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1、基于红外发光二极管的有害气体检测系统设计The Design on Noxious Gas DetectingSystem Based on Mid-Inrfared LED 摘 要本课题所研究的基于中红外发光二极管(MIR一LED)的有害气体检测系统有助于寻求一种可在线实时检测有害气体的新方法。该方法对提高有害气体的检测效率、降低仪器成本，改善城市大气和室内空气环境以及提高一些行业的生产安全具有重要的现实意义。本课题在研究了中红外发光二极管最新成果的基础上，结合单片机技术设计并开发了整个系统。文章首先阐述了仪器的整体结构;其次详细说明了各部分的设计思路，着重说明了中红外发光二极管作为红外光源
2、的优势;然后以电路原理图给出了系统的硬件实现;最后给出了部分软件程序代码。整个系统按照功能划分为三个模块：单色红外光发射系统；数据采集系统；单片机控制系统。单色光发射系统包括中红外发光二极管阵列及其驱动电路。数据采集系统包括红外探测器及其偏置电路、信号放大电路及模/数转换电路单片机控制电路包括逻辑控制电路及键盘、显示电路等。关键词：有害气体；红外光谱；中红外发光二极管；单片机AbstractWe proposed and discussed in this paper a new noxious air detecting system based onMIR-LED.We can use t
3、he new system to realize an on line real time detection method.Through that method we can boost the detection efficiency，lower the making cost and ameliorate air qualiy in ubran area and in our homesThis paper begins with the entire device sturcutre.Then we explain our designing thought for every mo
4、dules of the system.Much emphasis is put on the reason why weutilize MIR-LED as the infrared light source.Next we designed the circuit diagram ofhardware part and finally implement the software programming.The entire system can be divided into three modules in temrs of functionaliyt:mono infrared em
5、ission systemdata collecting systemControl system Mono inrfare demission system consists of MIR-LED array and corresponding driver circuit. Data collecting system consists of Photoelectricity detector and its bias set circuit，signal amplifier circuit and A/D convter circuit .Control system consists
6、of logical control circuit and keyboard,display circuit and so on.Key Words: Noxious has; Infrared spectrum; MIR-LED; MCU.目 录1 绪论11.1课题的提出11.2课题的研究方法1 1.2.1光谱分析技术及仪器概述1 1.2.2气体检测的红外光谱法2 1.2.3本课题的研究方法22系统的整体结构32.1 红外光发射系统42.1.1以MI-RLED作为单色光源42.1.2驱动电路52.2红外光接收系统62.2.1用光电导探测器进行光电转换62.2.2偏置电路63 控制系统83.
7、1分频电路83.2脉冲调制电路93.3单片机控制及其接口103.3.1 AT89C52的部分资源103.3.2键盘接口133.3.3液晶显示接口144 数据采集系统164.1直流信号放大电路174.2模/数转换芯片AD7896194.3 电路连接与控制程序22结 论23参考文献24致 谢261 绪论1.1课题的提出随着工业化水平的提高, 现代社会给人们提供了多种便利, 同时也带来了一些公害。环境污染和生态破坏已经在一定程度上严重制约了经济的发展并危害到人类的健康安全，其中由于空气污染所造成的经济损失和人群发病率的升高都十分惊人。空气污染在这里是一个广义的概念，它既指通常意义上的大气污染，也指室
8、内空气的污染，同时也指某些特定生产行业如采煤、冶炼等的空气环境的高危险性。不论是何种情形，其成因都是由于空气中有害气体的含量超过甚至大大超过其最小容许浓度所致。有害气体泛指对人体健康或生命安全构成威胁的各种气体，比如能使人中毒的有毒气体、无毒但会使人窒息的气体、可引发爆炸或易燃的气体以及那些破坏生态危及人类生存环境的气体如温室气体等。这其中很多种类的有害气体能够以不同途径从不同源头释出，在不同环境下的危害也不尽相同，例如大气污染，瓦斯爆炸引起的灾害事故，工业气体污染等。控制大气中有害气体的排放、在诸如矿井这样的生产环境中进行安全预警都是势在必行的，而这些都要求人们有一行之有效的方法和仪器来监测
