烟道气体测控系统硬件部分
摘 要我国是能源消耗大国，随着工业的不断发展，煤炭等化石燃料的消耗在我国的能源消耗中占有较大比重，因此煤炭燃烧产生的烟道气体的监测与控制相当重要。通过对烟道气体检测与控制能有效地提高煤炭燃烧率，减轻环境污染问题。本课题以C8051F005单片机为核心，结合C语言编程，设计了烟道气体测控系统。该系统通过红外气体成分分析仪对烟道气体进行实时分析，确定烟道气体成分，再经升温、冷凝等温度控制输出控制信号，从而控制相关阀门，改善煤炭燃烧效率，降低污染气体的排放。系统采用C语言编程，同时输出信号处理后通过LCD液晶显示屏显示相关信息，具有良好的人机交互界面，同时能够准确直观的展示煤炭燃烧情况以及烟道气体的主要成分比。本文主要介绍了该烟道气体测控系统的设计思路，硬件选用与构成，程序编写逻辑，以及系统在设计与调试过程中遇到问题后的解决方法。
目 录
第一章 绪论 1
1.1设计的意义 1
1.2设计的内容 1
1.3发展背景 1
第二章 总体方案设计 3
2.1设计方案 3
2.2工作原理 3
2.2.1主要参数 3
2.2.2控制对象 4
2.2.3工作原理 4
第三章 系统硬件设计 5
3.1硬件选用 5
3.1.1 C8051F005芯片 5
3.1.2红外气体分析仪 6
3.1.3液晶屏（320*240） 7
3.1.4 继电器 7
3.1.5开发板电路介绍 7
3.2 主电路设计 8
3.2.1设计思路 8
3.2.2温度控制 8
3.2.3气体百分比测控 9
3.2.4总体电路原理图 10
3.2.4.1通信接口电路（RS232） 10
3.2.4.2 LCD电路设计 12
3.2.4.3继电器电路 12
3.2.4.4单片机电源电路设计 13
3.2.4.5单片机晶振电路和复位电路设计 14
结束语 16
致谢 17
参考文献 18
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
第一章 绪论
1.1设计的意义
烟道气是指煤等化石燃料燃烧时候所产生的对环境有污染的气态物质。因这些物质通常由烟道或烟囱排出，也是有毒和有害气体和烟尘的混合物。烟道气产生的过程大多是燃料不充分利用，不完全燃烧造成的。其成分为氮气、一氧化碳、二氧化碳、氧和水蒸气和硫化物等，无污染物占99％以上；灰尘、粉渣和二氧化硫含量低于1％，须经气体净化装置处理后排空，以减少对环境的污染。
本文主要测控的是一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫，这三者是煤炭燃烧的主要产物。一氧化碳是一种无色无味的有毒气体，是大气中几种重要污染物之一，其化学性质相对而言比较稳定，具有可燃性。一氧化碳的主要是由含碳燃料的不完全燃烧产生，在煤炭燃烧过程中容易产生，可以通过再次燃烧生成二氧化碳。二氧化硫是一种无色有刺激性气味的气体，是空气中的主要污染气体之一，排放到空气中的二氧化硫会与水结合，形成酸雨，造成危害。
1.2设计的内容
本文主要完成烟道气体测控的硬件设计。烟道气体测控系统硬件设计内容包括温度控制，气体过滤控制，燃烧气体成分分析和对有关管道阀门等进行控制。
该系统采用单片机为核心，以实现烟道气体测控的基本控制过程，作用是改善燃烧过程，提供燃烧效率和减轻污染。测控系统采用C8051F系列单片机及其外围电路，包括多点状态的测量，分析，并据此对多个继电器和控制阀门进行控制。另外还需实现与上位机和网路的通讯功能。该烟道气体测控采用C语言进行软件开发。
本系统采用功能模块化的设计思想，系统主要分为总体方案设计、硬件和软件设计三大部分。
1.3发展背景
工厂以及一些化工企业需要对产生的烟道气进行测量分析，目的是改善燃烧效率，提高效益。这时，烟道气体测控系统就显得尤为重要。除此之外，随着我国工业化的发展，对保护环境的要求越来越高。烟道气中的有毒有害气体会产生重大污染，造成严重后果。一氧化碳是无色、无臭、无味的气体，故易于忽略而致中毒。一氧化碳中毒的原因是因为一氧化碳进入人体之后会和血液中的血红蛋白结合，进而排挤血红蛋白与氧气的结合，从而出现缺氧，这就是一氧中毒。常见于居室通风差的情况下，煤炉产生的煤气或液化气管道漏气或工业生产煤气以及矿井中的一氧化碳吸入而致中毒。一氧化碳可以通过再次燃烧产生二氧化碳。