的插头和插座有三角形标志的均为第一脚。使用方便、快捷，且工作显示信号清晰，其在线编程制作电路原理图见附录 3.3.2.2硬件可靠性测试单片机应用系统的可靠性是指在规定的条件下,在规定的事件内完成规定功能的能力。由于单片机应用系统的实际工作过程中.可能会受到各种内部和外部的干扰而发生异常状态，因此抗干扰设计与测试是系统研制中不可忽视的一个重要内容。3.2.2.1电源系统可靠性： 电源系统的可靠性可以通过采取以下措施来保证： (1) 分别建立交流、直流和数字信号的接地通路；(2)在接电面上。电源接地和数字信号接地要互相隔离。减少地线间的祸合；(3)

59、电源接地通路，以尽可能直接的路径接到阻抗最低的接地导体上；(4)将几条接地通路接到电源公共接点上，以保证电源电路有低的阻抗通道；中国计量学院本科毕业设计（论文）23(5)不要采用多端接地母线或横向接地环；(6)接地母线中尽量少用串联接头；(7)交流中线必须与机架地线绝缘.也不能作为设备接地线使用。3.2.2.2印刷电路板可靠性：(1)地线设计:单片机系统中地线结构一般分系统地、数字地、模拟地和屏蔽地等.在实时控制系统中，接地是抑制干扰的重要办法，如能将接地和屏蔽正确结合起来使用可以解决大部分干扰问题。a正确选择单点接地与多点接地；b数字、模拟电路应分开；c接地线应尽星加粗；d接地线应构成闭合环

60、路。(2)去耦电容20的放置:a.电源输入端跨界 1010uF 的电解电容器；b.原则上每个集成电路芯片都应安置一个 0.01uF 的陶瓷电容器:亦可每个 410个芯片安置一个 110uF 的限噪声用电容器。这种器件的高频阻抗特别小，在500kHz20MHz 范围内阻抗小于 1，且漏电流很小(0.5uA)；c. 对抗噪声能力弱，关断时电流变化大的器件和 ROM、ARM 存储器件，应在芯片的电源线和地线间直接接入去耦电容。(3)印制电路板尺寸与器件布置:印制电路板大小要适宜。过大时，印制线条长。阻抗增加，不仅抗噪声能力下降，成本也高；过小时，则散热不好。同时易受邻近线的干扰。在器件布置时，若将相

61、互有关的器件尽量靠近些，能获得较好的抗噪声效果。如时钟发生器，晶振和 CPU的时钟输入端都易产生噪声。要互相靠近布置。易产生噪声的器件，小电流电路，大电流电路等应尽量远离计算机的逻辑电路，如有可能，应另置于一个电路板上，这一点十分重要。3.2.2.3过程通道抗干扰： 输入输出通道是控制系统与被控对象间进行信息传输的路径。采用的抗干扰措施有:(1)采用变压器隔离:利用隔离变压器将模拟通道部分与数字部分隔离开来，提高抗干扰能力；(2)光电隔离:利用光电隔离技术把前后电路隔离，提高抗干扰能力；(3)浮地屏蔽:采用光电耦合器将系统控制部分与其他外接通道实行浮地屏蔽处理中国计量学院本科毕业设计（论文）2

62、4方法；(4)双绞线传输:采用双绞线传输的目的是减少电磁感应，抑制噪声；(5)滤波:在输入输出通道中使用低通、高通、带通等滤波器技术，可有效提高系统对特定频率干扰的抑制。3.3系统误差源分析及改进措施从火焰光源和光敏管的特性及两者的相对位置，外界环境干扰等方面考虑，改善系统的设计来提高火焰检测的精度。本测量方法的分辨力受到光敏管物理尺寸的限制，实验后存在误差，使测量精度不尽理想，通过实验分析，误差有如下几种来源。3.3.1自然光影响火焰光谱的探测由于泡沫火焰源的光谱与自然光光谱非常接近，一般光电接受管接受光谱带宽一定，极有可能自然光的光强影响光敏管的正常检测，需将检测装置进行隔光处理，实验装置

