摘要

　　科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,促進(jìn)工業(yè)化的大力度發(fā)展,同時(shí)也造成大量污染性氣體的肆意排出,對環(huán)境的污染與生態(tài)的破壞也逐漸加重,給人們的正常生活造成了嚴重的影響。加強檢測進(jìn)而凈化空氣勢在必行。傳統分析儀大多具有檢測氣體單一、體積大、準確度低等缺點(diǎn),隨著(zhù)儀器多功能化的發(fā)展,設計能同時(shí)準確檢測多種氣體的小型儀器具有很大的意義。

　　本課題依據實(shí)際需求,設計了一款WSTM32F103F130RCT6為核也的多氣體分析儀,利用五種氣體(氧氣、二氧化硫、二氧化氮、一氧化氮和一氧化碳)的電化學(xué)傳感器在多種氣體混合的情況下快速準確地檢測出各分組氣體的濃度并將測出的結果顯示在液晶顯示器上。為了巧展儀器功能,系統同時(shí)可以對測得數據進(jìn)行存儲,并通過(guò)串口發(fā)送到計算機,方便于后期對被測氣體進(jìn)行相關(guān)分析。

　　本文分模塊詳細介紹了系統硬件與軟件的設計。其中由于STM32F103RCT6內部資源十分豐富,從而使得系統硬件電路體積大幅減小,儀器可靠性提離。超低失調電壓運算放大器OP77的使用更加提高了數據的準確性。為防止掉電數據丟失,設計中使用24C02E2PROM芯片存儲氣體濃度數據。利用CH340私片將USB轉為民S232串曰來(lái)完成與上位機的數據傳送。軟件部分利用STM32的固件函數庫在Keil　uVision5環(huán)境下采用C語(yǔ)言進(jìn)行模塊化設計。其中為了減少混合氣體間的交叉干擾,提高儀器精度,軟件設計中通過(guò)互相干擾的系數來(lái)進(jìn)行數據補償;為了降低氣體傳感器的漂移特性對數據的影響,本文中對儀器設計了自動(dòng)標定功能。

　　最后將國家標準氣體進(jìn)行混合后用分析儀進(jìn)行檢測,并對所測結果進(jìn)行誤差分析。實(shí)驗數據表明,分析儀測量結果在行業(yè)要求誤差(±4%)范圍內,達到了預期要求。

　　關(guān)鍵詞：氣體分析化STM32F103RCT6;電化學(xué)傳感器;模塊化

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世紀W來(lái),世界各國都在不斷發(fā)展科學(xué)技術(shù),科技無(wú)疑給人們生活帶來(lái)了翻天覆地的變化,也促進(jìn)了各國經(jīng)濟的發(fā)展,呈現出經(jīng)濟一路飄島的趨勢,然而在這些表面繁榮的背后,卻是W損壞我們賴(lài)生存的生活環(huán)境為前提條件的,諸如欣賞藍色天空早己成為一種奢侈的享受,又如我們的飲用水都必須經(jīng)過(guò)加熱之后才可放也喝。然而,值得欣慰的是:大氣污染、水質(zhì)污染等等一系列環(huán)境問(wèn)題也成為世界各國關(guān)注的焦點(diǎn),尤其發(fā)展中國家更為明顯W。大氣質(zhì)量與我們生活的周邊環(huán)境均W指數的形式不斷的惡化,這些都給我們的身屯、健康、生存發(fā)展和后代繁衍帶來(lái)了極大的困擾。全球環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)備受世界各國的關(guān)注,環(huán)境問(wèn)題己經(jīng)成為大家的問(wèn)題。因為地球只有一個(gè),任何一個(gè)國家都不希望在科技時(shí)代發(fā)展進(jìn)步的同時(shí),L義陋牲人類(lèi)賴(lài)W生存的環(huán)境為代價(jià),經(jīng)濟的發(fā)展和環(huán)境保護同等重要,解決環(huán)境污染這一問(wèn)題,我們需要依托于先進(jìn)的科學(xué)技術(shù),利用科技去分析問(wèn)題,最終解決環(huán)境問(wèn)題,從而實(shí)現經(jīng)濟與環(huán)境二者和諧與共同發(fā)展。目前各個(gè)國家都在加強環(huán)境改善的科技研巧,大力發(fā)展綠色環(huán)保科技,這不僅僅是國家的科技發(fā)展問(wèn)題,也是將科學(xué)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的實(shí)際應用,著(zhù)力解決環(huán)境污染問(wèn)題,讓人們著(zhù)實(shí)感受到科技給人們帶來(lái)的益處。只有通過(guò)不斷加強環(huán)境技術(shù)創(chuàng )新,實(shí)現科技與環(huán)保產(chǎn)業(yè)的一體化發(fā)展,才是國家應對當今環(huán)保產(chǎn)業(yè)U義及參與國際競爭的戰略訣擇問(wèn)題的關(guān)鍵,才能提高國民的整體素質(zhì)和國家的綜合實(shí)力。

