非分光红外气体传感器的光学系统和控制软件设计

摘要

随着人们生活水平的提高以及工业的快速发展,导致二氧化碳等污染气体的排放日益增加,从而导致世界的温度逐渐升高。在二氧化碳等气体浓度不断增加的同时,这些气体也在危害着人类的身体健康,人们需要对二氧化碳气体浓度进行严格的监控,这样才能保证人类正常的生活。因此对二氧化碳等污染气体检测系统的研究和设计有着非常重大的意义。
　　本论文根据比尔—朗伯定律以及二氧化碳气体的红外吸收谱线合理的选择了整个系统的红外光源以及所用的热释电红外探测器,因为在应用中,气体在红外波段的吸收谱宽只有仅仅几纳米,而本论文所用的红外光源的发射谱并不是窄带的,吸收谱宽只有红外辐射光源的很小一部分,气体吸收的信号将会会被噪声淹没,因此本论文的整个传感器系统中使用了具有一定的中心波长的滤光片以及采用了单光路双波长差分检测原理,这样就能降低甚至解决由于红外辐射光源的不稳定、环境对光学气室光路的干扰、光电器件的温漂以及热释电红外探测器的噪声等等所造成的一系列问题。同时本论文还利用Lighttools软件对几个常用的光学气室的光学系统做了一个模拟的对比,从而得出性能比较好的光学系统。然后根据模拟的数据加工了两种结构,并且对其中一种结构进行了测试分析。
　　本论文的另外一部分研究是关于传感器检测的软件设计。采用C8051F350单片机作为整个系统的核心处理器,完成对模拟信号的AD转换、红外光源的脉冲调制、数据采集、浓度计算、液晶显示以及声光报警等功能。当二氧化碳气体浓度超过预先设定的阈值的时候,就会产生声光报警信号。因单片机内置温度传感器,内部AD也采集了温度传感器的数据,实现了对系统的温度检测。

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1 绪论

1.1 课题背景

1.2 现有的几种气体检测技术概述

1.3 本设计的主要研究内容

2 非分光红外气体传感器的工作原理

2.1 吸收光谱原理

2.2 非分光红外探测技术的基本原理

2.3 气体传感器的系统结构

2.4 本章小结

3 红外气体传感器气室的光学模拟与设计

3.1 模拟软件简介及选择

3.2 原理分析

3.3 模拟结果分析

3.4 光学气室的加工

3.5 本章小结

4 非分光红外气体传感器软件设计

4.1 引言

4.2 单片机的选型

4.3 传感器装置的主程序

4.4 数据采集子程序

4.5 光源调制子程序

4.6 液晶显示程序

4.7 报警程序

4.8 本章小结

5 实验结果分析

5.1 单片机的调试

5.2 光学系统的测试结果分析

5.3 本章小结

6 总结和展望

6.1 论文工作总结

6.2 展望

致谢

参考文献