CO测试仪软件设计毕业论文.docx
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CO测试仪软件设计毕业论文.docx
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CO测试仪软件设计毕业论文
毕业论文声明
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1.此毕业论文是本人在指导教师指导下独立进行研究取得的成果。
除了特别加以标注地方外,本文不包含他人或其它机构已经发表或撰写过的研究成果。
对本文研究做出重要贡献的个人与集体均已在文中作了明确标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
2.本人完全了解学校、学院有关保留、使用学位论文的规定,同意学校与学院保留并向国家有关部门或机构送交此论文的复印件和电子版,允许此文被查阅和借阅。
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4.本人所呈交的毕业论文,是在指导老师的指导下独立进行研究所取得的成果。
论文中凡引用他人已经发布或未发表的成果、数据、观点等,均已明确注明出处。
论文中已经注明引用的内容外,不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体,均已在论文中已明确的方式标明。
学位论文作者(签名):
年月
关于毕业论文使用授权的声明
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论文作者签名:
日期:
指导教师签名:
日期:
石家庄铁道学院毕业设计
COTesterSoftwareDesign
CO测试仪软件设计
毕业设计成绩单
学生姓名
学号
班级
电0502-2
专业
自动化
毕业设计题目
CO测试仪软件设计
指导教师姓名
指导教师职称
教授
评定成绩
指导教师
得分
评阅人
得分
答辩小组组长
得分
成绩:
院长签字:
年月日
毕业设计任务书
题 目
CO测试仪软件设计
学生姓名
杨福亮
学号
20051763
班级
电0502-2
专业
自动化
承担指导任务单位
电气与电子工程分院
导师
姓名
韩兵欣
导师
职称
教授
一、设计内容
本设计的主要内容是CO测试仪的软件设计。
对检测系统的软件设计是在前面硬件设计的基础上,对实现各个硬件所具有的功能进行相应的软件设计。
这部分主要讨论软件实现的相应方案,程序的编译和调试以及结合硬件电路的仿真等。
二、基本要求
基于硬件电路的设计,系统软件采取模块化结构,主程序分别调用加电自动化预热等初始化程序,A/D采样程序,LED显示程序(声光报警和外围控制程序),结果存储程序等,来完成整个传感器输出信号的智能量化过程。
三、主要技术指标
检测系统的软件设计按模块化进行。
结合检测仪各部分硬件功能,将整个系统主要分为三个部
分:
信号采集模块,采集信号综合处理模块,系统输入输出模块。
1、信号采集模块。
获取探测点采样数据。
主要采集待测CO气体浓度信号,额外因素如环境温度信号,环境湿度信号等可忽略。
2、采集信号综合处理模块。
这是检测系统的核心处理部分。
主要是编写相应的程序,收集CO浓度,经A/D转换成相应电压传送到单片机芯片。
3、系统输入输出模块。
这部分主要的功能是实现对计算结果的浓度数字化显示,键盘输入,声光报警,外围控制,结果储存及上传等功能。
四、应收集的资料及参考文献
1、单片机方面的知识及其接口技术
2、AT89系列单片机的原理及应用
3、KeilC51的应用系列丛书
五、进度计划
第一周查阅相关资料,对所作的题目有个大概了解,对设计过程中用到的芯片进行详细地了解。
第二到三周完成毕业设计选题报告和任务书,并作出本次设计的总体方案和通过对几种方法的比较最终确定设计所用的方法。
第四周去大同机车厂实习。
第五到八周的时间内把本次设计的各个模块理清楚,掌握所用到的编程语言,写出设计方案。
第九到十周通过调试和仿真对软硬件进行最后的修改,是最终的结果能符合题目要求。
第十一周完成毕业设计报告,让老师对其中的不足之处予以指出,自己对其进行修改,最终实现能达到指导老师的要求。
第十五周进行毕业答辩。
教研室主任签字
时 间
年 月日
毕业设计开题报告
题 目
CO测试仪软件设计
学生姓名
杨福亮
学号
20051763
班级
电0502-2
专业
自动化
一、研究背景
CO是一种有毒的可燃可爆性气体。
它给工业安全生产带来巨大危害,在煤矿井下,CO是引起瓦斯爆炸的主要气体之一。
