烟气净化与自动检测系统的设计

1毕业论文（设计）题目：烟气净化与自动检测系统的设计系别：专业：班级：姓名：指导教师：2摘要介绍了一种基于气体传感器阵列的室内空气品质监控系统。该系统应用半导体气体传感器阵列,可以对室内主要的有害气体得到连续的响应输出,输出信号由微处理器根据一定算法处理后,得到一个连续、可比较、可标定的室内空气品质综合指数,并可以对综合指数或某一有害气体的超标做出反应,控制换气扇等外部设备改善室内空气状况,声光报警提醒室内人员注意采取相应措施等。该系统能实时有效地监控室内空气品质,有利于提高生活质量和改善健康状况。关键词:气体传感器阵列;半导体气体传感器;室内空气品质;综合指数;监控3目录1引言..................................................52.室内空气品质..........................................63.系统构成..............................................74.传感器................................................94.1传感器的定义......................................94.2传感器的分类......................................94.2.1按工作原理..................................94.2.2按其用途...................................104.2.3按其制造工艺...............................115.气体传感器...........................................135.1气体传感器定义...................................135.2有毒和可燃性气体检测.............................135.3燃烧控制.....................................135.4食品和饮料加工...................................135.5医疗诊断.........................................146.金属半导体气体传感器阵列.............................156.1GGS3000系列气体传感器........................156.2气体传感器阵列数学建模...........................176.3室内空气品质综合指数.............................176.4实验结果.........................................187.红外传感器的CO2气体检测.............................2147.1检测电路的工作原理..............................217.1.1红外吸收型二氧化碳气体传感器的工作原理........217.2检测电路的设计原理..............................227.3检测电路的设计..................................237.4检测处理程序流程框图............................248.空气的净化..........................................268.1自然通风控制方法................................268.2化学控制方法....................................268.3生物控制方法....................................268.4空气净化........................................26参考文献...............................................28致谢...................................................2951.引言随着人民生活水平的提高和对环境问题及健康问题的日益重视,室内空气品质状况受到越来越多的关注。室内空气品质的测量与评估,传统上采用分析化学方法和光谱分析方法。分析化学的方法一般需要在测量现场采集样气,带回实验室进行化学分析得到结果,而光谱分析需要专门的光谱仪,设备昂贵,操作复杂,不便携带,而且采样分析速度慢,无法实现实时的空气品质测量。为了克服以上缺点,提出了一种基于气体传感器阵列室内空气品质监控系统的设计与实现。该系统简单、高效、成本低,能实时有效地监控室内空气品质,有利于提高生活质量和改善健康状况,适合家庭和办公室应用。2.室内空气品质室内空气品质是20世纪80年代末在环境科学、卫生学、暖通空调等学科基础上发展起来的一个科学分支,在90年代以来得到了广泛的重视与研究[1]。在美国采暖,制冷与空调工程师学会ASHRAE(AmericanSocietyofHeatingRefrigeratingandAirconditioningEngineers)标准6221989R中,首次提出了可接受的室内空气品质(acceptableindoorairquality)和感受到的可接受的室内空气品质(ac2ceptableperceivedindoorairquality)等概念。其中可接受的室内空气品质定义如下:空调房间中绝大多数人没有对室内空气表示不满意,并且空气中没有已知的污染物达到了可能对人体健康产生严重威胁的浓度;感受到的可接受的室内空气品质定义如下:空调房间中绝大多数人没有因为气味或刺激性而表示不满,6但是由于有些气体,如Rn、CO等没有气味,对人也没有刺激作用,不会被人感受到,却对人危害很大,因而仅用感受到的室内空气品质是不够的,必须同时引入可接受的室内空气品质[2]。