63、放置在暗室效果最佳。通过在火焰检测电路板上增加一个火焰检测罩，罩上开有 27 个直径为 1.5mm 小孔，各个小孔中心线分别与光敏管光轴重合，并在光敏管下加一适当大小的挡光板可部分消除自然光的影响，示意图如下:2 27 7cm透透光光孔孔挡挡光光板板图 3-3 防自然光干扰结构示意中国计量学院本科毕业设计（论文）253.3.2气流扰动引起的火焰不稳定性测量环境中的气流通常存在扰动现象，气流扰动会破坏火焰的稳定状态，使得光敏管在测量瞬间无法探测到泡沫燃烧火焰辐射出的光波，所得的实验数据不能如实反映火焰高度，因此必须采取措施减小或消除气流扰动所产生的误差。改善测量环境得到稳定气流的方法可以减小气流

64、扰动对测量结果产生的影响，但改善测量环境的成本较高。一种比较经济的解决方案是使仪器处于一个近似封闭的空间，结合考虑隔离自然光的要求，将仪器放置在一不透光且封闭的罩内。3.3.3泡沫燃烧火焰源本身的不稳定性泡沫试样中的易燃物一般为液化石油气类物，由于喷射过程造成其在试样中的分布不均匀，同时试样在燃烧过程中易燃物浓度逐渐降低，通过对试样燃烧后 10 秒钟的火焰高度进行分析。点着瞬间火焰高度明显高于正常高度，而后期间存在闪烁现象。针对火焰源的稳定情况，用采样频率为 20K 的数据采集系统来采集光敏管的信号，光敏管的反应时间为微秒级可以忽略不计。后续软件剔除粗大误差来排除因闪烁现象而引入的误差，从而保

65、证探测到为稳定的火焰高度值。3.3.4光敏管极限尺寸带来的精度限制光敏管在火焰检测电路板上直线排列，相邻两个光敏管光轴中心矩是引起误差的主要原因，为了提高测量精度，中心矩应尽可能小。两光敏管光轴中心矩必然大于光敏管自身的尺寸，选择外形尺寸较小且频谱合适的光敏管是一种方法，但单纯的靠减小中心矩的方法并不能使误差减小到最低。同时由于光源强度分布场存在一定的发散角，在某一高度位置的火焰可能影响其相邻位置的光敏管。改进光敏管在火焰检测电路板上的排列方式是一种改善误差的有效途径。图 3-4（a）中 d 为 4.5mm，则火焰高度检测可分辨的火焰最小高度值为 4.5mm；图 3-3（b）中 d 保持不变，

66、而可分辨的火焰最小高度值为原来的 1/2。进一步考虑，将光敏管的排列推广到空间结构，用光敏管将火焰源立体包围，可将测量分辨力提高到原来的 1/3 甚至更高。中国计量学院本科毕业设计（论文）26 （a）改进前 （b）改进后 图 3-3 光敏管排列方式3.3.5光敏管接收光强能力的影响因素在选用光敏管时，除了接收光谱范围，物理尺寸外还有一个因素需要考虑，即能接收到理论光通量的大小。影响这一因素的有光源的强度分布，火焰罩开孔直径的大小，光源与光敏管的相对位置。通过实验，验证得到正常火焰高度 10mm 以上，在火焰罩开孔直径为 1.5mm 的情况下，光敏管的有效检测距离为 23cm。2-3cm 的检测距离可以避免相邻光敏管误接收光信号的情况。3.4本章小结本章主要介绍对系统硬件进行相关功能测试时的待测项目及方案，同时对于火焰高度测试时的误差来源进行了分析，并提出了相关的解决方案。中国计量学院本科毕业设计（论文）274总结和展望4.1本文结论本系统采用微型计算机技术，结合可靠的传感器，控制电路等，实现了对于泡沫易燃性的自动检测与数据处理，并实现了串行通行和数据存储与显示的功能。可测火焰高度为 2