在化工生产中,CO是一种有毒的危机工人生命安全的副产品。
CO也是钢铁冶金工业生产中的有毒气体,在冶金企业的焦炉、高炉、铁合金矿热炉等冶金生产中都有大量CO产生。
为了实现对CO的检测,装设可燃气体检测器,及时发现事故隐患、尽早采取补救措施是非常必要的。
因此,实时、准确的测出这些场合CO的浓度,对有效防止CO中毒、火灾的早期预测预报、保障工业安全生产等方面具有十分重要的意义。
二、国内外研究现状
从国内产品性能来看,由于敏感元件受到国内材料及加工技术水平的限制,所研制和生产的元件测量范围小,产品合格率低、密封性差而漏液、使用寿命短,产品性能与国外先进水平差距较大。
目前,国内北京、惠州、济南已有几家生产CO测试仪,但其敏感元件的关键材料仍由国外进口,价格较高。
仍然存在技术不过关,使用寿命短等问题。
目前国内只有少量的CO检测报警仪使用于现场,特别是在煤矿井下显得更加落后,大部分煤矿采取人工井下采样、地面分析化验的方法,甚至还采用检测管检测的方法。
井下缺少对CO的安全监测仪器,难以适应工作面的推进及新工作的开拓。
近年来,美国,日本,德国等对CO传感器的研究发展较快。
其中具有代表性的产品主要有:
日本理研计器株式会社研制的CO-7型,CO-82型电化学CO传感器;美国Interscan公司的LD-145型电化学CO传感器;中美合资MSA有限公司研制的MiniCO型电化学CO传感器。
目前CO检测仪的发展方向主要有微小型化、集成化、智能化、多功能化、通用化和网络嵌入式互联网化。
三、主要工作和方法
在硬件设计的基础上,进行相应的软件设计,用汇编语言进行编程。
系统工作时,首先进行初始化等准备工作。
然后进行数据采集,经过硬件的放大滤波处理后,送至单片机进行数据的处理。
单片机根据输入的信号进行浓度计算,最后得到浓度值。
系统软件采取模块化结构,主程序分别调用初始化程序,A\D采样程序,LED显示程序(声光报警和外围控制程序),结果存储程序等,来完成整个传感器输出信号的智能量化过程。
指导教师签字
时间
年 月日
摘要
CO测试仪利用A/D转换原理,将被测模拟量转换成数字量,并用数字方式显示出测量结果。
A/D转换器的精确度影响数据显示的准确度,本设计采用ADC0809对输入模拟信号进行转换,控制核心AT89S51单片机对转换的结果进行运算和处理,最后驱动输出装置显示数字信号,通过keil软件对所设计程序进行编译和调试,keil软件提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案,通过一个uViSion集成开发环境将这些部分组合在一起。
将keil软件与proteus软件结合,通过Proteus仿真软件实现接口电路设计,将编好的程序输入keil软件中,进行编译,编译结束将产生一个HEX格式的文件,将其载入到proteus环境中,进行实时仿真。
Proteus软件是一种电路分析和实物模拟仿真软件。
它运行于Windows操作系统上,可以进行仿真、分析各种模拟器件和集成电路,是集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件,功能强大,具有系统资源丰富、硬件投入少、形象直观等优点。
关键词:
AT89S51ADC0809keil软件proteus软件
Abstract
COtesterusingA/Dconversionprinciple,toconvertthemeasuredanalogtodigital,andshowtheresultindigitalway.A/Dconverter’saccuracyimpacttheaccuracyofdata,weuseADC0809toconverttheinputanalogsignalinthisdesign,thecontrolcore-AT89S51single-chipcomputingandprocessingtotheresultoftheconversion,thelastdrivetheoutputdevicetoshowthedigitalsignal,usekeilsoftwaretocompileanddebugthedesignprocess,keilsoftwareprovideacompletedevelopmentprogramincludingCcompiler,macroassembler,connectors,databasemanagementandapowerfuldebugger,throughanintegrateddevelopmentuViSionwillringstaticthesepartstogether.
