南京工业大学分析仪器课程设计报告亲测完美概要.docx
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南京工业大学分析仪器课程设计报告亲测完美概要
南京工业大学自动化与电气工程学院
课程设计报告
（20XX—20XX学年第一学期）
课程名称：
分析仪器课程设计
班级：
学号：
姓名：
任课教师：
一、课程设计时间
201X.XX.XX——201X.XX.XX
二、课程设计地点
D楼XXX
三、指导老师
XXX
四、课程设计题目
1．新型数字红外传感器单组分分析系统设计
2．QD-500mcu80c196测控系统
3．在PC机上编写接收QD-500数据的软件
4．翻译LDS激光原位分析仪的英文资料以及查找资料的中文说明
五、课程设计内容
一．新型数字红外传感器单组分分析系统设计
目的：
采用S_Model数字红外传感器实时检测某化学成分（CH4）及其含量；并利用c8051F120及其他功能芯片构建分析仪的测控系统。
要求设计分析系统中的完整分析流路，该流路包括样气处理及分析流路，样气旁路流路，零点标准气的标定流路。
设计该分析系统中测控系统的电原理图和完成测控系统的PCB电路板设计。
设计要求：
1.分析系统的概述（包括系统的作用，功能，特点）
分析仪器主要是在工业流程中，对物化过程中的物质成分或物理状态进行连续检测和构成控制系统的主要装备。
在线分析仪器用于化工、石油、煤炭、钢铁等行业生产过程和环境保护中，对生产过程中的最终产品和过程样品的组分含量进行分析，其测量结果可作对过程控制的重要参数。
由于控制目标要求的组分可能为多个。
因此采用多检测器组合为一台分析仪器，通过嵌入式测控系统达到对同一待测样品的组分分析。
计算机控制系统在过程控制领域的广泛应用，提高了生产的自动化和信息化水平，促进了生产效率和经济效益的提高。
在化工、石油、制药、环保等方面，控制的最终目标是质量指标，即产品的组成成分及其含量指标。
因此直接质量控制（DQC）是进一步提高经济效益，实现绿色环保、绿色生产的必然途径。
目前在过程控制中，主要仍采取间接控制，由常规仪表所测的温度、压力、流量等参数，间接实现对过程及最终产品的质量目标控制。
在线单一组分分析仪器则具有快速连续测量的特点，通过多台分析检测器的组合可实现对过程控制中若干重要组分的检测，其检测信息与常规检测参数一起作为反馈量进入闭环控制系统，可达到直接质量控制的目标。
采用S_Model数字红外传感器实时检测某化学成分（CH4）及其含量,能够起到环境污染控制，废气检测，气体过程控制，气体指数控制，防爆安全等功能。
它的主要特性及优点是：
气体传感器使用红外探测技术（NDIR），高端校准气体传感器，内置电子电路，数字输出，满足EN50194标准，可调报警门限，输出总线端口（Modbus协议），小型、便于集成，使用寿命大于10年。
它的特性为：
检测最低限到ppm级，高精度，宽动态范围，稳定可靠的红外光源，适用于长时间的在线检测，没有损耗件，不会有产品再投入。
用于气体检测的传感器模块：
使用非分散式红外辐射技术并且集成稳定的红外光源，配置高可靠性能的光电探测器，此传感器达到长效的稳定性能。
此传感器是市场上唯一一个满足欧洲50194标准的低成本传感器。
它含有数字输出，以及可以用于自编译的诊断功能。
2.红外检测器的分析检测原理，半导体光源与发射波长的关系，CH4检测对波长的要求
红外检测器的分析检测原理:
由于各种物质的分子本身都固有一个特定的振动和转动额率，只有在红外光谱的频率与分子本身的特定额率相一致时，这种分子才能吸收红外光谱辐射能。
大多数气态物质在红外区域内都具有特征吸收谱线，即显著吸收某些特定波长的红外线；而那些无极性、双分子及单原子分子气体则没有吸收谱线。
由于气体物质的特征吸收谱线总是存在一定的频带宽带，因此红外线分析仪只能用于具有显著特征吸收谱线且混合组分中待测组分与其他组分的吸收谱线无明显交叉的情形。
红外吸收检测原理检测器利用了朗伯—比耳定律，即不同的气体对特定的波长的光有吸收，吸收的强度和气体的浓度成正比，这一原理进行气体浓度的检测。
