车载红外气体分析仪的设计与实现

论文摘要

随着经济的发展,人们的生活水平迅速提高,人们对环境保护和人身安全也更加的重视,对生活和工作环境中CO2、CO等气体的浓度进行定量监测与控制成为日益增长的需求。目前随着红外检测技术的发展,利用红外气体吸收原理检测气体这种方式体现出越来越多的优越性。本文基于红外气体吸收原理,采用ATmega16微处理器进行数据处理,实现了气体浓度的测量。本文通过分析气体检测的研究现状和发展趋势,基于红外气体检测原理及方法,构建了主从式控制的硬件平台,主机与从机通过串行异步通讯或SPI通讯,从机作为一个独立的气体浓度检测模块,通过接收主机的控制命令实现相应的检测和设置功能,主机接收到从机返回的检测数据,实现显示以及浓度超限报警的功能。论文对该分析仪的红外气体传感器部分和软、硬件进行了详细的设计。采用AT89C52作为主机,ATmega16作为从机。从机结合信号处理,A/D转换等外围电路实现了气体浓度的测量,然后通过通信接口将检测的浓度数据传送给主机。主机的显示模块完成主机接收数据的实时显示;报警模块实现气体浓度值超限后的声光报警提示功能。软件设计结合硬件的功能,主要实现气体浓度信息的采集到计算得出气体浓度值、检测得到的气体浓度值的实时显示以及相关参数的设置等功能的相关算法。软件还设计了主/从机之间的通信协议,有效地提高了数据传输的可靠性。最后设计了气体配制系统,完成了气体分析仪的实验平台的搭建。通过实验测量和对测试结果的详细分析,证明该分析仪设计合理,测得的气体浓度值满足该车载红外气体分析仪设计之初所要达到的精度要求。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的意义
• 1.2 国内外研究现状和发展趋势
• 1.3 课题研究的目的和内容
• 2 红外气体检测的理论基础
• 2.1 概论
• 2.2 红外气体吸收检测理论基础
• 2.2.1 分子的内部运动及其红外光谱产生的机理和条件
• 2.2.2 气体分子的红外选择吸收理论
• 2.3 红外气体检测的朗伯—比尔吸收定律
• 2.3.1 朗伯-比尔定律
• 2.3.2 朗伯-比尔定律中的重要参数
• 2.4 本章小结
• 3 红外气体传感器的设计
• 3.1 红外光源的选择
• 3.2 滤光片的选择
• 3.3 红外探测器比较及选择
• 3.4 红外气体传感器模块气室的设计要求
• 3.5 四通道探测器的红外传感器的设计
• 3.5.1 红外气体吸收检测技术
• 3.5.2 具有四通道探测器结构的光路系统设计
• 3.5.3 待测气体采样方式的选择
• 3.6 本章小结
• 4 车载红外气体分析仪的设计与实现
• 4.1 车载红外气体分析仪的硬件设计
• 4.1.1 主/从单片机的选择
• 4.1.2 电源模块设计
• 4.1.3 红外光源驱动电路模块
• 4.1.4 信号放大处理模块
• 4.1.5 A/D 转换模块以及SPI 通信
• 4.1.6 主/从机通讯模块
• 4.1.7 从机数据存储模块
• 4.1.8 JTAG 编程调试接口
• 4.1.9 显示模块的设计
• 4.1.10 声光报警模块
• 4.1.11 主机数据存储模块
• 4.1.12 CAN 总线接口设计
• 4.1.13 车载红外气体分析仪硬件平台
• 4.2 车载红外气体分析仪的软件设计
• 4.2.1 从机部分软件设计
• 4.2.2 主机部分软件设计
• 4.3 本章小结
• 5 红外气体检测系统抗干扰设计
• 5.1 系统干扰源及其形成要素和传播途径
• 5.1.1 系统主要干扰源
• 5.1.2 干扰源的形成要素和传播途径
• 5.2 系统的抗干扰设计
• 5.2.1 硬件抗干扰设计
• 5.2.2 软件抗干扰设计
• 5.3 本章小结
• 6 气体分析仪标定和测试实验
• 6.1 气体配制系统的搭建
• 6.1.1 配气方案的选取
• 6.1.2 配气系统的组成
• 6.1.3 配气操作步骤
• 2气体的浓度测量结果'>6.1.4 配制的CO₂气体的浓度测量结果
• 6.1.5 配制的标准气体浓度误差原因分析
• 6.2 标定的项目与方法
• 6.2.1 零点校准
• 6.2.2 示值误差测定
• 6.2.3 重复性测定
• 6.2.4 响应时间的测定
• 6.2.5 零点漂移的测定
• 6.2.6 跨度漂移的测定
• 6.2.7 车载红外气体分析仪测试实验
• 6.2.8 误差分析
• 6.3 本章小结
• 7 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录
• B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录