Tocombinekeilsoftwareandproteussoftware,completetheinterfacecircuitdesignthroughtheproteussimulationsoftware,Inputthecompletedprocedurestokeilsoftware,andtoCompile,whenthecompilerends,itwillgenerateaHEXfileformat,andloadeditintotheenvironmentofproteus,gotoreal-timesimulation.Proteussoftwareisakindofcircuitanalysisandsimulationsoftware.Itrunsonwindowsoperatingsystems,canbesimulation,analysesvariousanalogdevicesandintegratedcircuits.Itisananalysisofsingle-chipandSPICEofsimulationsoftware,powerful,richinresourceswiththesystem,lesshardwareinvestment,theadvantagesofvisualimage.
Keywords:
AT89S51ADC0809keilsoftwareproteussoftware
第1章绪论
1.1课题研究的目的意义
CO是一种有毒易燃易爆性气体,常温下无色无味、难溶于水,但易溶于氨水。
由于相对密度略低于空气,故能均匀的扩散于监测环境中。
在受CO的环境污染中,人们慢性中毒时完全意识不到它的存在,CO的这一特性更增加了它的危害性。
CO随空气毫无知觉的吸入人体肺部后,由于CO与血红蛋白的亲和能力比氧气和血红蛋白的亲和能力大约高250~300倍,形成碳氧血红蛋白。
而且它们结合后不易分离,它们的解离速度只有氧和血红蛋白的1/3600。
因而造成血红蛋白更易于CO结合而不易与氧结合,使输送到人体各组织器官的血液供氧不足。
甚至还能夺走人体内的氧气,导致组织低氧症,使人体脑及全身组织缺氧窒息而中毒。
在空气中的CO达到一定浓度值时,将直接威胁人的生命安全。
接触高浓度的CO在很短的时间内可导致窒息死亡。
CO给工业安全生产带来巨大危害,在煤矿井下,CO是引起瓦斯爆炸的主要气体之一。
在化工生产中,CO是一种有毒的危机工人生命安全的副产品。
CO也是钢铁冶金工业生产中的有毒气体,在冶金企业的焦炉、高炉、铁合金矿热炉等冶金生产中都有大量CO产生。
在火灾的早期预测预报中,CO也被确定为监测的最重要气体之一,传统的感温、感烟、感火焰的火灾探测器从原理上讲都是利用它的物理特性来探测火灾的,物理特性往往是火灾发生以后才产生的,不利于火灾早期预测预报。
同时还容易环境等因素的影响而产生误测误报,可靠性低,近年来,随着科技的发展,气体传感技术有了长足的进展。
在日常生活中,CO是智能家具系统、大气环境监测等重要的参数指标,随着人居住和工作环境的改善,城市居民每天在室内的活动时间以占90%左右,因而人们越开越关心室内空气质量问题。
液化气、煤气进入家庭为人们带来了方便,改善了城市环境,但同时也给人们带来了潜在的危险,CO就是最重要的危险源;在智能化家居系统中,CO也是被列出的重点监测气体之一,CO也是餐厅空气卫生监测的一项重要指标,这里食物加工过程中产生的CO也不容忽视,它直接影响人们的身体健康。
为了实现对CO的检测,装设可燃气体检测器,及时发现事故隐患、尽早采取补救措施是非常必要的。
保证工业安全生产、工作和生活环境的空气质量而进行的有害气体浓度检测是非常复杂而重要的课题。
在工业安全生产、环境保护、环境监测、日常生活、等领域需要监测CO浓度。
工业铝电解等产生大量的CO气体。
目前随着城市煤气、天然气使用的迅速发展,城市鼓励液化气小区取代传统的家用液化气钢瓶以及城市里的加油站的日益增多这些因素都可能有大量CO出现,因而对CO气体的检测显得日益重要。