红外微流检测器利用红外线对气体分析，基于待测分析的组分浓度不同，吸收的辐射能不同，剩下的辐射能能够使得检测器里面的温度升高不同，动片薄片两边所受的压力不同，两气室间会因压差变化在管道中形成微流，产生一个电容检测器的电信号，这样可以间接测量出待分析组分的浓度。
传感器通过样品池与参比池的红外线光谱信号转变为电信号。
这样就要求过程分析中入射样品的红外光源具有特定的频带宽度，其检测的电信号要求良好、稳定的特性，当存在背景组分交叉干扰时有良好的消除干扰性能。
具有如下的特点：
一体化结构，体积小，光路合理；系列化，可通过改变滤光片，气体滤光器气室所充的参比气体，及红外微流传感器的接收气体，实现对不同组分含量的分析检测；可组合化，单双光路的选择，实现混合样品中两个组分含量的检测，或单组分及背景气中干扰组分的同时测量；微流传感器的使用，提高了检测的稳定性和可靠性
红外线分析器，按结构和测量原理可分为两种类型，即“正式”和“负式”两类。
“负式”红外线分析器，它的特点是进入测量气室的混合气体中待测组分的浓度越大，则测量元件输出的信号越小，即待测组分的浓度与输出信号成反比的关系。
由于这种形式的仪表灵敏度较低，因而近十几年来负式结构应用在减少。
现在常用的红外线分析器“正式”占多数。
它的特点是进入测量气室的混合气体中待测组分的浓度越大，则测量元件输出的信号也越大，即待测组分的浓度与输出信号成正比的关系。
其关系服从朗伯-比耳定律公式：
通常检测器测出信号为透射率T：
显然，当C和d较小时，T与C近似为正比关系。
半导体光源与发射波长的关系：
半导体光电器件的工作波长是和制作器件所用的半导体材料的种类相关的。
半导体材料中存在着导带和价带，导带上面可以让电子自由运动，而价带下面可以让空穴自由运动，导带和价带之间隔着一条禁带，当电子吸收了光的能量从价带跳跃到导带中去时，就把光的能量变成了电，而带有电能的电子从导带跳回价带，又可以把电的能量变成光，这时材料禁带的宽度就决定了光电器件的工作波长。
材料科学的发展使我们能采用能带工程对半导体材料的能带进行各种精巧的裁剪，使之能满足我们的各种需要并为我们做更多的事情，也能使半导体光电器件的工作波长突破材料禁带宽度的限制扩展到更宽的范围。
由普朗克辐射定律的公式
其中：
，
为黑体常数，
=3.74
，
=14380
℃可得温度影响波长，不同温度下的最大点不一样，发出的波长不一样。
CH4检测对波长的要求：
当红外光通过待测气体时,被测气体分子就要对特定波长（CH4中红外区特定吸收波长为2.4μm、3.4μm、7.9μm）的红外光有较强吸收作用,其吸收关系服从朗伯—比尔（Lambert-Beer）吸收定律，出射光强为
式中 I为出射光强;I0为入射光强;μ为被测气体的吸收系数;C为被测气体体积分数;L为辐射通过被测气体介质的光程。
因此要求对不同组分气体分析时，进入样品池的红外频谱要窄一些，且应包含该物质的吸收谱线。
同时在结果处理时，对干扰组分对待测组分的影响要有良好的排除。
3.单组分分析流路结构图及其说明。
流路含取样器，预处理器，按实验的分析系统配接流量计，调节阀，样气旁路。
并说明各部分的作用。
单组分分析流路结构图
分析流路：
对于分析仪器来说，要求过程分析中的进样气检测电信号稳定，背景组分交叉干扰可以有良好的消除干扰性能，分析流路与传统测控系统类似，主要包括装置预处理和检测回路。
预处理主要用于去尘、除杂、脱水、稳流、净化样品等，检测回路也即旁路主要用于大部分组分回流，循环处理。
一般分析流路设计过程中包括如下流程：
分析流路中包含了样气进气口、开关球阀、钢瓶（零点气、量程气）、气体过滤器、压力表、放空流量计、干燥剂、精细过滤器、样气流量计、放散器、二位一通切换阀等等。
其中取样器包含了钢瓶（以及进样钢瓶）、开关球阀、二位一通切换阀等，提供了样品的采样通道。
预处理部分包括了气体过滤器、干燥剂、精细过滤器等。
取样器作用：
完成被测气体的取样及第一级粗过滤，温控器可以对整个过滤腔进行温度调节。
预处理的作用：
预处理装置的作用与功能:
保证过程分析仪器的长期在线运行;保证仪器分析检测的精确与可靠。
