1、2023届毕业生毕业设计说明书题 目: 用于气调粮库的气体检测仪设计 院系名称： 专业班级： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 教师职称： 教 授 2023 年 月 日I目录1 概述11.1国内外开展状况11.2课题研究的意义22系统总体方案32.1方案选择32.1.1传感器的选择32.1.2单片机的选择32.2系统结构框图与工作原理43系统各单元硬件设计说明53.1传感器介绍及放大电路53.1.1二氧化碳传感器53.1.2氧气传感器73.1.3磷化氢传感器93.2数据处理93.2.1引脚介绍103.2.2时钟电路103.2.3复位电路113.3光报警电路113.4液晶显示电路124总体软件设
2、计144.1系统总体流程设计14结论19致谢20参考文献21附录 A22附录程序B231 概述1.1国内外开展状况20世界初期，人类开始学会使用化学药剂来针对储藏粮食的杀虫处理。这种方法大局部采用了磷化氢、氯化苦和溴甲烷等药剂应用在储粮杀虫上，在储藏粮食的应用领域得到了很好的推广，是人类进步的文明史。随着人类文明的进步，在102年后，因为磷化氢的长期使用导致很多害虫都产生了免疫，因此这种药剂对害虫没有了效果。随着药剂的失效，全国各地的害虫数量和种类都无法得到有效的控制，而且在一些开展中国家他们由于技术有限在储粮时过分的依赖于化学药剂，导致药剂根本上已经对害虫无影响的状态，因此对于粮食的储藏造成
3、了严重的破坏，同时给人类敲响了警钟。针对多年来的杀虫历史，传统的方法只要采用了化学药品进行除虫。但是针对这种做法我们可以想到虽然对于害虫来说得到了暂时的遏制，但是随之渐渐地也会产生很多问题。比方在我们的食用粮食中残留的药剂和我们的生活环境遭到了严重的破坏，而且历经岁月的洗礼害虫也渐渐地产生了抗药性。科技的不断开展和进步，改变了很多我们的日常习惯，因此对于食品的安全问题也逐渐的受到了更多人的重视。基于这种状况世界粮农组织要求各成员国在二十一世纪逐步减少直至全部禁止在粮食储藏过程中使用化学药剂，提倡开展绿色储粮，减少化学药剂对储粮和环境的污染，以到达最大限度保持粮食品质、满足广阔消费者对绿色食品日
4、益增长需要的目的。针对传统的化学药剂对杀虫具有局限性，很多科学家逐渐的意识到了这个问题。因此后来我们逐渐的寻找新的方法替换这种方式，运用气调、低温、物理以及生物综合防治等方面进行科研。氮气逐渐成为了大企业储粮的主要模式，随之被广泛的运用在储粮杀虫的方向。氮气拥有着化学和物理的特性，而且它的原子量在14，平时常规情况下以气体的形式存在而且在地球上非常的广泛，储藏量也很大。对人体没有害处而且无毒无害的一种气体，在日常的情况下很稳定不与其他的气体发生反响，是绿色环保的不二人选。针对这种用之不尽的资源，对杀虫起到了重要的意义。在06年，中储粮针对氮气这一项目展开了深入的研究，通过坚持不懈的实践，技术任
5、务克服了种种难关，最终在氮气来源以及粮堆氧气置换、仓房气密性改造和气体检测以及阻碍氮气调储粮等方面得到了重大的突破性进步，在世界储粮方面的研究中取得了领先的开展以及推广应用。随着第8届国际储藏气调与熏蒸大学的召开，中储粮公司由于在充氮气调方面的进步开展得到了大会的表彰，此时来自广西的科技代表发表了一篇针对充氮气调方面的研究报告。此报告针对氮气储粮技术的杀虫结果得到了更加的肯定，同时各国开始逐渐的关注我国储粮杀虫技术的开展。随着环境不断地恶劣开展，我们更加需要的是绿色产业的开展，这项技术对世界储粮都起到了历史性的转折。1.2课题研究的意义 通过针对粮堆里害虫的呼吸作用以及人工改变密闭粮堆中的气体
6、成分最终到达去除害虫的成效。在粮堆中我们可以去充纯度比拟搞得氮气或者二氧化碳以便改变粮堆中氮气、氧气和二氧化碳其中的比例，由此这样可以导致害虫的死亡。这一项目不仅可以到达除虫的效果同时也可以保证粮食的呼吸作用，可以更加优质的保证粮食的高品质。充氮气调储粮就是通过人为调节粮仓储藏环境中氮气、 氧气气体成分的比例, 使粮仓内氮气浓度上升至 95 % 98 % , 氧气浓度下降为 2 % 5 % , 在这种气体环境中长期储藏的粮食可有效地保持其新鲜度, 延缓储粮品质劣变, 抑制储粮害虫和微生物的生长繁殖, 减少储粮损失, 是一项无公害、 无污染的绿色储粮新技术。而由于高浓度氮气是充氮气调储量的根本原
7、理，所以就必须保持粮库内高浓度的氮气，因此我们就需要知道粮库内的氮气是否为能到达要求的高浓度，这就需要我们来设计一个可以得出氮气浓度的仪器。而由于氮气是惰性气体，直接测氮气的浓度比拟困难，由于大气中的空气组成成分可以看成是由氮气、二氧化碳、氧气三种气体组成，所以可以先测得的氧气与二氧化碳的浓度从而间接得出氮气的浓度，控制氮气浓度，从而保证气调粮库的正常运行。 本文设计了气调粮库中对二氧化碳、氧气、PH3等三种气体浓度进行实时数据采集和处理，并能够实时显示现场气体浓度，且在浓度超标时报警的便携式气体检测报警系统。当需要对气调粮库内的气体进行检测时，用气体采样泵将粮库内气体抽取出来送入气体检测系统