在气体的生产、输送、贮存和使用过程中,违反操作规程或设备密封质量不好,都有可能发生可燃气体泄露现象,进而酿成火灾或爆炸事故,给国家和人民的生命财产造成损失。
因此,实时、准确的测出这些场合CO的浓度,对有效防止CO中毒、火灾的早期预测预报、保障工业安全生产等方面具有十分重要的意义[1]。
1.2国内外研究现状
1.2.1一氧化碳检测的现状
目前的CO传感器主要采用的是三点定电位的电化学原电池传感器。
它是20世纪70年代中期,美国EnterqerticsScience公司发表三电极控制电位原理检测CO敏感元件专利产品。
按敏感元件电解质性质的不同,它主要分为胶体电解质CO敏感元件、固体电解质CO敏感元件和液体电解质CO敏感元件。
从分析方法上分,主要有:
电化学法、电气法(热导式和半导式)、色谱法(层析法)、光学吸收法(红外吸收法和紫外吸收法)等。
1.2.2我国CO检测的发展
我国煤炭行业最早在20世纪50年代采用气体检测管测定CO浓度。
气体管起源于美国,1919年美国哈佛大学研究出第一支CO气体检测管。
随着气体检测管技术的日臻完善,其应用范围也在不断扩大,有最初的定性检测一种气体发展成为现在可定性定量检测分析几百种气体;现在气体检测管可以广泛应用于矿井、化工、冶金、地质领域安全检测及工艺过程分析和环境保护、劳动卫生检测、污染源及突发事故检测等诸多领域的气体检测方法。
目前气体检测管仍然是气体快速检测的一个重要方法。
我国在“六五”、“七五”期间引进并仿制了西德产品,抚顺及大连化物所等有关单位也致力研制该产品。
从国内产品性能来看,由于敏感元件受到国内材料及加工技术水平的限制,所研制和生产的元件测量范围小,产品合格率低、密封性差而漏液、使用寿命短,产品性能与国外先进水平差距较大。
目前,国内北京、惠州、济南已有几家生产CO测试仪,但其敏感元件的关键材料仍由国外进口,价格较高。
仍然存在技术不过关,使用寿命短等问题。
目前一些长寿命检测报警仪仍要从国外进口。
目前国内只有少量的CO检测报警仪使用于现场,特别是在煤矿井下显得更加落后,大部分煤矿采取人工井下采样、地面分析化验的方法,甚至还采用检测管检测的方法。
井下缺少对CO的安全监测仪器,难以适应工作面的推进及新工作的开拓。
也很难满足煤矿井下采空区、火区、密闭区等具有高浓度CO监测的需要。
因此研究适应矿井检测的CO检测仪具有重要的意义。
1.2.3各国一氧化碳检测的发展
目前市场上广泛使用的CO传感器主要有金属氧化物半导体型、电化学固体电解质型和电化学固体高分子电解质型等三种类型。
自20世纪70年代中期,电化学CO传感器问世以来,由于其具有结构简单、使用维护方便、灵敏度及选择性都高等特点,受到国内外煤矿的重视。
目前国外电化学式CO传感器大多采用的是液体酸性电解质,铂黑催化电极,采用电化学法中恒电位电解法的原理,进行CO浓度的检测。
近年来,美国,日本,德国等对CO传感器的研究发展较快。
其中具有代表性的产品主要有:
日本理研计器株式会社研制的CO-7型,CO-82型电化学CO传感器;美国Interscan公司的LD-145型电化学CO传感器;中美合资MSA有限公司研制的MiniCO型电化学CO传感器。
目前CO检测仪的发展方向主要有微小型化、集成化、智能化、多功能化、通用化和网络嵌入式互联网化。
同时对系统长期工作稳定性、易维修性等方面的要求越来越高。
随着半导体工艺和MEMS技术的发展,红外气体分析器微型化、便携化成为可能[2]。
1.3CO传感器
1.3.1电化学传感器
CO检测系统中传感器的选择很重要,目前达到实际应用水平的主要有半导体式和电化学式两种。
半导体CO传感器具有灵敏度高、响应快、测量范围宽的优点,但半导体式元件在空气中阻值漂移大、功耗较高,不适合煤矿井下电器设备的要求。
相比之下,电化学CO传感器由于具有灵敏度高、重现性好、功耗低、本质安全等独特的优点,使得电化学式传感器成为目前使用最普遍的一类传感器,更适合于在恶劣环境下对煤矿CO浓度的检测。
电化学传感器的工作原理:
电化学传感器通过与被测气体发生反应并产生与气体浓度成正比的电信号来工作。
典型的电化学传感器由传感电极(或工作电极)和反电极组成,并由一个薄电解层隔开。