二氧化碳密度较空气大，当二氧化碳少时对人体无危害，但其超过一定量时会影响人（其他生物也是）的呼吸，原因是血液中的碳酸浓度增大，酸性增强，并产生酸中毒。空气中二氧化碳的体积分数为1%时，感到气闷，头昏，心悸；4%5%时感到眩晕。6%以上时使人神志不清、呼吸逐渐停止以致死亡。同时二氧化碳也是加剧温室效应的主要来源。二氧化硫（化学式SO2）是最常见、最简单的硫氧化物。其是大气主要污染物之一。在许多工业过程中也会产生二氧化硫。当二氧化硫溶于水中，会形成亚硫酸。若把亚硫酸进一步在PM2.5存在的条件下氧化，便会迅速高效生成硫酸（酸雨的主要成分）。这就是对产生这些烟道气而不加以测控以至引发恶劣环境效果的担心原因。
第二章 总体方案设计
2.1设计方案
该烟道气体测控系统针对烟道气体的特点，通过对多点状态的测量、分析，采用红外气体成分分析仪采集、分析烟道气成分，C0851F005单片机芯片及其外围电路对气体分析仪采集到的数据进行处理，根据单片机的处理结果对多个继电器以及相关阀门进行控制如填料、通风等，同时单片机通过LCD液晶屏显示数据处理结果，直观反映烟道气体成分，实现了对烟道气体的实时测控，能够有效地提高燃烧效率，减少污染气体的排放。
图21 烟道气体测控系统框架图
2.2工作原理
2.2.1主要参数
该烟道气体测控系统的主要参数分别为：一氧化碳浓度，二氧化碳浓度，二氧化硫浓度。一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫是煤炭燃烧的主要产物，通过分析这三者的占比，能够有效地了解到煤炭的燃烧程度，判断出煤炭是否完全燃烧以及含硫量。
一氧化碳是一种无色无味的有毒气体，是大气中几种重要污染物之一，其化学性质相对而言比较稳定，具有可燃性。一氧化碳的主要是由含碳燃料的不完全燃烧产生，在煤炭燃烧过程中容易产生，可以通过再次燃烧生成二氧化碳。通过分析一氧化碳的含量可以了解到煤炭的燃烧率。
二氧化碳为无色无味的气体，是空气的主要成分之一，是含碳燃料充分燃烧的产物。在煤炭燃烧过程中，二氧化碳的含量直接反映了煤炭的充分燃烧情况以及煤炭的碳含量。
二氧化硫是一种无色有刺激性气味的气体，是空气中的主要污染气体之一，排放到空气中的二氧化硫会与水结合，形成酸雨，造成危害。其主要来源是含硫化石燃料的燃烧。二氧化硫在烟道气体中的占比直接反映了煤炭的含硫量。
2.2.2控制对象
该烟道气体测控系统主要进行对烟道气体采集时候的温度的控制和根据数据处理结果对进料口及进气口的继电器的控制。
目 录
第一章 绪论 1
1.1设计的意义 1
1.2设计的内容 1
1.3发展背景 1
第二章 总体方案设计 3
2.1设计方案 3
2.2工作原理 3
2.2.1主要参数 3
2.2.2控制对象 4
2.2.3工作原理 4
第三章 系统硬件设计 5
3.1硬件选用 5
3.1.1 C8051F005芯片 5
3.1.2红外气体分析仪 6
3.1.3液晶屏（320*240） 7
3.1.4 继电器 7
3.1.5开发板电路介绍 7
3.2 主电路设计 8
3.2.1设计思路 8
3.2.2温度控制 8
3.2.3气体百分比测控 9
3.2.4总体电路原理图 10
3.2.4.1通信接口电路（RS232） 10
3.2.4.2 LCD电路设计 12
3.2.4.3继电器电路 12
3.2.4.4单片机电源电路设计 13
3.2.4.5单片机晶振电路和复位电路设计 14
结束语 16
致谢 17
参考文献 18
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
第一章 绪论
1.1设计的意义
烟道气是指煤等化石燃料燃烧时候所产生的对环境有污染的气态物质。因这些物质通常由烟道或烟囱排出，也是有毒和有害气体和烟尘的混合物。烟道气产生的过程大多是燃料不充分利用，不完全燃烧造成的。其成分为氮气、一氧化碳、二氧化碳、氧和水蒸气和硫化物等，无污染物占99％以上；灰尘、粉渣和二氧化硫含量低于1％，须经气体净化装置处理后排空，以减少对环境的污染。
