基于电化学传感器的多组分气体浓度检测仪

论文摘要

随着现代科技的进步及石油煤炭等能源工业的发展,易燃、易爆、有毒气体的种类在不断增加,其应用范围也在不断扩大,所以对这些气体的检测显得非常重要。传统的气体检测仪器针对的大都为单一气体,随着仪器多功能化的发展,能够检测多种气体的仪器具有很大的实用价值。本课题依据实际需求,设计了一款多组分气体浓度检测仪,对一氧化碳、氢气、氧气和可燃性气体(甲烷)的浓度进行实时检测和监控报警。在本设计中,利用对上述四种气体敏感的电化学传感器快速准确地检测被测气体中一氧化碳、氢气、氧气和可燃性气体(甲烷)的含量,并通过液晶显示屏显示各组分气体的浓度,当气体浓度达到一定门限值时发出声光报警。为了提高实用性,系统还设计了人机交互界面、计算机通信端口、电池电量检测装置、泵气单元等。系统主要包括气体检测传感器、信号转换和调理电路、单片机、液晶显示屏、输入键盘、声光报警、电池电量监控、气体泵控制单元等部分。控制系统采用C8051F005单片机为核心,分别将气体传感器信号、电池电量信号经A／D转换成电信号输出；在气体浓度超出设定报警阈值时,发出声光报警；为防止掉电数据丢失,使用24C256芯片存储报警阈值和气体浓度等数据；利用蓝牙模块与PC机完成数据的传送；外部按键完成报警值设定等操作。此外,本文还对功耗进行了分析讨论,给出了软硬件设计方案。本系统已经过实验室调试。结果表明,系统体积小,功耗低,易维护,系统数据处理能力强,检测精度高,抗干扰能力强。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.2.3 发展趋势
• 1.3 本研究的检测对象及其特征
• 1.4 本论文的主要内容及任务安排
• 2 多组分气体浓度检测仪的总体设计
• 2.1 系统功能要求及技术指标
• 2.1.1 系统功能要求
• 2.1.2 技术指标要求
• 2.1.3 防爆仪表设计要求
• 2.2 系统设计原则
• 2.2.1 基本设计原则
• 2.2.2 低功耗设计原则
• 2.3 系统总体设计方案
• 2.3.1 设计思路
• 2.3.2 工作原理
• 2.3.3 系统结构
• 2.4 气体传感器的选型
• 2.4.1 气体传感器介绍
• 2.4.2 气体传感器的选型
• 2.4.3 电化学气体传感器检测原理
• 2.4.4 City传感器的技术说明
• 2.5 本章小结
• 3 系统硬件电路设计
• 3.1 C8051F005单片机
• 3.1.1 C8051F系列单片机系统概述
• 3.1.2 C8051F系列单片机的特点
• 3.2 电源模块
• 3.2.1 电池选择
• 3.2.2 电源设计
• 3.3 数据采集模块
• 3.3.1 City传感器原理
• 3.3.2 City传感器特性
• 3.3.3 信号采集
• 3.4 C8051F005的外围模块设计
• 3.4.1 启动电路
• 3.4.2 电池电量监控电路
• 3.4.3 按键电路
• 3.4.4 气体泵控制单元
• 3.4.5 声光报警电路设计
• 3.4.6 LCD液晶显示
• 3.4.7 JTAG接口设计
• 3.5 SMBus串行总线的设计和使用
• 3.5.1 SMBus总线工作原理
• 3.5.2 SMBus工作过程
• 3.5.3 SMBus总线应用
• 3.6 本章小结
• 4 系统软件设计
• 4.1 集成开发环境简介
• 4.2 系统软件框图
• 4.3 系统主程序
• 4.4 气体浓度检测模块
• 4.4.1 A/D转换子模块
• 4.4.2 浓度计算子模块
• 4.4.3 报警输出子模块
• 4.4.4 显示子模块
• 4.4.5 浓度标校子模块
• 4.4.6 按键扫描模块
• 4.4.7 软件滤波算法
• 2PROM读写模块'>4.4.8 E²PROM读写模块
• 4.5 UART控制蓝牙模块程序设计
• 4.5.1 UART模块
• 4.5.2 蓝牙技术及蓝牙串口模块
• 4.5.3 通信过程
• 4.6 上位机软件设计
• 4.6.1 控制端软件流程
• 4.6.2 MSComm控件
• 4.6.3 数据接收与处理
• 4.7 本章小结
• 5 系统测试及应用验证
• 5.1 系统硬件调试
• 5.1.1 电源电路调试
• 5.1.2 单片机最小系统调试
• 5.2 系统软件调试
• 5.3 仪器标定与数据处理
• 5.3.1 仪器标定
• 5.3.2 实测数据
• 5.4 试验误差分析
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间发表的论文