多元气体校准仪 - 图文

第四届‘MOTOROLA杯’ 嵌入式处理器设计应用大奖赛(A组)

多元气体校准仪

比赛编号： A11188 日期： 2002年10月2日

姓名： 左 刚 （中文） Zuo Gang （英文） 职业：硕士研究生 姓名： 甄广启 （中文）Zhen Guangqi（英文） 职业：硕士研究生 姓名： 何敬宇 （中文） He Jingyu （英文） 职业：硕士研究生 指导教师： 李晶皎教授

通讯地址： 沈阳东北大学信息学院 邮编： 110004 电子邮箱： shihhuangti@sohu.com 电话： 024－83681069

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内容目录

1 引言............................................................................................................................................. ２

1.1 多元气体校准仪工作原理 .............................................................................................. ３ 1.2 多元气体校准仪的组成 .................................................................................................. ４ 2 系统概述 ..................................................................................................................................... ５

2.1 特性 .................................................................................................................................. ５ 2.2 Motorola MC68HC912DG128A简介.............................................................................. ５ 2.3 系统概述 .......................................................................................................................... ５ 3 系统硬件 ..................................................................................................................................... ７

3.1 压力流量采集电路 .......................................................................................................... ７ 3.2 臭氧紫外灯检测驱动控制电路 ...................................................................................... ７ 3.3实时时钟电路 ................................................................................................................... ７ 3.4 电磁阀等驱动电路 .......................................................................................................... ７ 3.5 质量流量控制电路 .......................................................................................................... ８ 4 系统软件 ................................................................................................................................. １２

4.1 软件模块结构 .............................................................................................................. １２

4.1.1各模块介绍 ........................................................................................................ １２ 4.1.2 主程序说明 ....................................................................................................... ２４ 4.2 软件系统细节设计说明 .............................................................................................. ２５

4.2.1 软件开发工具介绍 ........................................................................................... ２５ 4.2.2 硬件控制涉及原理 ........................................................................................... ２５

１

多元气体校准仪

左刚 甄广启 何敬宇 李晶皎[1] 东北大学信息学院（110004）

摘要：本文介绍了用Motorola的16位微控制器MC68HC912DG128A设计的分析仪器中的多元气体校准仪。其特点是采用特殊的放大器放大传感器的弱信号；用高精度的质量流量控制器精确控制小流量的气体，控制精度为0.23%；用高精度热敏电阻及定制加热器使温度控制在50℃±0.1℃。

关键词 ：校准仪、流量控制、温度控制、测量

1 引言

大气污染监测是环境保护工作者的眼睛，用空气质量自动监测系统可以长期监测空气中有害气体的数量、分布、动向等，为消除危害、改善环境、保护人民健康提供资料。

大气污染是由固定污染源（工厂烟囱）和流动污染源（如汽车）排放的污染物经扩散形成的。大气污染的特点是范围大、随时间变化，受气象、季节、地形等影响。这样对于空气污染的监测必须在一个地区同时进行多点连续监测，通过对自动记录的大量科学数据的分析研究，才能准确地掌握这一地区空气污染情况。目前空气污染最有效的监测方法是建立空气污染自动监测系统，即在一个城市、一个区域或一个国家组成一个监测网，它由一系列的监测站和一个中心站组成。各监测站与中心站之间保持自动的信息联系，并接受中心站的控制和指挥。

监测站中安装的仪器类型由计划测定的污染物种类决定，我国目前主要监测3项指标：SO2、氮氧化物（NO、NO2）、PM10。空气污染监测仪器一般不能直接测定绝对浓度，而是采用相对法，因此仪器的准确度决定于校正的标准。SO2、氮氧化物就是需要定期校正的气体，校正方法是用标准气体进行动态校正。本仪器就是为此目的设计的。

多元气体校准仪的主要功能是为空气监测系统的其他仪器（氮氧化物分析仪、二氧化硫分析仪）提供已知浓度的标气用于校标。在空气监测系统中有SO2、氮氧化物、CO等多种气体分析仪，这就要求校准仪能够配置多种标准气体，故称为多元气体校准仪。

