基于单片机的二氧化碳红外检测仪设计开题报告改3.docx

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基于单片机的二氧化碳红外检测仪设计开题报告改3

中北大学

毕业设计开题报告

学生姓名：

刘晓波

学号：

09050441X13

学院、系：

信息与通信工程

专业：

电气工程及其自动化

设计题目：

基于单片机的二氧化碳红外检测仪设计

指导教师:

田二明

2013年3月18日

毕业设计开题报告

1．结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：

文献综述

1.1研究的目的及重要意义

本研究是基于单片机的二氧化碳红外检测仪设计，旨在检测二氧化碳浓度，对于农业以及近地检测方面有重要意义，可以方便生活生产等需要。

随着科技的发展，工业化高速发展带来了空气污染的加剧，严重威胁着人类的生存环境。

二氧化碳是室内空气中的主要污染物，因此它的浓度是室内和公共场所检测的重要指标之一。

当室内二氧化碳体积百分数达到3％时，人体呼吸程度加深；达到4％时，产生头晕、头痛、耳鸣、眼花、血压上升；达到8％一10％时，呼吸困难、脉搏加快、全身无力、肌肉由抽搐至痉挛、神智由兴奋至丧失；达到30％时，可能出现死亡现象。

因此空气中室内二氧化碳浓度的高低可以反映有害气体的综合水平，确定室内空气中二氧化碳的浓度，是研究其对人体影响的必要条件。

我国国家标准GB／T17094—1997中规定了室内空气中二氧化碳的浓度限值为0．10％（小时平均值）。

便携式CO2红外线分析仪是检测室内CO2的常用仪器，以下主要介绍该仪器的工作原理、检定方法及常见故障。

CO2在正常大气层含量为0．03％，当浓度达到0．05％时就会对人体产生危害。

C02的增加还将影响气温变化，促进大气污染的发生，危害人类的生存环境。

另外C02在所有温室效应气体中，对温室效应的作用较大，占60％。

因此C02已成为温室气体削减与控制的重点。

但目前我国还投有制订出C02的标准分析方法．推荐的分析方法有非分散红外气体分析仪法、容量滴定法和气相色谱法。

现多采用非分散红外线气体分析仪法。

此方法的缺点是无法消除CO、碳氢化合物和水气的干扰。

红外线分析器测量温室气体的优点。

1.2国内外研究现状

国外研究现状

西方发达国家在现代温室测控技术上起步比较早.20世纪60年代,生产型的高级温室开始应用于农业生产,奥地利首先建成了番茄生产工厂,年代后荷兰,70日本,美国,英国,以色列等国家的温室园艺迅猛发展,温室设施广泛应用于园艺作物生产,畜牧业和水产养殖业.随着计算机技术的进步和智能控制理论的发展,近百年来,温室大棚作为设施农业的重要组成部分,其自动控制和管理技术不断得以提高,在世界各地都得到了长足的发展。

特别是二十世纪70年代电子技术的迅猛发展和微型计算机的出现,更使温室大棚环境控制技术产生了革命性的变化。

80年代,随着微型计算机日新月异的进步和价格大幅度下降,以及对温室控制要求的提高,以微机为核心的温室综合环境控制系统,在欧美得到了长足的发展,并迈入了网络化,智能化阶段。

目前,国外现代化温室的内部设施己经发展到比较完备的程度,并形成了一定的标准。

温室内的各环境因子大多由计算机集中控制,检测传感器也较为齐全,如温室内外的温度,湿度,光照度,二氧化碳浓度,营养液浓度等,由传感器的检测基本上可以实现对各个执行机构的自动控制,如无级调节的天窗通风系统,湿帘与风扇配套的降温系统,由热水锅炉或热风机组成的加温系统,可定时喷灌或滴灌的灌溉系统,二氧化碳施肥系统,以及适用于温室作业的农业机械等。

计算机对这些系统的控制己经不是简单的,独立的,静态的直接数字控制,而是基于环境模型上的监督控制,以及基于专家系统上的人工智能控制,一些国家在实现自动化的基础上正在向着完全自动化,无人化的方向发展。

红外线分析器在农业生产中的应用

目前,随着日光温室的迅速增多,人们对其性能要求也越来越高,特别是为了提高生产效率,对温室的自动化程度要求也越来越高。

中国农业的发展必须走现代化农业这条道路,随着国民经济的迅速增长,农业研究和应用技术越来越受到重视,特别是日光温室已经成为高效农业的一个重要组成部分。

现代化农业生产中的重要一环就是对农业生产环境的一些重要参数进行检测和控制。

例如:

