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                STM32单片机的气体分析仪设计

                添加时间:2018/09/07 来源:西安工业大学 作者:蔡莉媛
                本课题主要内容是研究一款基于STM32单片机的可以检测多种气体的分析仪设计,完成对混合气体中各分组气体浓度的采集、数据精确处理、LCD显示,并将结果存储在E2PR0M中,预留接口与上位机通讯,便于后期上位机对数据的进一步处理。
                以下为本篇论文正文:

                摘要

                  科学技术的不断进步,促进工业化的大力度发展,同时也造成大量污染性气体的肆意排出,对环境的污染与生态的破坏也逐渐加重,给人们的正常生活造成了严重的影响。加强检测进而净化空气势在必行。传统分析仪大多具有检测气体单一、体积大、准确度低等缺点,随着仪器多功能化的发展,设计能同时准确检测多种气体的小型仪器具有很大的意义。

                  本课题依据实际需求,设计了一款WSTM32F103F130RCT6为核也的多气体分析仪,利用五种气体(氧气、二氧化硫、二氧化氮、一氧化氮和一氧化碳)的电化学传感器在多种气体混合的情况下快速准确地检测出各分组气体的浓度并将测出的结果显示在液晶显示器上。为了巧展仪器功能,系统同时可以对测得数据进行存储,并通过串口发送到计算机,方便于后期对被测气体进行相关分析。

                  本文分?橄晗附樯芰讼低秤布肴砑纳杓。其中由于STM32F103RCT6内部资源十分丰富,从而使得系统硬件电路体积大幅减小,仪器可靠性提离。超低失调电压运算放大器OP77的使用更加提高了数据的准确性。为防止掉电数据丢失,设计中使用24C02E2PROM芯片存储气体浓度数据。利用CH340私片将USB转为民S232串曰来完成与上位机的数据传送。软件部分利用STM32的固件函数库在Keil uVision5环境下采用C语言进行?榛杓。其中为了减少混合气体间的交叉干扰,提高仪器精度,软件设计中通过互相干扰的系数来进行数据补偿;为了降低气体传感器的漂移特性对数据的影响,本文中对仪器设计了自动标定功能。

                  最后将国家标准气体进行混合后用分析仪进行检测,并对所测结果进行误差分析。实验数据表明,分析仪测量结果在行业要求误差(±4%)范围内,达到了预期要求。

                  关键词:气体分析化STM32F103RCT6;电化学传感器;?榛

                Abstract

                  The continuous progress of science and technology, greatly promoted the development of industrialization, however, caused a lot of pollution gases at the same time, environmental pollution and ecological damage is gradually increased, which seriously influenced people's normal life. Therefbre, strengthening l:he detection to purify l;he air is imperative. The traditional instruments mostly suffer from gas detection single,large Volume, low accuracy and so on, while with ree development of multifunctional instrument, it is of great significance to design a small instrument which can simultaneously and accurately detect gases. This t:hesis designs a multi gas analyzer based on STM32F103RCT6,using t:he electrochemical sensor of five kinds of gas, which are oxygen, sulfur dioxide, nitrogen dioxide, nitric oxide and carbon monoxide, to detect the gas concentration of each group fast and accurately in the case of a mixture of gases, and displaying the results in the LCD. To expand the functions of the instrument,the system can store data and sent to l;he compu1:er through the serial port, which is convenient fbr analyzing t;he measured gas later.

                  This thesis introduces the design of hardware and software system. Because of the STM32F103RCT6 internal resources are Very rich, which makes the system hardware circuit of the Volume is greatly reduced,equipment reliabUity. The employ of ultra low offset Voltage operational amplifier OP77 also improve the accuracy of the data. To avoid losing data, use the 24C02 E2pROM chip to store ree data of gas concentration. By using CH340 chip change USB to RS232 serial port which can reansfer data to PC. The software part uses the firmware library of STM32 and C language under the environment of Keil uVision5. In order to reduce thhe cross interference between mixed gas,to improve the precision of the instrument,t:he software design uses the coefficient interfere with each oreer for data compensation To reduce the influence on the drift characteristics of gas sensor data, this paper designed the automatic calreieation of the instrument.

