毕业论文----基于单片机的二氧化硫浓度检测系统设计.doc

检测系统设计二氧化硫检测系统设计摘要：随着我国经济的发展，环境污染问题越来越迫切。二氧化硫()作为主要的大气污染物对环境造成严重的危害，因此建立完善的大气环境检测系统是非常必要的。本设计分析了目前有关二氧化硫浓度检测的方法及国内外烟气二氧化硫浓度检测仪的情况，以二氧化硫电化学传感器为基础，研制出一种低成本、多功能的烟气二氧化硫浓度检测仪。本设计详细地给出了传感器的检测原理、检测仪的总体结构、硬件设计、软件的实现及通讯接口的设计，本检测仪在硬件上由气路部分和电路部分组成。系统的硬件电路设计包括二氧化硫浓度检测电路和ad转换器连接电路，以at89c52单片机为控制器。在软件设计部分，探讨了c语言在单片机系统中的应用，并充分利用了c语言丰富的库函数和强大的数据处理能力。关键词：二氧化硫检测,电化学,at89c52,传感器system design of so2 detectionabstract: with the development of economic,environment pollution becomes moreand more serious.one of major pollutants,sulfur dioxide,has done great harmto our environment,so it is more and more necessary to set up an consummatesulfur dioxide detecting sysrem. the methods about measuring the concentration of sulfur dioxide viadetector is presented in this paperspecifically based on the electrochemistrysensor of sulfur dioxide.we have developed a kind of lowcost and high. accuracy detector can detect the concen- tration of thesulfur dioxide in fume. in the hard- -ware,the present detector consists of fume route and cir- cuit.the hardware circuit design of the system includes the circuit of detecting sulfur dioxide concentra-tion and ad convertor circuit, based on at89c 52 singlechip. we have probed into application in the embedded system of c languagein software design, and also have fully utilized the abundant library fun- ctionsand strong data processing ability of c language.keywords: sulfur dioxide detecting;electrochemistry;at89c51;sensor1 绪论众所周知，我国的能源结构以煤为主，s02的排放量相当大，约占全世界排放量的20左右。是一种有害气体，危害人类的呼吸系统殃及植物的生长。而且是形成酸雨的主要原因，酸雨污染河流，破坏生态平衡。为此国家制定了大气污染排放标准和环境质量标准，控制的排放浓度和排放总量。检测是控制排放的一个重要环节，随着单片机和传感器技术的迅速发展，检测仪也趋于便携、灵活。