二氧化碳浓度,空气的温度,湿度等。

在农业种植问题中,温室环境与生物的生长,发育,能量交换密切相关,进行环境测控是实现温室生产管理自动化,科学化的基本保证,通过对监测数据的分析,结合作物生长发育规律,控制环境条件,使作物达到优质,高产,高效的栽培目的.以日光温室为代表的现代农业设施在现代化农业生产中发挥着巨大的作用。

温室内的二氧化碳浓度,温度与湿度等参数,直接关系到蔬菜和水果的生长。

国外的温室设施已经发展到比较完备的程度,并形成了一定的标准,但是价格非常昂贵,缺乏与我国气候特点相适应的测控软件。

而当今大多数对温室二氧化碳浓度,温度,湿度的检测与控制都采用人工管理,这样不可避免的有测控精度低,劳动强度大及由于测控不及时等弊端,容易造成不可弥补的损失,结果不但大大增加了成本,浪费了人力资源,而且很难达到预期的效果。

因此,为了实现高效农业生产的科学化并提高农业研究的准确性,推动我国农业的发展,必须大力发展农业设施与相应的农业工程,科学合理地调节温室内二氧化碳的浓度,温度以及湿度,使大棚内形成有利于蔬菜,水果生长的环境,是大棚蔬菜和水果早熟,优质,高效益的重要环节.由于单片机及各种电子器件性价比的迅速提高,使得这种要求变为可能.本论文提出一种以C8051F020单片机为核心的检测器,主要是为了对日光温室内二氧化碳浓度,温度以及湿度进行有效,可靠地检测而设计的。

红外线分析器在近地层空气二氧化碳浓度观测中的应用

近地层空气二氧化碳浓度更接近人的生活，主要受植被类型、气候、土壤、人为活动等因素影响，研究近地层空气二氧化碳浓度变化，有助于增强对大气圈、土壤圈、水圈、生物圈和岩石圈，以及它们之间相互作用的理解和认识。

近地层大气特点是：

动量、热量和水汽乃至其它物质的输送，在地表状态均匀、无剧烈天气变化的时候，垂直输送通量随高度近似不变，可以认为各种通量近似为常值。

对于大气二氧化碳浓度的研究，我国已有一些研究报道，前人通过定位观测、飞机观测和卫星观测等多种形式，对大气二氧化碳浓度、本底、基准进行了研究，并积累了大量的资料。

由于地貌类型的多样性和土地利用／覆盖变化的不同，近地层二氧化碳浓度存在区域性差异。

国内研究现状

我国现代温室技术起步较晚,70年代以来,政府大力发展以塑料大棚,节能日光温室为主的设施农业,促进了农村经济的发展和缓和了蔬菜季节性短缺矛盾。

与此同时,从1979年至1994年,从欧美,日本等国家引进了一系列现代化温室进行实验研究。

引进的温室与我国传统温室比较,其空间大,便于进行机械作业,生产率与资源利用率比较高,为我国温室的发展提供了借鉴作用.但这些温室也存在着许多不足之处,主要表现在:

1.价格昂贵,国内农业生产目前难以接受。

2.缺乏与我国气候特点相适应的温室测控软件.目前我国引进温室的测控系统大多投资大,运行费用过高,并且测控系统中所侧重考虑的环境参数与我国的气候特点存在矛盾。

3.控制方式比较简单,软件实现模式固定,不能进行功能扩展。

随后在我国出现了一些国外的仿造产品,但均没有面向我国广大农村现有的1000万亩传统温室的改造工程。

所以,传统的方法,人们主要还是采用温度计,湿度计来采集温度值和湿度值,通过人工操作加热,加湿,通风和降温来控制温湿度。

因此,以上产品的推广使用价值仍然不大。

总体上说,我国自行开发的温室测控系统其技术水平和调控能力与发达国家还有一定的差距。

而我国综合环境测控技术的研究刚刚起步,目前仍然停留在研究单个或少量环境因子调控技术的阶段,而实际上,温室内的光照度,温度,湿度,二氧化碳浓度等环境因素,都是在相互影响,相互制约的状态中对作物的生长产生影响的,环境要素的空间变化,时间变化都很复杂。

因此,我们应该根据我国的国情研制出适合我国农业的发展的仪器仪表,并在农业设施中广泛推广。

1.3本文欲采取的研究方法

说明本文将要采用的研究方法，介绍该方法的基本原理，有何优点

本研究是基于单片机的二氧化碳红外检测仪设计，被测气体通过传感器时产生的信号经放换后，由微处理器C8051F020进行采集、计算、数据处理产生浓度结果数据，并对数据结果进行超限比较，当被测气体的浓度超过仪器设定的报警限时．仪器产生声光报警，并在显示屏上显示报警状态、故障状态、时间参数等数据信息。