　　當今危害環(huán)境和人類(lèi)身體健康的主要污染物之一就是工業(yè)排放的氣體P1。我國目前是最大的發(fā)展中國家,工業(yè)現代化的不斷發(fā)展,城市建設的不斷増速,重工業(yè)企業(yè)也在緊跟腳步不斷擴大建廠(chǎng)規模,在加強發(fā)展的同時(shí),工業(yè)W及重工業(yè)企業(yè)產(chǎn)生的各種污染物也在日劇猛増,其中大多數均未達到排放標準便已經(jīng)排放,污染了我們的生存環(huán)境,這其中當屬工業(yè)排放的氣體、汽車(chē)尾氣等等尤為顯著(zhù)。在這眾多污染物中,工業(yè)燃燒化石燃料產(chǎn)生的氣體、固體粉粒,也被一起排到了空氣中,而正是這種污染氣體的排出,改變了大氣的組成結構,對人類(lèi)的健康造成了嚴重困擾,霧靈L義及PM2.5己經(jīng)成為全球熱議的話(huà)題,如今世界各國政府和民眾都己經(jīng)感覺(jué)到大氣問(wèn)題的嚴重性,所W加強空氣的檢測、提高空氣質(zhì)量刻不容緩。

　　如何創(chuàng )造一個(gè)既能滿(mǎn)足人類(lèi)生存同時(shí)又不影響經(jīng)濟發(fā)展的舒適、干凈、清新的生活環(huán)境呢?唯一辦法就是走經(jīng)濟環(huán)境可持續發(fā)展的道路W,尋找和創(chuàng )造清潔能源,加大環(huán)境檢測力度,嚴格控制企業(yè)污染氣體的排放量,準確檢測各種排放氣體參數,隨時(shí)觀(guān)察參數變化分析環(huán)境質(zhì)量,是解決環(huán)境問(wèn)題的重要依據。通過(guò)監測各項氣體參數能夠準確的找到污染源,這樣有利于人們對污染源制定出一套具有針對性的處理方案,并且能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)監控空氣質(zhì)量。但是,從往對氣體的檢測過(guò)程來(lái)看,無(wú)論是采集樣品、分析結果還是結果的顯示,這其中的過(guò)程都是異常繁瑣,不僅工作量巨大,而且還存在一個(gè)最至關(guān)重要的問(wèn)題,就是被檢測的氣體樣品在采集和處理過(guò)程中,特別容易遭受到二次污染,最終導致檢測結果和實(shí)際存在很大偏差,嚴重影響了處理污染氣體的工作效率W。在采用新技術(shù),開(kāi)發(fā)新設備的同時(shí),重點(diǎn)考慮儀器的檢測效率和數據分析的準確率是很有必要的。近些年,隨著(zhù)人們環(huán)保意識的逐漸加強,國家對環(huán)境保護的離度重視與新能源的大力開(kāi)發(fā)推廣也注入大量資金和政策,氣體分析儀器必將得到各個(gè)行業(yè)的普遍應用。

　　在環(huán)境檢測中加強氣體檢測精準度尤為重要,隨著(zhù)工業(yè)領(lǐng)域的不斷創(chuàng )新發(fā)展,工業(yè)燃燒過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生大量的污染廢氣,其中包含許多有毒有害氣體它們排入大氣,從而造成全球大氣污染、氣候變暖、海平面上升等一系列威脅人類(lèi)健康與生存的環(huán)境問(wèn)題W。所W對排放的污染廢氣的成分檢測就顯得尤為重要了。

　　本課題設計的氣體分析儀不單單只是檢測五路氣體的濃度,并且還會(huì )在檢測的同時(shí),將檢測數據及時(shí)顯示在液晶顯示器上,并對測量數據進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲及更新,通過(guò)串口發(fā)送到計算機,送樣更有利于后期對被測氣體進(jìn)行相關(guān)數據分析及對比,從而能夠全面地反映被測氣體特定時(shí)間、特定環(huán)境中所盈示的特性,有利于人們及時(shí)掌握氣體變化,達到及時(shí)治理氣體污染的目的。