本论文分析了目前有关二氧化硫浓度检测的方法及国内外烟气二氧化硫浓度检测仪的情况，以二氧化硫电化学传感器为基础，研制出一种低成本、便捷的二氧化硫检测仪。本章主要介绍了的来源、危害、各种检测方法以及国内外的检测技术的发展状况。11二氧化硫的来源是大气中数量最大、分布最广、影响人类生命财产最严重的气体污染物之一，故常常以它作为衡量大气污染程度的主要指标。大气中的来源十分广泛，概括来说，主要是天然源和人工源。的天然源主要是指火山和地热活动、生物腐烂过程、土壤风化等过程。在这些天然源中，有的是释放出大量的h2s，进入空气被氧化成；有的是微生物作用过程将硫酸盐还原成有机硫化物，通过大气化学作用再将有机硫化物氧化成。几乎所有排放硫化物的天然源，都是间接排放so2的天然源。全球天然源每年排放量约为1.48亿吨。尽管天然源每年排放的量十分可观，但是由于它地处旷野、浓度低和自然净化作用，所以不会形成大气污染，不会产生酸雨现象，且人工难以控制。的人工源主要是燃料燃烧和工业生产工程。化石燃料燃烧过程是排放的最主要的人工污染源；燃料燃烧系指含硫煤炭和石油的燃烧，大量的煤炭和石油燃烧时，排放出数量可观的、nox及烟尘等；在各种人工排放的污染源中，大部分是由煤炭燃烧排放的。排放的工业生产过程，主要有热电厂、有色冶金工业、钢铁工业、石油炼制工业和包括硫酸工业在内的化学工业等。人工污染源集中分布在城市及工矿区，浓度高，能形成大气污染，是产生酸雨的主要原因，但是人工可以控制。我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，而煤炭燃烧所排放的二氧化硫占二氧化硫总排放量的87%。有数据显示，中国在八十年代到九十年代1初期，二氧化硫排放量占亚洲地区的69%左右；九十年代以后，随着经济的发展，全国煤炭消耗量逐年增加，二氧化硫的排放量相应增加，在1990年我国煤炭的消耗约10.5亿吨，排放的二氧化硫约为1622万吨；1995年，煤炭燃量约为12.8亿吨，由此而产生的二氧化硫约为2370万吨。而在最近几年对大气污染状况进行的调查中发现，二氧化硫污染是逐年加重。在2001年所调查的341个城市中，二氧化硫年平均浓度未达到国家二级标准的城市占19.4%，超过空气质量三级标准的城市占9.7%；在2002年所监测的343个城市中，达到或优于国家空气质量二级标准、达到三级和劣于三级标准的城市各占三分之一，平均浓度未达到国家二级标准的城市占22%，比2001年有所提升。为此，我国还采取了相应的措施以改善空气环境，“十五”期间制定的20项环保指标就是其中之一。但在2006年4月12日召开的国家环保总局新闻通气会中，中国环境规划院副院长邹首民通报了“十五”计划的完成情况，介绍说出现反弹的指标有两项，这两项指标均与二氧化硫有关，且据统计结果显示，2005年中国二氧化硫排放总量达到了2549万吨，比2000年增加了27%，远超过总量控制目标1800万吨，居世界第一。1.2二氧化硫的危害大气中的二氧化硫对人体健康、自然生态、工农业生产、建筑物材料等多方面都会造成危害和破坏。是形成酸雨的根源，酸雨对人类和环境的危害更加广泛和严重。1.2.1对人体的危害对人体的各种系统、器官、组织会产生不利的影响，当大气中的so2浓度达到4 ppm时，就会被闻到；浓度在812 ppm时会引发咳嗽；so2达到20 ppm后，眼睛就流眼泪。由于等的严重污染，在我们社会中引发许多健康问题。仅仅由于二氧化硫和其他污染物质所带来的人类健康问题的保障费用高达几十亿美元，而且大大超过了环境治理中所花的费用，这是不容忽视的。1.2.2对植物和生态的危害二氧化硫还对植物和生态带来严重的危害，植物对二氧化硫也特别敏感，当环境的浓度大于150 ppb的临界浓度时，就会对高等植物产生伤害。植物受二氧化硫危害的程度与气体的浓度和污染延续的时间成正比。二氧化硫主要通过叶面气孔进入植物体内，在细胞中生成或和。如果其浓度和持续时间超过了本身的自解机能，就会破坏植物正常生理机能，是光合作用降低，影响体内物质代谢和酶的活性，从而使叶细胞发生质壁分离、收缩等，导致叶片发黄、枯卷，严重则枯死。