本文主要测控的是一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫，这三者是煤炭燃烧的主要产物。一氧化碳是一种无色无味的有毒气体，是大气中几种重要污染物之一，其化学性质相对而言比较稳定，具有可燃性。一氧化碳的主要是由含碳燃料的不完全燃烧产生，在煤炭燃烧过程中容易产生，可以通过再次燃烧生成二氧化碳。二氧化硫是一种无色有刺激性气味的气体，是空气中的主要污染气体之一，排放到空气中的二氧化硫会与水结合，形成酸雨，造成危害。
1.2设计的内容
本文主要完成烟道气体测控的硬件设计。烟道气体测控系统硬件设计内容包括温度控制，气体过滤控制，燃烧气体成分分析和对有关管道阀门等进行控制。
该系统采用单片机为核心，以实现烟道气体测控的基本控制过程，作用是改善燃烧过程，提供燃烧效率和减轻污染。测控系统采用C8051F系列单片机及其外围电路，包括多点状态的测量，分析，并据此对多个继电器和控制阀门进行控制。另外还需实现与上位机和网路的通讯功能。该烟道气体测控采用C语言进行软件开发。
本系统采用功能模块化的设计思想，系统主要分为总体方案设计、硬件和软件设计三大部分。
1.3发展背景
工厂以及一些化工企业需要对产生的烟道气进行测量分析，目的是改善燃烧效率，提高效益。这时，烟道气体测控系统就显得尤为重要。除此之外，随着我国工业化的发展，对保护环境的要求越来越高。烟道气中的有毒有害气体会产生重大污染，造成严重后果。一氧化碳是无色、无臭、无味的气体，故易于忽略而致中毒。一氧化碳中毒的原因是因为一氧化碳进入人体之后会和血液中的血红蛋白结合，进而排挤血红蛋白与氧气的结合，从而出现缺氧，这就是一氧中毒。常见于居室通风差的情况下，煤炉产生的煤气或液化气管道漏气或工业生产煤气以及矿井中的一氧化碳吸入而致中毒。一氧化碳可以通过再次燃烧产生二氧化碳。二氧化碳密度较空气大，当二氧化碳少时对人体无危害，但其超过一定量时会影响人（其他生物也是）的呼吸，原因是血液中的碳酸浓度增大，酸性增强，并产生酸中毒。空气中二氧化碳的体积分数为1%时，感到气闷，头昏，心悸；4%5%时感到眩晕。6%以上时使人神志不清、呼吸逐渐停止以致死亡。同时二氧化碳也是加剧温室效应的主要来源。二氧化硫（化学式SO2）是最常见、最简单的硫氧化物。其是大气主要污染物之一。在许多工业过程中也会产生二氧化硫。当二氧化硫溶于水中，会形成亚硫酸。若把亚硫酸进一步在PM2.5存在的条件下氧化，便会迅速高效生成硫酸（酸雨的主要成分）。这就是对产生这些烟道气而不加以测控以至引发恶劣环境效果的担心原因。
第二章 总体方案设计
2.1设计方案
该烟道气体测控系统针对烟道气体的特点，通过对多点状态的测量、分析，采用红外气体成分分析仪采集、分析烟道气成分，C0851F005单片机芯片及其外围电路对气体分析仪采集到的数据进行处理，根据单片机的处理结果对多个继电器以及相关阀门进行控制如填料、通风等，同时单片机通过LCD液晶屏显示数据处理结果，直观反映烟道气体成分，实现了对烟道气体的实时测控，能够有效地提高燃烧效率，减少污染气体的排放。
图21 烟道气体测控系统框架图
2.2工作原理
2.2.1主要参数
该烟道气体测控系统的主要参数分别为：一氧化碳浓度，二氧化碳浓度，二氧化硫浓度。一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫是煤炭燃烧的主要产物，通过分析这三者的占比，能够有效地了解到煤炭的燃烧程度，判断出煤炭是否完全燃烧以及含硫量。
一氧化碳是一种无色无味的有毒气体，是大气中几种重要污染物之一，其化学性质相对而言比较稳定，具有可燃性。一氧化碳的主要是由含碳燃料的不完全燃烧产生，在煤炭燃烧过程中容易产生，可以通过再次燃烧生成二氧化碳。通过分析一氧化碳的含量可以了解到煤炭的燃烧率。
二氧化碳为无色无味的气体，是空气的主要成分之一，是含碳燃料充分燃烧的产物。在煤炭燃烧过程中，二氧化碳的含量直接反映了煤炭的充分燃烧情况以及煤炭的碳含量。
二氧化硫是一种无色有刺激性气味的气体，是空气中的主要污染气体之一，排放到空气中的二氧化硫会与水结合，形成酸雨，造成危害。其主要来源是含硫化石燃料的燃烧。二氧化硫在烟道气体中的占比直接反映了煤炭的含硫量。
2.2.2控制对象
该烟道气体测控系统主要进行对烟道气体采集时候的温度的控制和根据数据处理结果对进料口及进气口的继电器的控制。
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