因此,空气品质的评价实际上是人为感受与客观有害污染物浓度的综合评价[3]。3.系统构成室内空气品质受到多方面的影响和污染,从其性质来讲,可分三大类:第一大类是化学的,主要来自房屋装修、家具、玩具、煤气热水器、杀虫喷雾剂、化妆品、吸烟、厨房的油烟等等,其成分主要是挥发性的有机物如甲醛、甲苯、二甲苯、醋酸乙酯、甲苯二异氰酸酯等等和无机化合物如NH3,CO,CO2等;第二大类是物理的,包括不适当的温度、湿度环境、悬浮颗粒(灰尘)、烟雾、核辐射、电磁辐射等等;第三大类是生物的,主要来自使用地毯不当,毛绒玩具、被褥等,主要有螨虫及其它细菌等[4]。本系统主要针对第一类和第二类室内空气污染进行检测。系统应用半导体气体传感器阵列,可以对室内主要的有害气体得到连续的响应输出,输出信号由微处理器根据一定算法处理后,得到一个连续、可比较、可标定的室内空气品质综合指数,并可以对综合指数或某一有害气体的超标做出反应,控制换气扇等外部设备改善室内空气状况,声光报警提醒室内人员注意采取相应措施等。系统由气体传感器阵列、温湿度传感器、信号调理电路、A/D转换器、微控制器(MCU)、LED数码显示器、RS2232接口、声光报警与控制接口、执行器(如换气扇)等构成,系统原理框图如图1所示7图1室内空气品质监控系统原理示意图1气体传感器阵列2.温湿度传感器3.信号调理4.A/D转换5.微控制器MCU6.升官报警与控制接口7.受控电器（换气扇）8.LED数码显示9.RS-232接口10.计算机气体传感器阵列与温湿度传感器采集室内空气信息,由信号调理电路处理后经A/D转换送入微控制器进行处理。在满足程序设定的条件时,采取相应的控制措施(如开启换气扇)及声光报警,直接控制改善或提醒人员采取改善措施。4.传感器4.1传感器的定义传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他装置或器官。国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，8并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。4.2传感器的分类可以用不同的观点对传感器进行分类：它们的转换原理(传感器工作的基本物理或化学效应)；它们的用途；它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。4.2.1按工作原理可分为物理传感器和化学传感器二大类：传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。有些传感器既不能划分到物理类，也不能划分为化学类。大多数传感器是以物理原理为基础运作的。化学传感器技术问题较多，例如可靠性问题，规模生产的可能性，价格问题等，解决了这类难题，化学传感器的应用将会有巨大增长。常见传感器的应用领域和工作原理4.2.2按其用途，传感器可分类为：压力敏和力敏传感器位置传感器液面传感器能耗传感器9速度传感器热敏传感器加速度传感器射线辐射传感器振动传感器湿敏传感器磁敏传感器气敏传感器真空度传感器生物传感器等。以其输出信号为标准可将传感器分为：模拟传感器——将被测量的非电学量转换成模拟电信号。数字传感器——将被测量的非电学量转换成数字输出信号(包括直接和间接转换)。膺数字传感器——将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出(包括直接或间接转换)。开关传感器——当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。在外界因素的作用下，所有材料都会作出相应的、具有特征性的反应。它们中的那些对外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，被用来制作传感器的敏感元件。从所应用的材料观点出发可将传感器分成下列几类：(1)按照其所用材料的类别分：金属聚合物陶瓷混合物(2)按材料的物理性质分：导体绝缘体半导体磁性材料(3)按材料的晶体结构分：单晶多晶非晶材料与采用新材料紧密相关的传感器开发工作，可以归纳为下述三个方向10(1)在已知的材料中探索新的现象、效应和反应，然后使它们能在传感器技术中得到实际使用。(2)探索新的材料，应用那些已知的现象、效应和反应来改进传感器技术。(3)在研究新型材料的基础上探索新现象、新效应和反应，并在传感器技术中加以具体实施。现代传感器制造业的进展取决于用于传感器技术的新材料和敏感元件的开发强度。传感器开发的基本趋势是和半导体以及介质材料的应用密切关联的。表1.2中给出了一些可用于传感器技术的、能够转换能量形式的材料。4.2.3按其制造工艺，可以将传感器区分为：集成传感器薄膜传感器厚膜传感器陶瓷传感器集成传感器是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的。通常还将用于初步处理被测信号的部分电路也集成在同一芯片上。薄膜传感器则是通过沉积在介质衬底(基板)上的，相应敏感材料的薄膜形成的。使用混合工艺时，同样可将部分电路制造在此基板上。厚膜传感器是利用相应材料的浆料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是Al2O3制成的，然后进行热处理，使厚膜成形。陶瓷传感器采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺(溶胶-凝胶等)生产。11完成适当的预备性操作之后，已成形的元件在高温中进行烧结。厚膜和陶瓷传感器这二种工艺之间有许多共同特性，在某些方面，可以认为厚膜工艺是陶瓷工艺的一种变型。每种工艺技术都有自己的优点和不足。由于研究、开发