　　基于STM32單片機的氣體分析儀的設計是基于傳統便攜式氣體檢測儀器的基礎,使之更加小巧袖珍化、微型化的氣體分析儀器,具有易于操作、攜帶便捷、強大的數據分析和處理能力,直觀(guān)的液晶顯示功能,不僅能夠應用于工業(yè)煙氣分析,也能廣泛使用與生物、醫療、食品分析等領(lǐng)域。

　　STM32單片機的氣體分析儀軟件設計：

MDK5組成結構圖

系統軟件流程圖

實(shí)驗結果LCD顯示圖

實(shí)驗結果串口顯示圖

標準氣體與檢測結果對比表

目錄

　　1 緒論
　　　　1.1 課題的研究背景與意義
　　　　1.2 國內外研究情況與發(fā)展趨勢
　　　　　　1.2.1 國內外研究情況
　　　　　　1.2.2 分析儀發(fā)展趨勢
　　　　1.3 論文的工作安排
　　　　1.4 本章小結
　　2 基于STM32單片機的氣體分析儀的總體設計
　　　　2.1 系統設計原則
　　　　　　2.1.1 硬件設計原則
　　　　　　2.1.2 軟件設計原則
　　　　　　2.1.3 低功耗設計原則
　　　　2.2  功能和技術(shù)指標
　　　　　　2.2.1分析儀功能
　　　　　　2.2.2 技術(shù)指標
　　　　2.3 總體設計方案
　　　　　　2.3.1 設計思想
　　　　　　2.3.2 系統總體框圖
　　　　　　2.3.3 工作原理
　　　　2.4 本章小結
　　3 基于STM32單片機的氣體分析儀的硬件設計
　　　　3.1 主要元器件的選型
　　　　　　3.1.1 核心控制器的盛型
　　　　　　3.1.2 氣體傳感器的選擇
　　　　　　3.1.3 運算放大器的選型
　　　　3.2 STM32F103RCT6的最小系統設計
　　　　　　3.2.1 電源電路
　　　　　　3.2.2 時(shí)鐘電路
　　　　　　3.2.3 復位電路
　　　　　　3.2.4 JTAG 電路
　　　　3.3 信號采集處理電路
　　　　　　3.3.1 二電極傳感器采集處理電路
　　　　　　3.3.2 三電極傳感器信號采集電路
　　　　　　3.3.3 四電極傳感器信號采集電路
　　　　3.4 數據存儲模塊
　　　　　　3.4.1 PC總線(xiàn)介紹
　　　　　　3.4.2 PROM存儲模塊
　　　　3.5 人機交互模塊
　　　　　　3.5.1 按鍵模塊
　　　　　　3.5.2 液晶顯不模塊
　　　　3.6 通信模塊
　　　　3.7 本章小結
　　4 基于STM32單片機的氣體分析儀的軟件設計
　　　　4.1 軟件開(kāi)發(fā)工具介紹
　　　　　　4.1.1 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)介
　　　　　　4.1.2 J-Link仿真器
　　　　4.2 系統軟件總體設計
　　　　4.3 系統初始化模塊
　　　　　　4.3.1 ADC 初始化
　　　　　　4.3.2�塂MA 初始化
　　　　　　4.3.3�塒C 初始化
　　　　　　4.3.4 串口初始化
　　　　4.4 信號采集處理模塊
　　　　　　4.4.1 A/D轉換子程序
　　　　　　4.4.2 數據濾波子程序
　　　　　　4.4.3 氣體去交叉干擾算法子程序
　　　　　　4.4.4 儀器標定
　　　　4.5 數據存儲模塊
　　　　4.6 人機交互模塊
　　　　　　4.6.1 按鍵輸入子程序
　　　　　　4.6.2 液晶顯不子程序
　　　　4.7 通信模塊
　　　　4.8 本章小結
　　5 系統調試與結果分析
　　　　5.1 系統調試
　　　　　　5.1.1 硬件調試
　　　　　　5.1.2 軟件調試
　　　　5.2 實(shí)驗結果與分析
　　　　　　5.2.1 實(shí)驗結果
　　　　　　5.2.2 誤差分析
　　　　5.3 本章小結
　　6 總結與展望
　　　　6.1 總結
　　　　6.2 展望
　　參考文獻
　　攻讀碩±學(xué)位期間發(fā)表的論文
　　致謝
　　學(xué)位論文知識產(chǎn)權聲明
　　學(xué)位論文獨御性聲明

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