                  Finally, detecting the mixed national standard gas with the analyzer, and proceeding an error analysis for the bsted results. The experiment;al data show that the error analyzer measurement results are inree industry range,and it achieved desired requirernents.

                  Key Words: Gas analyzer; STM32F103RCT6; Electrochemical sensor; Modularization

                  步入21世纪W来,世界各国都在不断发展科学技术,科技无疑给人们生活带来了翻天覆地的变化,也促进了各国经济的发展,呈现出经济一路飘岛的趋势,然而在这些表面繁荣的背后,却是W损坏我们赖生存的生活环境为前提条件的,诸如欣赏蓝色天空早己成为一种奢侈的享受,又如我们的饮用水都必须经过加热之后才可放也喝。然而,值得欣慰的是:大气污染、水质污染等等一系列环境问题也成为世界各国关注的焦点,尤其发展中国家更为明显W。大气质量与我们生活的周边环境均W指数的形式不断的恶化,这些都给我们的身屯、健康、生存发展和后代繁衍带来了极大的困扰。全球环境问题已经备受世界各国的关注,环境问题己经成为大家的问题。因为地球只有一个,任何一个国家都不希望在科技时代发展进步的同时,L义陋牲人类赖W生存的环境为代价,经济的发展和环境;ね戎匾,解决环境污染这一问题,我们需要依托于先进的科学技术,利用科技去分析问题,最终解决环境问题,从而实现经济与环境二者和谐与共同发展。目前各个国家都在加强环境改善的科技研巧,大力发展绿色环?萍,这不仅仅是国家的科技发展问题,也是将科学技术在各个领域的实际应用,着力解决环境污染问题,让人们着实感受到科技给人们带来的益处。只有通过不断加强环境技术创新,实现科技与环保产业的一体化发展,才是国家应对当今环保产业U义及参与国际竞争的战略诀择问题的关键,才能提高国民的整体素质和国家的综合实力。

                  当今危害环境和人类身体健康的主要污染物之一就是工业排放的气体P1。我国目前是最大的发展中国家,工业现代化的不断发展,城市建设的不断増速,重工业企业也在紧跟脚步不断扩大建厂规模,在加强发展的同时,工业W及重工业企业产生的各种污染物也在日剧猛増,其中大多数均未达到排放标准便已经排放,污染了我们的生存环境,这其中当属工业排放的气体、汽车尾气等等尤为显着。在这众多污染物中,工业燃烧化石燃料产生的气体、固体粉粒,也被一起排到了空气中,而正是这种污染气体的排出,改变了大气的组成结构,对人类的健康造成了严重困扰,雾灵L义及PM2.5己经成为全球热议的话题,如今世界各国政府和民众都己经感觉到大气问题的严重性,所W加强空气的检测、提高空气质量刻不容缓。

                  如何创造一个既能满足人类生存同时又不影响经济发展的舒适、干净、清新的生活环境呢?唯一办法就是走经济环境可持续发展的道路W,寻找和创造清洁能源,加大环境检测力度,严格控制企业污染气体的排放量,准确检测各种排放气体参数,随时观察参数变化分析环境质量,是解决环境问题的重要依据。通过监测各项气体参数能够准确的找到污染源,这样有利于人们对污染源制定出一套具有针对性的处理方案,并且能够进行实时监控空气质量。但是,从往对气体的检测过程来看,无论是采集样品、分析结果还是结果的显示,这其中的过程都是异常繁琐,不仅工作量巨大,而且还存在一个最至关重要的问题,就是被检测的气体样品在采集和处理过程中,特别容易遭受到二次污染,最终导致检测结果和实际存在很大偏差,严重影响了处理污染气体的工作效率W。在采用新技术,开发新设备的同时,重点考虑仪器的检测效率和数据分析的准确率是很有必要的。近些年,随着人们环保意识的逐渐加强,国家对环境;さ睦攵戎厥佑胄履茉吹拇罅⑼乒阋沧⑷氪罅孔式鸷驼,气体分析仪器必将得到各个行业的普遍应用。

                  在环境检测中加强气体检测精准度尤为重要,随着工业领域的不断创新发展,工业燃烧过程中会产生大量的污染废气,其中包含许多有毒有害气体它们排入大气,从而造成全球大气污染、气候变暖、海平面上升等一系列威胁人类健康与生存的环境问题W。所W对排放的污染废气的成分检测就显得尤为重要了。