8、进行检测。整个检测系统由电化学传感器电路、模拟信号放大电路、STC12C5A08S2单片机、液晶显示模块、指示报警模块、电源模块组成。该系统的工作原理为通过气体传感器对气调粮库中气体浓度的检测从而转换成相应的电信号，将所需的模拟信号采集放大后传送给STC12C5A08S2单片机的A/D转换模块，将经过模数转换后的数字信号传送至主机进行处理，判断是否需要报警，以保证气调粮库的正常运转。2系统总体方案2.1方案选择 本设计要求设计一个用于气调粮库的气体检测系统，可以实时检测气调粮库内的气体并将浓度显示在显示屏上，一旦所检测气体浓度超过容许范围，闪光报警器闪光报警。通过气体传感器对粮库内气体浓度检测
9、并转换成相应的电信号，并通过A/D转换将电信号转换为数字信号，单片机处理转换后的数字量做出反响，判断气体是否超标，超标那么报警器反响，处于容许范围保持正常状态。2.1.1传感器的选择 要完成一个气体检测仪器的设计，传感器的选择是首先要考虑的重要事情，能否正确且精准的完成测量目的，跟能否合理的选择一个正确的传感器有着至关重要的联系。现代传感器种类繁多，不同的传感器工作原理与结构相去甚远。要选择一个传感器首要要决定要用什么原理的传感器，因为即使测一个同样的物理量，也有不同气敏特性的传感器可供选择，而它们的工作原理也各不相同。这就需要根据工作环境、使用方式和测量范围等需求来选择。选定好传感器的工作原
10、理后还要根据所测气体的浓度范围确定传感器的灵敏度。传感器的灵敏度越高，输出信号越大，但并不是说所选择的传感器灵敏度越高越好。这还要考虑外部无关因素的影响，选择合理灵敏度的传感器。选择传感器还要考虑精度，它关系到所设计仪器的精度问题，但由于精度越高价格越贵，因此所选择传感器的精度要根据所测气体浓度范围来确定只需要满足设计要求的精度就可以。本设计要求实现对磷化氢、二氧化碳、氧气三种气体的定性和定量分析，首先最重要的工作是选择适宜的传感器，通过对性能、可实现性、价格等的比照，针对二氧化碳选择的是TGS4161传感器，针对氧气选择的是7OX-V传感器，针对磷化氢选择的是4PH3-1000传感器。2.1
11、.2单片机的选择 本系统设计的气体浓度测量装置是以单片机为核心构成的具有判断、运算和控制能力及存储、显示、报警功能的智能仪表，采用8位单片机足可满足设计要求，而又由于有将模拟信号转换为数字信号的A/D转换过程，所以本设计选择本身具有A/D转换功能的STC12C5A08S2单片机，使设计更加简单容易掌握。STC12C5A08S2单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换250K/S每秒钟25万次。STC12C5A0
12、8S2具有超低功耗掉电模式：外部中断唤醒功耗0.1A,适用于电池供电系统；工作电压5.53.3V；硬件看门狗WDT)。2.2系统结构框图与工作原理 气调粮库的气体检测系统主要有气体传感器、放大电路、具有A/D转换功能的STC12C5A08S2单片机和闪光报警等局部组成。三个气体传感器分别对应三种被测气体，气体传感器测量气体浓度并转换为相应的电信号，传感器的输出信号经放大电路放大后接单片机的A/D转换端口，单片机处理转换后的数字量，将闪光报警电路接到单片机的P2.0口，从而构成了整个气体检测报警系统。当检测到的气体浓度值超出所容许的范围时，通过模数转换成低电平送到单片机的P2口，从而使P2.0=
13、0，闪光报警器就启动，完成了对气体的检测报警。硬件结构图如图2.1。 图2.1系统结构框图3系统各单元硬件设计说明 本系统要求完成对氧气、二氧化碳、磷化氢三种气体的实时检测、显示与报警，它应包括数据的采集、变换、处理等环节，硬件设计主要包括CPU的选型，三种气体传感器的选择，AD转换芯片的选择，信号放大电路、显示电路、报警电路的设计等等。3.1传感器介绍及放大电路3.1.1二氧化碳传感器 TGS4161二氧化碳传感器是日本费加罗FIGARO公司生产的固态电解质气体传感器 ，二氧化碳的敏感原件由两个固态电解质组成，传感器工作时有一个预热时间3-5分钟。通过检测两个电极之间电动势的变化来测试二氧化
14、碳气体的浓度，TGS4161将结构小巧和超低功耗完美的结合在一起，可以测量测量35010000ppm1ppm=百万分之一的二氧化碳浓度。二氧化碳传感器TGS4161具有湿度依赖性极小，小尺寸，低本钱；长寿命，低功耗；对二氧化碳气体高选择性的特点。具体规格参数如表3.1。表3.1 模型名称 TGS4161 测量元件类型 固态电解质 目标气体 二氧化碳 典型测量范围 35010000ppm 电气特性 加热器电阻RH 707欧姆室温 加热器电流IH 约 50mA 加热器功耗PH 约250mA 电动势EMF 在350ppm下220490mV 灵敏度EMF 4472mVEM350ppmCO2-EMF2500ppmCO2 加热器电压VH 50.2VDC 传感器特性响应时间约1.5min到90的最终电压值测量精确度约20在10000ppm二氧化碳下使用环境1050，5%95%RH储藏环境2060，590%RH用硅胶存放在防潮带中标准测试环境气体测试