1.2.3酸雨的危害当大气中的(还有nox)转换为酸性降水，形成酸雨。它对地理和生态环境有重大影响，这种影响是直接的和潜在性的。会造成土壤的酸化、腐蚀各种建筑物材料。目前中国已有62.3%的城市，二氧化硫的过量排放己成为中国酸雨污染的最主要的原因。天然降水的本底ph值为5.65，一般将ph值小于5.6的降水称为酸雨，形成酸雨的主要物质是二氧化硫和氮氧化物，而我国酸雨以硫酸为主，当二氧化硫经液相氧化或者气相氧化反应生成，被降水洗脱降到地面后形成酸雨。酸雨对水生生态系统、农业生态系统、森林生态系统、建筑物和材料以及人体健康等方面均有危害，并己造成了较大的损失。80年代，中国的酸雨主要发生在西南地区，面积约为170万平方公里，到了90年代，酸雨污染扩展到华中、华南、华东、华北和东北等地区，面积已占全国面积的40%。二氧化硫及其所形成的酸雨已成为制约我国社会经济可持续发展的重要因素之一。因此，对周围环境中二氧化硫进行检测是断定二氧化硫污染程度、进行二氧化硫污染治理的必要工作。大气中二氧化硫的浓度经常以每立方米空气中的二氧化硫含量来表示，可以用质量体积比()或者气态时的体积比()表示。它们之间的换算公式为： (1-1)所以对于二氧化硫，。1.3二氧化硫检测技术概况目前对于二氧化硫()气体浓度的检测，已提出多种定性或定量的监测方法。如人工化学法、电化学法(包括电导法、电量法、极谱法等)、以及光学法(红外吸收法、紫外吸收法、紫外荧光法等)。下面对这些监测方法进行一一介绍。1.3.1人工采样化学二氧化硫测量方法人工采样的化学分析法，主要特点是设备简单、操作方便、易于推广，很受环保部门监测人员的欢迎。采样方法与烟尘采样类似，不需要等速采样，且设备成本和使用费用低廉，但对于该方法来讲，使用仪器、采样时间和流量、吸收液的温度、样品保存和样品个数测量范围都是需要控制的环节，丰富的使用经验时获得准确的测量结果的前提，可有效的减少误差。自20世纪90年代以来，我国各级环境监测部门、环保研究机构等，都对固定污染源排放so2的监测分析方法、监测仪器、监测质量保证措施等进行了研究，是排放总量监测技术得到了长足的发展。的化学监测方法有：碘量法、甲醛缓冲溶液吸收盐酸副玫瑰苯胺分光光度法、过氧化氢/高氯酸钡/钍试剂法、中和法、检气管法。国家环保局推荐，现已广泛使用的有碘量法和甲醛缓冲溶液吸收盐酸副玫瑰苯胺分光光度法。当为1405700 mg/m3的较高浓度时应该用碘量法，碘量法以氨基磺酸铵和硫酸氨的混合液吸收烟气中的so2，用碘标准溶液滴定，按滴定量计算浓度；当为2.5500 mg/m3的较低浓度时应该用甲醛缓冲液吸收盐酸副玫瑰苯胺分光光度法。被甲醛缓冲液吸收后，生成稳定的羟基甲磺酸加成化合物，样品中加入naoh使加成化合物分解，释放出，与盐酸副玫瑰苯胺作用，生成紫外红色化合物，根据颜色深浅，用分光光度法测定。1.3.2电化学法对于气体的浓度测量，在电化学中主要有电导法、电量法、极谱测定法等。1.3.2.1电导法电导法使用酸性过氧化氢溶液吸收气样中的so2，所生成的硫酸与溶液电导率成正比关系。通过测量吸收液前后的电导率变化就可以得知气样中的浓度。这种方法灵敏度高，可连续测量。但易受到其它对电导率有影响的物质h2s、co2、hcl等的影响。另外温度对电导影响较大，离子的电导没有质的特征性，选择性差。1.3.2.2电量法电量法分为电解液电量法和固体电解质电量法。电解液电量法电量测定仪通过将空气试样通入碘化钾电解液中，恒流源连续不断地在阳极上产生碘，随后又在阴极上被还原，这样建立了元素碘的平衡浓度，参比电极没有电流产生，当空气试样中含有时，与碘反应，使碘的含量减少，这样恒流源所供电荷的碘量就不够用了，一部分电流不得不通过参比电极(参比电极的电流强出的最低浓度为0.01 ppm)。此仪器的测量范围在010 ppm，可检出so2的最低浓度为0.01 ppm。