                  本课题设计的气体分析仪不单单只是检测五路气体的浓度,并且还会在检测的同时,将检测数据及时显示在液晶显示器上,并对测量数据进行实时存储及更新,通过串口发送到计算机,送样更有利于后期对被测气体进行相关数据分析及对比,从而能够全面地反映被测气体特定时间、特定环境中所盈示的特性,有利于人们及时掌握气体变化,达到及时治理气体污染的目的。

                  基于STM32单片机的气体分析仪的设计是基于传统便携式气体检测仪器的基础,使之更加小巧袖珍化、微型化的气体分析仪器,具有易于操作、携带便捷、强大的数据分析和处理能力,直观的液晶显示功能,不仅能够应用于工业烟气分析,也能广泛使用与生物、医疗、食品分析等领域。

                  STM32单片机的气体分析仪软件设计:

                MDK5组成结构图
                MDK5组成结构图

                系统软件流程图
                系统软件流程图

                实验结果LCD显示图
                实验结果LCD显示图

                实验结果串口显示图
                实验结果串口显示图

                标准气体与检测结果对比表
                标准气体与检测结果对比表

                目录

                  1 绪论
                    1.1 课题的研究背景与意义
                    1.2 国内外研究情况与发展趋势
                      1.2.1 国内外研究情况
                      1.2.2 分析仪发展趋势
                    1.3 论文的工作安排
                    1.4 本章小结
                  2 基于STM32单片机的气体分析仪的总体设计
                    2.1 系统设计原则
                      2.1.1 硬件设计原则
                      2.1.2 软件设计原则
                      2.1.3 低功耗设计原则
                    2.2  功能和技术指标
                      2.2.1分析仪功能
                      2.2.2 技术指标
                    2.3 总体设计方案
                      2.3.1 设计思想
                      2.3.2 系统总体框图
                      2.3.3 工作原理
                    2.4 本章小结
                  3 基于STM32单片机的气体分析仪的硬件设计
                    3.1 主要元器件的选型
                      3.1.1 核心控制器的盛型
                      3.1.2 气体传感器的选择
                      3.1.3 运算放大器的选型
                    3.2 STM32F103RCT6的最小系统设计
                      3.2.1 电源电路
                      3.2.2 时钟电路
                      3.2.3 复位电路
                      3.2.4 JTAG 电路
                    3.3 信号采集处理电路
                      3.3.1 二电极传感器采集处理电路
                      3.3.2 三电极传感器信号采集电路
                      3.3.3 四电极传感器信号采集电路
                    3.4 数据存储?
                      3.4.1 PC总线介绍
                      3.4.2 PROM存储?
                    3.5 人机交互?
                      3.5.1 按键?
                      3.5.2 液晶显不?
                    3.6 通信?
                    3.7 本章小结
                  4 基于STM32单片机的气体分析仪的软件设计
                    4.1 软件开发工具介绍
                      4.1.1 集成开发环境简介
                      4.1.2 J-Link仿真器
                    4.2 系统软件总体设计
                    4.3 系统初始化?
                      4.3.1 ADC 初始化
                      4.3.2DMA 初始化
                      4.3.3PC 初始化
                      4.3.4 串口初始化
                    4.4 信号采集处理?
                      4.4.1 A/D转换子程序
                      4.4.2 数据滤波子程序
                      4.4.3 气体去交叉干扰算法子程序
                      4.4.4 仪器标定
                    4.5 数据存储?
                    4.6 人机交互?
                      4.6.1 按键输入子程序
                      4.6.2 液晶显不子程序
                    4.7 通信?
                    4.8 本章小结
                  5 系统调试与结果分析
                    5.1 系统调试
                      5.1.1 硬件调试
                      5.1.2 软件调试
                    5.2 实验结果与分析
                      5.2.1 实验结果
                      5.2.2 误差分析
                    5.3 本章小结
                  6 总结与展望
                    6.1 总结
                    6.2 展望
                  参考文献
                  攻读硕±学位期间发表的论文
                  致谢
                  学位论文知识产权声明
                  学位论文独御性声明

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