多元气体校准仪主要由气路部分、电路部分组成。其中电路部分是本文的核心部分，具体有：

多元气体校准仪的空气监测系统可用在环境监测部门或大工矿企业，用于测定空气污染。通过扩展外围器件如调制解调器等，还可以使用远程控制功能来有效地监督厂矿的气体污染治理情况。

本气体校准仪留有足够的接口，供用户根据自己的需求进行功能扩展，满足用户的各种需求。因此，无论是从仪器本身的功能，还是从满足用户需求方面来看，该多元气体校准仪的设计应用的前景将是十分广泛的。

[1]李晶皎教授，指导教师，东北大学-摩托罗拉实验室主任

２

1.1 多元气体校准仪工作原理

多元气体校准仪采用动态配气，即将已知浓度的钢瓶标气以较小的流量，恒定不变地送入混合室中（见图1），零气（净化后的空气）以较大的流量恒定不变地通过混合室，与标气混合并将其稀释，稀释后的混合气体连续不断地从混合室流出，供被校准的仪器（例如SO2分析仪）使用。准确测量这两个气流之比就是稀释倍数，混合气体的浓度可从稀释倍数计算出来，调节气流之比可以得到所需浓度的标气。标气浓度计算如下：

C?C0?Q0

Q0?Q其中 C——混合气浓度（或被稀释气体的最终浓度）

C0——钢瓶气浓度 Q0——钢瓶气流量 Q——零气流量

动态配气的气路流程如图1所示。为了得到准确的配气浓度，对钢瓶气与稀释气的流量测量必须准确，而且稳定。为此，使用了高精度的质量流量控制器，零气的量程为10SLPM(标准升/分)，钢瓶气流量为100cc/min。

由于无法购买NO2钢瓶气体，在校准氮氧化物分析仪的二氧化氮时需要使用气相滴定法(GPT)来动态配制二氧化氮气体。GPT的基本原理是一氧化氮与臭氧之间的快速气相反映：

NO+O3=NO2+O2

当NO过量时，NO2生成量=NO消耗量=O3量。因此，已知O3浓度就可以知道NO2的浓度。

校准仪将过剩的NO与特定浓度的臭氧混合产生NO2。用零气和适当流量的已知浓度的NO钢瓶标气进行精确混合产生所需浓度的NO。臭氧浓度由臭氧发生器控制。

图1 多元气体校准仪气路框图

基于以上的背景，选用MC68HC912DG128A微控制器，实现多元气体校准仪的功能：即用装在钢瓶中的已知浓度、且浓度很高的SO2、NO、CO等标气，分别配置所需浓度的标气供SO2、NO、CO等分析仪校标时使用。

３

1.2 多元气体校准仪的组成

多元气体校准仪的器件组成如图2所示，具体有：

? 2个质量流量控制器(Mass Flow Control, 简称MFC)，分别用于产生准确浓度的零

气和标气

? 5个电磁阀，分别控制零气输入和SO2、NO、CO等标气的输入 ? 1个臭氧发生器

其中质量流量控制器由质量流量传感器和电磁阀组成，阀自动地开启和关闭与所需流量成比例。MFC的满量程电压是5V，由微控制器输出的控制电压送到MFC，MFC根据此电压设定流量，传感器的输出电压反馈到微控制器，以实现更精确的流量控制。

校准仪中包含臭氧发生器是由于NO2的腐蚀性，很少能用钢瓶盛装，所以在校准仪内配备产生NO2的气相滴定反应设备，使NO与O3反应生成NO2。臭氧发生器是通过低压汞灯在波长185nm处紫外光照射空气产生臭氧。产生的臭氧量与185nm紫外光的强度成正比。强度依赖于灯的温度和电流，灯的温度保持在50oC，灯的电流变化产生不同浓度的臭氧，灯的强度由光学探测器来控制以产生稳定的灯强，从而保持一定浓度的臭氧的产生。

校准仪通过RS232接口同空气质量监测系统中的工控机相连，实现标气选择、浓度设置、校零和校标的时间设置等。

图2 多元气体校准仪的器件组成

４

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