这种方法通过测量电流的大小来进行检测，较之通过测量液体试剂的多少的方法容易得多，其最大的优点是使用的试剂(如kbr、ki溶液)稳定，在很长一段时间里不用更换然而这种方法存在着选择性和灵敏度都很差的缺点，试样中含有的其它可被氧化的硫化合物如硫化氢、硫酸及其有机硫化物等都对测量有干扰。固体电解质电量法是应用b-al2o3、nasicon等为固体电解质，或为比电极，含so2空气为待测电极构成敏感浓差电池。利用此电池在适当温度范围内，用不同含量的空气作待电极的情况下，进行了电动势测量。在特定的温度下，电池的电动势与分压的对数成正比，符合能斯特公式。这样就可以得到so2的含量，利用不同的固体电解质和参比电极材料可将实验温度控制在常温范围内，使所设计的传感器应用更加简单方便。1.3.2.3极谱法极谱法很早就用于的测定，它是以测定电解过程中所得到的电流-电位曲线为基础的电化学分析法。该方法与伏安法类似，但两者所用的工作电极不同。当用滴汞为工作电极时，就称为极谱法。二氧化硫的最低检出限为8 ppb(10毫升吸收液，流速5升/分，通入30分钟)。该5方法测量范围较宽，特别适用于有大量二氧化氮存在的情况。1.4国内外研究现状1.4.1国外技术概况及发展趋势在国外，以紫外荧光原理为基础的脉冲荧光法最先使用并标准化。这种检测二氧化硫的方法已成为全球许多国家、世界卫生组织和全球监测系统的标准化方法。目前，生产以紫外荧光原理为基础的大气质量监测仪器的厂家有美国monitor labs inc.公司、te(thermo environmental instumentsinc.)公司等。te公司的model 43s so2分析检测仪，采用基于紫外激发二氧化硫分子产生荧光，光源采用脉冲氙灯(脉冲氙灯的激发能量比较高，脉冲宽度1ms)，光电探测器件是模拟输出的光电倍增管，滤光采用四片镀膜反射滤光镜，空气的过滤是使用毛细管进行过滤。该系统的性能参数：测量范围00.05到100ppm；最低检测限：2ppb/10s、1ppb/60s；运行温度：2030。在2006年yuaka、hiroyuki等人采用激光诱导荧光(lif)方法，用nd:yag作为激光泵浦，研制出了一款高精度的大气二氧化硫浓度检测仪。最低检出限可达到5 ppt/60s，信噪比s/n=2。1.4.2国内技术概况及发展趋势目前我国除少数大城市采用二氧化硫自动监测外，大多数城市上采用人工化学分析法，手段十分落后。其原因就是进口的二氧化硫监测仪器价格昂贵，经济上无法承受。若能由国产化的二氧化硫自动监测仪器，大幅度降低价格，将是我国环境保护发展和城市考核工作的迫切需要，也是我国环保监测战线的热切期望。在国内，陈九江等2000年报道利用气体的紫外吸收，建立双光路测量二氧化硫的数学模型，获得小于50 ppm的测量数据。华南师范大学的熊建文、杨初平、饶明辉等人，在单波长二氧化硫紫外荧光检测理论上，研究了二氧化硫紫外荧光检测理论。证明了一定浓度范围内，紫外激发有利于提高检测灵敏度，且二氧化硫荧光强度与样品浓度也成线性关系，并在048000 ppb范围内证明了这一点。1.5论文研究的目的与意义随着我国经济的发展，环境污染问题越来越迫切，很多城市空气中二氧化硫的浓度都己超过国家标准，因此除了有必要对我们生活的空气环境进行实时的检测空气中二氧化硫浓度外，还要控制二氧化硫污染源排放量，而要控制污染源的排放量则首先要掌握污染源的各项参数资料，以便针对不同情况采取不同处理方法控制其排放量，所以污染源检测是必不可少的。这不管对个人，还是对国家、全球都具有非常重要的意义。因此建立完善的大气环境检测系统特别是污染检测系统是非常必要的。2 二氧化硫浓度检测的原理本章主要介绍电化学气体传感器的检测原理与相应的信号电路设计。21电化学气体传感器检测原理电化学气体传感器是利用电解池原理，将空气中某种化学气体通过氧化或还原反应将浓度转化为电信号，通过检测电信号的大小得到相应气体的浓度，常用于测量二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物等气体浓度。