气体首先通过微小的毛管型开孔与传感器发生反应,然后是憎水屏障,最终到达电极表面。
采用这种方法可以允许适量气体与传感电极发生反应,以形成充分的电信号,同时防止电解质漏出传感器。
穿过屏障扩散的气体与传感电极发生反应,传感电极可以采用氧化机理或还原机理。
这些反应由针对被测气体而设计的电极材料进行催化。
通过电极间连接的电阻器,与被测气体浓度成正比的电流会在正极与负极间流动。
测量该电流即可确定气体浓度。
由于该过程中会产生电流,电化学传感器又常被称为电流气体传感器或微型燃料电池。
在实际中,由于电极表面连续发生电化发应,传感电极电势并不能保持恒定,在经过一段较长时间后,它会导致传感器性能退化。
为改善传感器性能,人们引入了参考电极。
参考电极安装在电解质中,与传感电极邻近。
固定的稳定恒电势作用于传感电极。
参考电极可以保持传感电极上的这种固定电压值。
参考电极间没有电流流动。
气体分子与传感电极发生反应,同时测量反电极,测量结果通常与气体浓度直接相关。
施加于传感电极的电压值可以使传感器针对目标气体[3]。
1.3.2本设计CO传感器的选择
本设计采用CO/CF-1000电化学式有毒气体传感器,该传感器性能优于同类传感器,内部的过滤器可以很好地去除CO以外的干扰气体,在硬件上弥补了传统CO传感器交叉反应的不足。
以下是该传感器的一些描述:
测量范围..............................0-1000ppm
最大负荷..............................2000ppm
内置过滤器...........................过滤酸性气体
工作寿命..............................空气中3年
输出..................................100±20nA/ppm
分辨率................................0.5ppm
温度范围..............................-20℃to45℃
压力范围..............................大气压
响应时间(T90).......................<40seconds
湿度范围..............................15-90%RH(非凝结)
零点输出(纯净空体,20℃).............-1to+3ppm
最大零点漂移(20℃to40℃).............10ppm
长期漂移.............................<2%/每月
线性度输出............................线性
偏置电压............................无需
第2章总体设计方案
2.1设计思路
本设计是由软件和硬件的配合来实现的,我的主要工作就是软件的设计,在了解电路设计原理后,根据原理和目的画出程序流程图,用汇编语言进行编程,如A/D转换程序,报警程序,显示程序及所用到的进制转换程序,即十六进制转换成十进制。
系统工作时,首先进行初始化等准备工作。
然后进行数据采集,经过硬件的放大滤波处理后,送至单片机进行数据的处理。
单片机根据输入的信号进行浓度计算,最后得到浓度值。
系统软件采取模块化结构,主程序分别调用初始化程序,A/D采样程序,LED显示程序(声光报警和外围控制程序),结果存储程序等,来完成整个传感器输出信号的智能量化过程。
设计中用到了keil编译软件,其作用是对编写好的程序进行编译,产生HEX文件,此格式的文件可以用于proteus环境中的仿真。
2.2主要算法
2.2.1初步考虑的算法
温度补偿方法:
CO电化学传感器在其量程内输出为线性,所以在其工作温度范围内选取2个不同温度,每个温度下测量2个数据,就可以对输入输出特性进行标定。
表2-1标定数据
CO体积分数
电压
T=T1
电压
T=T2
P1
u(p1,T1)
u(p1,T2)
P2
u(p2,T1)
u(p2,T2)
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