9、空气中有害气体的含量。1.2 课题的研究方法 1.2.1光谱分析技术及仪器概述近百年来，光谱技术作为理化分析和检测手段已经发展成熟。从真空紫外到远红外都已经建立起完整的光谱定性、定量分析方法及整套光谱图谱。光谱分析测试技术和光谱仪器的传统应用领域是物理、化学、天文观测等科学研究领域，以及矿产资源勘测、工业产品质量分析等物质生产领域。以红外光谱分析检测技术为基础的红外气体分析仪是一种非常重要的在线分析仪器，这类仪器的缺点是需要附加复杂的样品预处理装置，仪器成本比较高，灵活性差。因此开发一种价格低廉、使用方便的有害气体检测方法具有重要的现实意义1.2.2气体检测的红外光谱法1光的吸收定律光的吸收定
10、律是研究光吸收内在规律的基本定律，也是作为吸收光谱定量分析的理论依据。早在1729年和1768年分别由布给(Buoguer)和朗伯(Lambert)提出了光的吸收与吸收介质厚度之间的关系，被称为朗伯定律。1852年比尔(Beer)又提出了光的吸收与吸收介质浓度之间的关系，被称为比尔定律。这两条定律合并成为朗伯一比尔定律或称为光的吸收定律。朗伯定律表明:如果一束单色光照射在均匀介质上，当介质中吸光物质的浓度固定时，则均匀介质对光吸收的程度与均匀介质的厚度成正比。比尔定律表明:如果一束单色光照射在均匀介质时，当均匀介质的厚度固定，则均匀介质对光的吸收程度与介质中吸光物质的浓度成正比。2空气中有害气
11、体的定量检测根据光波的波长范围分成不同类型的光谱，它们各自反映出物质的不同类型的运动形式。红外光谱研究的内容涉及的是分子运动，因此称之为分子光谱。通常红外光谱系指0.78一25um之间的吸收光谱，这段波长范围反映出分子中原子间的振动和变角运动。红外光谱定量分析的基础是朗伯L(ambe)rt一比尔B(ee)r定律。光源发射的单色红外光被待测有害气体直接吸收，因此通过直接测定吸光度就可以得到有害气体的浓度，并不需要进行复杂的样气采集、样气预处理等准备阶段，大大简化了检测方法同时也提高了检测精度。1.2.3本课题的研究方法目前应用于气体检测的大多是不分光的气体分析仪，该类仪器一般都需要对待侧气体进行
12、预处理，具有灵活性差、速度慢等缺点。本课题所研究的基于中红外发光二极管(MIR一LED)的有害气体检测系统有助于寻求一种可在线实时检测有害气体的新方法。该方法对提高有害气体的检测效率、降低仪器成本，改善城市大气和室内空气环境以及提高一些行业的生产安全具有重要的现实意义。本课题所设计的有害气体检测系统是以光的吸收定律为理论基础，通过测定有害气体对红外光的吸收度来计算被测气体浓度的实时分析仪器。单色光源所采用的中红外发光二极管是一种非常适合进行气体分析检测的红外光源，新的技术工艺保证了在中红外区既能获得很好的单色性又能得到较大的发射功率。新型的锑化锢(nIbs)红外探测器除了具有很宽的光谱范围(2
13、一u7m)，还具有很快的响应速度(时间常数lus)，其很高的探测灵敏度保证了检测的精度。通过研究几种主要有害气体在中红外区的吸收峰位置，例如:甲烷一3.35微米，一氧化碳一4.65微米，甲醛一3.5微米，一氧化氮一5.25微米。系统选取了一组中红外二极管作为红外光源，整个硬件电路围绕着红外光源与单片机进行设计。外部独立脉冲既驱动发光二极管的电流源也作为系统各功能模块的同步时钟。为了取得光电转换后微弱信号的准确值，设计了直流信号放大电路。单片机控制的A/D转换电路实现数据的自动采集，液晶显示屏幕实时反映系统状态以及测量结果。系统软件采用模块化设计，不但易于调试维护还可满足系统的功能升级。2 系统
14、的整体结构系统的设计目的是为了实现对有害气体浓度的在线检测，整个系统按功能划分为：单色红外光发射系统；数据采集系统；单片机控制系统三大部分。单色光发射系统包括中红外发光二极管阵列及驱动电路。数据采集系统包括红外探测器及其偏置电路、信号放大电路及模/数转换电路。单片机控制电路包括逻辑控制电路及键盘、显示电路等。整个系统尽管按照功能划分为几个模块，但在外部时钟及单片机控制下步调统一地工作，实现了有害气体的实时测量。 图2-1 系统整体框图2.1 红外光发射系统对照几种主要有害气外光体的红谱，可以看到在中红外区大多数气体都具有特征吸收峰，因此选择了峰值发射波长从2.9um到5.4um的一组大功率中红
15、外LED作为红外光源。所选的MIR一LED具有功率大，单色性好的特点。以其中LED31(峰值波长为3.1um，发光范围3.0一3.2um)为例，采用脉冲驱动可以施加很大的电流，因而可以获得比直流或方波驱动大得多的发射功率。当驱动脉冲电流为1A时LED31平均发射功率为0.2mw。一组LED在脉冲电流驱动下轮流工作，结果是几种不同波长的红外光依次从光源处射出。2.1.1以MIR-LED作为单色光源传统的红外气体分析仪由旋转的斩光盘调制宽频带的红外光源(通常为白炽灯丝)。光盘可以支承一个或多个限制光源波长的光学带通滤光器，输出为接近单色光的脉冲。最新研制的中红外发光二极管(MIR一LED)在作为红外光源方面显示出极好的优越性:具有很窄的光学带宽、可用电的方法进行强度调制。制作期间，通过适当地满足LED成分要求，发射带可调谐到气体吸收波长。因此。红外LED能够代替热源、窄带滤光器及传统检测器的斩光装置，得到的是一个小型固态低功率仪器。适用于中红外(-220um)LED的材料主要是III-V族半导体化合物以及它们组成的三元和四元固溶体。一些II-VI族半导体也用，选用时首先考虑其带隙宽度Eg，其次应能制成高电导率P型和N型晶体，且应尽量减少晶体缺陷，否则