同时保存数据结果。

在进气过滤系统中．至少需要１个Ｉ／Ｏ端13来控制采样泵的工作；在传感器及信号处理单元，经过Ａ／Ｄ转换电路把传感器产生的关于气体浓度的有关信息转化为单片机能识别的数字信号，选择８路输入的ADC0809芯片；在显示模块中，采用KS0713液晶显示器，需要单片机提供３个ＹＯ控制端口；时钟的显示系统采用DS12887芯片与单片机进行通讯。

需要１个中断输入和１个Ｉ／Ｏ控制端口：

由于系统要存储至少500组测试信息，而且AT89S51单片机只有128ＫＢ的ＲＡＭ，我们外扩８Ｋ的外部数据存储器6264：

由于系统可以设定报警的限值和变更时间，则需要５个键盘接口，来控制设置、上升、下降、右移和打印，用到５个Ｉ／Ｏ接口；由于AT89S51单片机接口有限，利用8255A对Ｉ／ｏ接口进行扩展。

红外线浓度分析仪工作原理是基于不同的气体有选择性的吸收一定波长的红外线这一性质，气体分子对红外线的吸收是由于分子振动和转动引起的，只有在红外线光谱的频率与分子本身的特定频率一致时，这种分子才能吸收红外光谱辐射能。

我国生产的红外线气体分析仪光源采用镍铬丝，供给恒定电流使温度升到700～900℃，发出2～7µm波长内的红外线，对称的双原子气体和单原子气体（如02、H2、心等）不吸收2～7µm波长范围内的红外辐射能；而C02、CO、NH3、H20等在这个波长范围内有很强的吸收带（如C024．25µm、CO4．5µm、NH36．15µm、H202．67µm）。

C02红外线浓度分析仪就是利用C02在2—7µm波段内有强的吸收带性质来工作的。

1.4研究计划

1.4.1绪论

为适应农业发展的需要,根据以上分析存在的问题，本论文设计了基于单片机的二氧化碳浓度、温湿度检测系统。

该系统在设计过程中充分考虑到性价比，选用价格低、性能稳定的元器件，可实现对大棚内二氧化碳浓度的在线实时检测。

还设计了通信系统，单片机实时监测大棚内的二氧化碳浓度，当二氧化碳浓度超过设定的上、下限时，单片机通过与温室主机进行通信来打开相应的执行机构，实现对二氧化碳浓度的调控，从而使得大棚内的参数在适合作物生长的范围内。

1.4.2章节安排

第一章硬件系统设计

硬件电路主要包括：

传感器及信号处理部分、Ａ／Ｄ转换部分、时钟校准输入部分、Ｉ／Ｏ扩展（键盘输入、微型打印输出）、液晶显示系统、声光报警系统以及吸气泵的控制。

第二章软件系统设计

C8051F020复位后运行其内部程序，选择气体的模拟通道并启动Ａ／Ｄ转换，把转换结果送单片机，把气体的转换数据与程序中设定的超限值进行比较，若超出其范围则进行声光报警，若在其范围内则数据转换结束后更新显示器上的气体浓度信息，测量数据时间信息写入外部数据存储器中

第三章系统调试结果

将系统调试结果以表格的形式记录。

第四章设计心得

参考文献

附录

参考文献：

[1]王汝琳，王咏涛．红外检测技术．化学工业出版社.

[2]陈永甫．红外辐射红外器件与典型应用.电子工业出版社．

[3]周中平，赵寿堂，朱立，等．室内空气污染检测与控制.化学工业出版社．

[4]GB／T18883—2002室内空气质量标准[S]．

[5]GB／T17094—1997室内空气中二氧化碳卫生标准[S]．

[6]JIG635—1999一氧化碳、二氧化碳红外线气体分析器检定规程[S]．

[7]沈红卫.基于单片机的智能系统设计与实现.电子工业出版社.

