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《黑龙江大学》 2016年
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红外气体分析系统的设计

崔鑫  
【摘要】:随着世界上日前对环境保护意识的越来越重视,气体分析仪在社会上占有了越来越大的市场。本次设计中的红外气体分析系统就是用来测量工厂或工业的燃烧所排放,以及汽车尾气排放中的有毒有害气体,如碳氧化物等的浓度,监控室内外空气质量,从而达到控制和减少对环境的污染,提高生活质量,保护生态环境的目的。采用纯模拟电路实现信号处理和温度控制是当今大多数国内生产的红外气体分析仪的基本方式,但这种方式存在电路复杂,易受干扰,测量精度不高,并且控制的精度低、响应时间长等问题。本论文主要的研究内容是在市面上已有的传感器,如红外气体浓度传感器(红外二氧化碳传感器MK400)、温度传感器(LM75A)的基础上,利用信号的输入,在FPGA上面构建一个以NiosⅡ为核心处理单元的FPGA系统,使用NiosⅡ核来控制系统的运行。本设计在QuartusⅡ开发环境下进行硬件电路的仿真设计,使用C语言实现各应用程序及各个硬件的驱动,并将设计的结果输出到CORE2-5SD CycloneⅡ系列的FPGA EDA开发板上,用来完成设计。设计实现一个在量程0-5000ppm范围内的带有温度补偿模型的数字化红外分析系统,并辅以大量的试验确定温度补偿系数,使补偿后的浓度测量达到精度5%,最终用标准浓度的二氧化碳气体测量来验证设计的结果。
【关键词】:气体传感器 红外光谱 FPGA C语言
【学位授予单位】:黑龙江大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TN216
【目录】:
  • 中文摘要3-4
  • Abstract4-7
  • 第1章 绪论7-12
  • 1.1 研究背景7-8
  • 1.2 国内外发展现状8-11
  • 1.3 本文主要研究内容11-12
  • 第2章 设计的理论基础及基本框架12-27
  • 2.1 设计的理论基础12-15
  • 2.1.1 气体红外光谱吸收理论12-13
  • 2.1.2 朗伯比尔定律13-14
  • 2.1.3 FPGA技术简介14-15
  • 2.2 I~2C总线应用基础15-21
  • 2.2.1 I~2C传输基本原理15-19
  • 2.2.2 I~2C的连接方式19-21
  • 2.3 设计的基本框架21-26
  • 2.3.1 红外气体浓度传感器类型和结构选择21-23
  • 2.3.2 设计的硬件框架图23-24
  • 2.3.3 软硬件开发流程24-26
  • 2.4 本章小结26-27
  • 第3章 硬件搭建与实现27-49
  • 3.1 红外气体浓度传感器27-32
  • 3.1.1 红外光源27-28
  • 3.1.2 MK400红外气体浓度传感器28-31
  • 3.1.3 传感器的通讯协议31-32
  • 3.2 温度采集模块LM75A32-38
  • 3.2.1 温度传感器的硬件结构32-36
  • 3.2.2 温度传感器工作原理36-38
  • 3.3 数据显示电路38-44
  • 3.3.1 数码管显示38-39
  • 3.3.2 BCD七段译码器39-41
  • 3.3.3 ZLG7290驱动芯片41-44
  • 3.4 硬件编程实现44-48
  • 3.5 本章小结48-49
  • 第4章 软件编写与实现49-59
  • 4.1 流程图49-52
  • 4.2 软件编程52-58
  • 4.2.1 温度传感器及其总线初始化52-53
  • 4.2.2 红外气体浓度传感器及其总线初始化53-54
  • 4.2.3 温度数据的采集与显示54-56
  • 4.2.4 浓度数据的采集补偿与显示56-58
  • 4.3 本章小结58-59
  • 第5章 设计的调试分析59-67
  • 5.1 开发板功能介绍59-61
  • 5.2 基础接口板的仿真61
  • 5.3 硬件调试61-62
  • 5.4 软件调试62-66
  • 5.5 本章小结66-67
  • 结论67-68
  • 参考文献68-73
  • 致谢73-74

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