在本课题中，我们选用英国citytechnology公司生产的3sfciticel电化学传感器来检测的浓度，该传感器是三电极的电化学传感器。2.1.1 3sf citicel传感器3sf citicel传感器是一种新型的定电位电解化学气体传感器，它基于伽伐尼电池基本原理【121，具有体积较小、重量轻、线性度好、性能稳定等特点。它由浸没在液体电解液中的三个电极构成，其结构如图2-l所示图2-1传感器结构示意图 图2-2传感器外形图3sf citicel传感器由三个电极构成，三个电极分别为：t作电极(sensing electrode)、参比电极(reference electrode)、对电极(counterelectrode)city technology公司的电化学毒气传感器(包括3sf citicel传感器)是微燃料元件，不必保养而可以保持长期的稳定性。传感器设计的重点是气体扩散通过障(capillary diflusionbarrier)，它限制了气体迸入工作电极。电极能对到达它表面的所有目标气体进行反应，并且仍然有储备的电化学活动。这种高活动储备保证citicel产品的长使用寿命和温度稳定性。在设计任何电化学气体传感器时，很重要的一点是，通过气体扩散通过障碍限制速率，而其它各阶段速率应该有显著的增加。所以，为保证传感器电化学反应的速度，必须使用具有高催化作用的电极材料。所有citieel产品具有高度活跃电极，并且给传感器非常高的能量储备，这就保证了传感器的长期稳定性。212 3sf oitioel传感器的技术说明3sf citieel传感器的外形如图22所示,3sf citicel传感器是专门的烟道气体监测用的传感器，它的相关技术参数如下：正常监测范围：0-2000ppm最大过载浓度：5000ppm使用寿命：空气中2年输出信号：0.100.02appm精度：lppm温度范围：-2050压力范围：空气压力10响应时间(t90)：30秒相对湿度范围：15to 90非结露标准基线范围(纯空气中)：相当于02ppm最大的零点移动(+20 to+40)：相当于5ppm长时间的输出漂移：2信号失真月建议的负载电阻：lo欧姆偏置电压：不需要可重复性：信号的1输出线性度：线性为了使传感器处于“准备工作”的状态，3sfcitieel传感器供货时，在工作电极与参比电极之间有一短连接(用一导线直接连接起来)。传感器在储藏过程中必须保留此短连接，而且只有当准备使用传感器的时候，才能去掉这个短连接。在仪器不供电时，如果工作电极和参比电极不再短连接，一旦再次使用，传感器就需要很长的一段“启动时间”。在传感器电路设计中，可以通过一个结型场效应管来实现短连接和断开的功能(继电器功og)，当电路不供电时，这个结型场效应管可以保持工作电极和参比电极短路。为使传感器正确的工作，3sf citicel传感器的对电极和参比电极需要很少量的氧气供应。这些氧气经常是由采样来的气流供应的，通过空气扩散到传感器的前端，或者通过传感器的周围和后端扩散到传感器的前端(通常几千ppm的氧气就足够了)。如果传感器没有后端氧气供应通路，持续暴露在厌氧性的采样气体中，则传感器就会失灵。3sf citiecl传感器一定不能被完全地放入到树脂中或整个地浸入到厌氧性的气体混合物中。最初校准和再校准的时间间隔长短取决于许多因素，通常包括传感器的使用温度、湿度、压力，被暴露于何种气体，及被暴露于气体的时间长短。但3sfciticel传感器能在较长时间内提供非常稳定的信号，使用3sfciticel传感器只需要定期校准，如每年一次。如对传感器使用要求极高或用于安全应用，则校准工作可能相对频繁些。3sfciticel传感器只能断续监测目标气体，一般不适合连续监测用，特别是涉及到高气体浓度、高湿度或高温度时。为达到连续监测的目的，可以用两个(甚至三个)传感器循环使用的方法，使得各个传感器最多只在半数时间内暴露于气体中，另一半时问则可在新鲜空气里得到恢复，当然也可以通过其它方法解决。