[8]房德君等.一种新型单片机综合试验系统[J].山东工程学院学报,1996,4:

15-19

[9]刘焕平.MCS-51系列单片机实验板[J].石家庄职业技术学院学报,2002,4:

17-18

[10]杨培林,郭晶等.国内外设施农业的现状及发展态势[J].山东农机化,2003,01:

10-11

[11]HashimotoY,etc.Somespeakingplantapproachtothesynthesisofcontrolsysteminthegreenhouse[J].ActaHort,1985,174:

219-226

[12]G..vanStratena*,etc,Towardsuseracceptedoptimalcontrolofgreenhouseclimate[J].ComputersandElectronicsinAgriculture,2000:

221-238

[13]K.G.Arvanitisa*,etc,Multirateadaptivetemperaturecontrolofgreenhouses[J].ComputersandElectronicsinAgriculture,2000:

303-320

[14]XiaofengGuoandJianweiQiu﹒Theleadingpowercorrectionstothestructurefunctions﹒hep—ph/9810548（1998）

[15]Meurs.AnewconceptinglasshousecomputerautomationwithSCADAandCASEtools[J].Internationalsocietyforhoriticulturalscience.July1998:

108-111

毕业设计开题报告

２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：

2.1研究目的

本文由微处理器C8051F020进行采集、计算、数据处理产生浓度结果数据，并对数据结果进行超限比较，当被测气体的浓度超过仪器设定的报警限时．仪器产生声光报警，并在显示屏上显示报警状态、故障状态、时间参数等数据信息。

同时保存数据结果。

2.2研究方案

图1系统工作原理图

被测气体通过传感器时产生的信号经放换后，由微处理器C8051F020进行采集、计算、数据处理产生浓度结果数据，并对数据结果进行超限比较，当被测气体的浓度超过仪器设定的报警限时．仪器产生声光报警，并在显示屏上显示报警状态、故障状态、时间参数等数据信息。

同时保存数据结果。

在进气过滤系统中．至少需要１个Ｉ／Ｏ端13来控制采样泵的工作；在传感器及信号处理单元，经过Ａ／Ｄ转换电路把传感器产生的关于气体浓度的有关信息转化为单片机能识别的数字信号，选择８路输入的ADC0809芯片；在显示模块中，采用KS0713液晶显示器，需要单片机提供３个ＹＯ控制端口；时钟的显示系统采用DS12887芯片与单片机进行通讯。

需要１个中断输入和１个Ｉ／Ｏ控制端口：

由于系统要存储至少500组测试信息，而且AT89S51单片机只有128ＫＢ的ＲＡＭ，我们外扩８Ｋ的外部数据存储器6264：

由于系统可以设定报警的限值和变更时间，则需要５个键盘接口，来控制设置、上升、下降、右移和打印，用到５个Ｉ／Ｏ接口；由于C8051F020单片机接口有限，利用8255A对Ｉ／ｏ接口进行扩展。

2.3主要研究内容

2.3.1红外线浓度分析仪的工作原理

红外线浓度分析仪工作原理是基于不同的气体有选择性的吸收一定波长的红外线这一性质，气体分子对红外线的吸收是由于分子振动和转动引起的，只有在红外线光谱的频率与分子本身的特定频率一致时，这种分子才能吸收红外光谱辐射能。

我国生产的红外线气体分析仪光源采用镍铬丝，供给恒定电流使温度升到700～900℃，发出2～7µm波长内的红外线，对称的双原子气体和单原子气体（如02、H2、心等）不吸收2～7µm波长范围内的红外辐射能；而C02、CO、NH3、H20等在这个波长范围内有很强的吸收带（如C024．25µm、CO4．5µm、NH36．15µm、H202．67µm）。

