抽取式一氧化碳浓度检测系统

摘要

磨煤机中发生非正常的煤粉累积时，会产生大量的一氧化碳气体，并促使温度升高。若温度持续上升，会引发煤粉的自燃甚至是爆炸。因此，为保证磨煤机安全稳定运行，预防电厂发生自燃、爆炸， CO浓度实时检测是非常必要的。目前，国内对于这方面的研究和应用还比较薄弱，因此本课题根据电厂需要，通过研究CO浓度的检测方法，设计了抽取式CO浓度检测系统。
　　本系统根据气体吸收光谱理论、朗伯比尔定律和双波长差分检测理论建立数学模型。该系统完成了一氧化碳的精确实时检测，自定标，反吹扫，温度、压力、氧气检测，232、485通信，4～20mA电流输出，LCD多级菜单显示以及按键控制，继电器、LED报警输出等功能。该系统测量范围为0-10000ppm，精度为4％，分辨率为1ppm，防水防震防雷，符合国内外领先标准。
　　本论文共有七章。第一章介绍课题研究意义以及国内外研究现状，并提出本课题的系统要求。第二章介绍了系统所依据的原理，并阐述了适合本系统的数学模型。第三章介绍了系统总体的设计方案，详细介绍了系统光源、探测器的选型以及光学设计方案。第四章介绍了系统的硬件设计，其中对于五个电路模块（发射模块、接收与控制模块、系统间通信模块、显示模块、电源模块）中的重点电路做了详细的分析，如模数转换电路、滤波放大电路、光源驱动电路、步进电机驱动电路、串口通信电路、4～20mA输出电路等。第五章介绍了本系统的采样、滤波、温度非线性补偿算法，以及下位机和上位机的软件设计，如IIC通信、SPI通信、UART通信、多级菜单编译、外设控制等编程工作。第六章介绍了系统数据处理与测试工作，并作出系统误差分析。第七章总结系统优缺点，并提出改进方向。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 电化学法

1．2．2 光干涉法

1．2．3 固态电离法

1．2．4 红外吸收法

1．3 课题研究内容

1．3．1 研究内容及系统设计中的主要工作

1．3．2 论文章节安排

1．4 本章小结

第2章 系统原理

2．1 引言

2．2 气体吸收光谱理论

2．2．1 气体吸收光谱理论分析

2．2．2 CO吸收区间分析

2．3 朗伯比尔定律

2．4 差分检测法

2．5 系统浓度测量原理

第3章 系统总体设计

3．1 系统总体方案

3．2 系统性能指标

3．3 整体结构设计

3．4 红外光源选型

3．4．1 几种典型光源

3．4．2 系统光源选型

3．5 红外探测器选型

3．5．1 几种典型探测器

3．5．2 系统探测器选型

3．6 光学设计

3．7 本章小结

第4章 系统硬件设计

4．1 引言

4．2 发射模块设计

4．2．1 发射模块机械结构

4．2．2 光源驱动电路

4．2．3 步进电机驱动斩波片

4．3 接收与控制模块设计

4．3．1 CO滤波放大电路

4．3．2 AD采集电路

4．3．3 外部设备的控制

4．4 系统内通信模块

4．4．1 MCU之间的串联

4．4．2 外设与控制模块之间的串联

4．4．3 电流转电压模块

4．5 显示模块设计

4．5．1 LCD控制电路图

4．5．2 4～20mA输出电路

4．5．3 报警灯控制电路

4．6 电源模块

4．6．1 232通信电路

4．6．2 485通信电路

4．6．3 继电器报警电路

4．6．4 隔离电源模块

4．7 制BOM表与PCB布局

4．8 本章小结

第5章 系统软件设计

5．1 软件设计整体介绍

5．2 单片机及编译环境介绍

5．2．1 Atmega64芯片简介

5．2．2 ICCAVR编译环境

5．2．3 MFC编译环境

5．3 数字滤波与自定标的算法实现

5．3．1 常见的数字滤波算法

5．3．2 本系统数字滤波

5．3．3 定标的线性回归算法

5．3．4 单位转换

5．3．5 平均时间输出

5．4 PID温度控制

5．4．1 PID温度控制原理

5．4．2 PID温度控制算法

5．5 系统功能模块的软件实现

5．5．1 串口通信

5．5．2 基于IIC的4～20mA显示

5．5．3 基于SPI的AD转换

5．5．4 多级菜单与按键控制

5．6 上位机界面设计

5．7 本章小结

第6章 系统实验与误差分析

6．1 引言

6．2 光源稳定性实验

6．3 探测器CO定标实验

6．4 温度稳定性测试实验

6．5 系统误差分析

6．5．1 重复性误差

6．5．2 稳定性误差

6．5．3 AD转换误差

6．5．4 偏置电压与暗电流

第7章 总结与展望

参考文献

附录