以上是传感器设计的原理和使用时需要注意的一些问题，在检测仪的设计中充分考虑了这些，为研制出可靠、稳定的仪器提供了保证。213 3sf ctjcel传感器的检测原理本仪器测的分为两部分，一部分是冷却后通过管道到达sg传感器的测得气体，这部分气体可由sg传感器直接测得；另一部分是冷却除水时，溶在水中的一部分气体，该部分气体要用间接的方法测得，即先测冷却后凝结水的量，然后根据在当前温度下的溶解度，算出溶在水中的气体的量主要部分还是sg传感器测出的ts02气体而溶在水中的部分相对要少得多，在应用中甚至可以忽略不计，所以本文主要介绍如何利用sg传感器检测气体含量sg传感器采用的是电化学传感器，该传感器的工作原理是，在电解质装置中放置三个电极，工作电极，对应电极和参考电极工作电极是由将具有催化活性金属的高纯度粉末，例如铂，涂复在透气憎水膜上形成传感器在氧化还原反应中，流出或流向工作电极的电流与被检测气体的浓度值成正比传感器在在工作电极和对应电极之间加一定的电压，在被测气体扩散通过传感器的渗透膜，进入电解槽后，在工作电极和对应电极之间发生氧化还原反应：工作电极为：对应电极为：所以，其总反应为： 。反应中有电流流动，电流的大小由气体的扩散决定，由菲克斯扩散定律碰缀出极限扩散电流与气体浓度的关系为：其中：极限扩散电流； ：电子转移数；：法拉第常数； ：气体扩散面积；：气体扩散系数； ：气体扩散层厚度；：被测气体浓度在一定工作条件下、均为常数。则可令： 于是有：即极限扩散电流与被测气体浓度之间成正比因此，通过被测气体电解时所产生的电流可推知被测气体的体积分数和质量浓度sg三电极传感器用的是无偏操作的外接电路，气体在工作电极发生氧化反应的，该电路输出为正对于在工作电极发生还原反应的气体输出为负三电极设计的最大优点在于催化了电化学反应较弱气体的氧化还原反应22微弱信号放大电路此仪器中传感器信号的放大是一个关键部分，我们选用的传感器3sf citicel测量范围是02 000 ppm，线性输出，输出信号是电流信号，传感器3sf citicel输出的信号范围是0-02 na，传感器的输出信号很微弱，在送入ad转换器之前要先经过放大，下面给出了放大电路的电路图如图2-3所示。图2-3 信号放大电路图中阻值选用10q放大器icl要求输入失调电流较低或为零失调放大器ic2起到了一个电流转换为电压的作用，对输入失调电流指标要求不高微弱信号的精确放大要求放大器具较高增益基于以上指标要求，我们选用op07单片放大器op07放大器具有低失调电压、低失调电流、低漂移、高输入阻抗、高开环增益、高共模抑制比等特性，很适合我们放大电路的要求，具体指标如下：输入失调电压：typ10 输入失调电流温漂：02 失调电压长期稳定性：o2 月 低噪音： 0.35电源电压范围： 3-18 输出电压范围：+14经放大器ic2放大输出的信号，直接送人ad转换器，由单片机对信号进行处理，计算出相应的s02含量。 3 检测仪硬件部分的设计与实现3.1监测仪系统结构该仪器总的系统结构如图3-1所示，烟道取样口采样，从烟道口采样来的烟气中含有大量的烟尘和水蒸气，所以不能直接用于气体检测必须先烟尘过滤，然后降温到要求温度下冷凝除水，除水后的气体再升温，达到传感器要求的相对湿度(15一90)后，流经传感器，电路的前置放大器将传感器的微弱信号放大后，经maxl97多量程ad转换器转换后送人at89c51单片机处理，并由单片机控制利用rs485总线送入上位机显示记录保存处理。采样气体烟尘过滤降温除水升温到非结露 传感器 前 置放大器max197at89c51单片机显示温度传感器温度传感器 图3-1 监测仪系统结构32检测电路设计我们要测量s02的浓度，必须要满足3sf citicel传感器需要的测量条件，气体的湿度、温度、压力的要求。而这些都需要相应的传感器或其它可行的方法来满足，在这一节中，我们就去讨论相关的设计。并且在下一节中，分析了有关单片机系统的设计。321温度的测量ad590温度传感器是一种电流型两端感温集成温度传感器1241，其输出电流与温度成线性