C02红外线浓度分析仪就是利用C02在2—7µm波段内有强的吸收带性质来工作的。

红外线通过C02气体时，出射光强与入射光强服从朗伯——贝尔定律，

其公式为I=Ioe（-KCL）

（1）

式中：

Io——通过待测组分前的光强度；

I一通过待测组分后的光强度；

K——待测组分的吸收系数；

C——待测组分的浓度；

L——光线通过待测组分的长度（测量气室长度）。

从式

（1）可以看出，K对某种待测组分来说时为常数，当Io和L一定时，I就是C的单值函数。

这样检测出通过气体介质后的光强度也就检测出浓度大小。

从式中看，I随待测组分浓度的增加而以指数规律下降，是非线性关系，对仪表的刻度带来一定的误差。

红外线气体分析仪要做到非线性处理有两种方法；一种是根据待测气体浓度的范围，选择测量气室的长度L，当CL值很小时，透射光强度和浓度C之间进入近似线性区，实现线性。

另一种方法在分析仪的电路部分采用线性校正

网络，使输出和浓度成线性关系。

2.3.2硬件系统设计

硬件电路主要包括：

传感器及信号处理部分、Ａ／Ｄ转换部分、时钟校准输入部分、Ｉ／Ｏ扩展（键盘输入、微型打印输出）、液晶显示系统、声光报警系统以及吸气泵的控制。

2.3.3Ａ／Ｄ及时钟电路设计

采用ADC0809作为Ａ／Ｄ转换器芯片。

系统要对环境的气体质量进行检测并记录，记录信息中各种气体的浓度是一个关键的信息，在记录数据的同时，必须保存有关时间的信息。

以便用户对数据进行分析并采取正确的应对措施。

系统扩展了一片DS12887来为系统提供一个时间基准。

2.4需要解决的关键问题

2.4.1温室内外环境自动测试系统

本设计研究的检测器主要测试温室内二氧化碳浓度、空气温度、湿度等环境参数。

室外温度、湿度则由室外固定的传感器检测。

2.4.2温室内环境自动控制系统

根据环境自动测试系统得到的结果,控制相应执行机构的执行，为作物提供良好的生长环境。

2.4.3通讯接口

用来实现与主机的通讯，将存储的测试数据传送给主机，可以方便的实现集中式管理。

2.5关键器件的选择

2.5.1C8051F020单片机的主要特性

C8051F020器件是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，具有64个数字I/O

引脚。

下面列出了一些主要特性：

（1）高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核（可达25MIPS）。

（2）全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）。

（3）12位100ksps的8通道ADC，带PGA和模拟多路开关。

（4）8位500ksps的ADC，带PGA和8通道模拟多路开关。

（5）两个12位DAC，具有可编程数据更新方式。

（6）64K字节可在系统编程的FLASH存储器。

（7）4352（4096+256）字节的片内RAM。

（8）可寻址64K字节地址空间的外部数据存储器接口。

（9）硬件实现的SPI、SMBus/I2C和两个UART串行接口。

（10）5个通用的16位定时器。

（11）具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列。

（12）片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器。

具有片内VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F020是真正能独立工作的片上系统。

所有模拟和数字外设均可由用户固件使能/禁止和配置。

FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。

片内JTAG调试电路允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。

该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。

在使用JTAG调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。

每个MCU都可在工业温度范围（-45℃到+85℃）内用2.7V-3.6V的电压工作。

端口I/O、/RST和JTAG引脚都容许5V的输入信号电压。

2.5.2红外二氧化碳传感器

本课题所选用的二氧化碳传感器是美国telaire公司生产的，此传感器基于气体对红外光吸收的郎伯--比尔吸收定律，采用国际上最新的电调制红外光源、高灵敏度滤光传感一体化红外传感器、高精度前置放大电路、可拆卸式镀膜气室等，实现不同浓度、气体的高精度连续检测。

其测量精度：

二氧化碳浓度相对误差<2%；检测重复性<1%；测量范围：

二氧化碳浓度0～5%。

表16004的主要参数表

2.6研究的可行性分析

理论

国内北京百万电子科技中心采用国外的先进技术生产的QT2012-RAEGuardIR红外二氧化碳检测仪，主要应用在废水处理¸化工厂¸电厂等工厂。

主要特点：

可微调4-20mA模拟信号输出¸4-20mA输出信号智能控制¸开关量输出可编程¸9-36V工作电压¸LED报警及状态指示和LCD故障显示¸磁性键无干扰标定和参数调节等。

技术

通过对阳光温室蔬菜中的参量及其相互关系的分析研究，采用ATMEL公司生产的C8051F020单片机、美国生产的红外二氧化碳传感器6004、单片机通过ICL7135A/D转换器把从传感器输出的模拟信号转换成数字信号。

显示部分由比较廉价的LED数码管对二氧化碳浓度进行显示。

当二氧化碳浓度低于或者高于期望的范围时，系统会控制自动报警。

基础

在大学里，我系统的学习了单片机技术，PLC技术，数字电子技术，计算机控制技术等等的课程。

在设计的过程中，紧密结合阳光温室的实际情况，综合目前一些先进的测控理念，对单片机技术、传感器技术、电子技术、通信技术、和自动化等专业知识的综合运用。

通过大量文献解读与系统分析、研究、设计，在导师的指导和同学的帮助下，本设计具有极高的可行性。

2.7进度安排

进行调查研究，查阅资料，完成开题报告3月1日～3月18日

初步拟定总体方案3月19日～3月31日

总体方案论证﹑确定，检测器原理设计4月1日～4月15日

主要元件的选择或设计4月16日～4月30日

二氧化碳浓度检测器性能分析5月1日～5月25日

整理﹑打印论文及译文等5月26日～6月20日

毕业设计开题报告

指导教师意见：

指导教师：

年月日

所在系审查意见：

系主任：

年月日