新型数字红外传感器预处理装置的主要职能:
去尘,除杂,脱水,稳流,净化样品,保持样品性质。
旁路作用：
主要作用是稳定进入气体分析仪的流量，减少取样到分析仪器的时间，实现实时测量工作气体组分含量变化，可以解决因管路太长造成的延迟。
放散流量计：
压力表显示气体的压力，间接得到流速的变化趋势，可以达到稳流目的，调节进气的流速，提供稳压的气体。
监视、调整、放散多余的样品流量。
气路控件阀件：
工作-校对切换阀：
用于切换工作流量气或样品标准气。
样品流量调节阀：
用于调节进入分析仪的流量。
气泵循环工作调节阀：
用于调节抽气泵的输出流量。
干燥剂：
对样气中的水分处理，若有水分进入传感器内，可能腐蚀仪器还会对气体的浓度造成影响，使得测量不准确，因此一般进行检测时都会进行预处理，相应的干燥、过滤净化等减少水分的进入。
过滤器：
过滤器由内外两部分组成，气体由内部到外部渗透，过滤器内部由结构紧密的纤维组成，过滤面积大，在通过过滤表面时，气体中的粒子受重力的作用降至过滤器的玻璃容器中，当流体达到饱和状态时，过滤器仍能保持良好的效能，结合紧密的微细纤维起到阻滞样气内杂质粒子的作用。
精细过滤器承担样气进入仪器前的最后一级精过滤任务，同时监视前处理的净化效率。
特点是过滤面积大，直观，更换过滤器方便。
4.分析系统操作对测控系统的功能要求。
S_Model数字红外传感器与测控系统间检测结果的传送方式，即对测控系统的要求。
分析系统操作对测控系统的功能要求
针对新型数字红外传感器，测控系统应承担分析检测器检测信号的处理、数字化、仪器操作与控制，在线下的自动检测、自动标定，与计算机系统间的信息通讯等功能。
研究测控平台必须能对各种不同分析检测器组合下的测控系统均能予以支持，为此必须对以上功能加以分析，从而构建其硬件平台。
该硬件为模块化设计，各模块具有独立结构，可适应不同检测器组合情形下的选择要求。
对现代化计算机提出了要求，现代化仪器应该做到：
数字化：
仪器所分析检测的组分信号以数字形式进行数据处理、数据显示和数据通信。
智能化：
对仪器的在线分析过程进行自动操作控制，故障的自诊断、标准样品的自动标定，并逐步将智能处理技术融入到复杂的预处理和在线分析过程中。
网络化：
适应过程计算机控制系要求的局域网、公用网等传输模式。
这些功能都要在过程分析仪器的测控系统中实现，系统在完成的同时，还应具有可靠性高、实时性和可嵌入式等特点。
对于测控系统中的测控平台，要求模块化、C语言编程、实时中断处理，多任务结构等便于产品的更新换代。
其采用模块化设计，各硬件模块具有独立的结构，可适应不同分析传感器以及组合以及预处理的选择要求；软件系统则为检测信号的数据处理、仪器的自诊断、自动标定的操作控制以及与DCS间的信息通都提供支持。
由于仪器工作环境的影响，分析仪器要在不同环境下长期在线可靠运行要求，就需要测控平台具有很高的抗电磁干扰和抗干扰能力，同时还要为软件设计提供合理良好的硬件环境。
此外测控系统功能上还要实现环境的自适应，减少对使用环境的依赖性，增加测控系统的可靠性，不随着设计、制造、使用条件的影响。
仪器发生故障不但可以自检出来，而且可以自诊断出故障发生的根源，并提醒操作人员，从而保证仪器的可靠运行，其中包括了开机自检、周期性自检、键盘自检等。
分析检测器的输出信号及其处理，具有一定共性。
其满量程信号多为0~10mV或4~20mA，在信号处理和数字转换的硬件结构上有相同之处。
检测结果的数据处理可由软件承担，分析结果显示以及键盘处理是所有智能仪表所共有的。
在线分析仪器必须为工业过程的计算机系统提供信息通道，在DCS或PLC系统中，检测结果的模拟趋势输出以4~20mA或其他形式可较为方便地接入系统；同时，检测结果还以串行方式通过RS-485送入上位计算机。
以上形成测控平台的基本功能。
S_Model数字红外传感器与测控系统间检测结果的传送方式（对测控系统的要求）。
让S-Module与微处理器直接连，最简单的方法是使用现有的UART硬件，并连接发送端和接收端。
由于接收端通常情况下为高阻抗，所以不会产生问题。
然而，发送端必须为可关断的。
在编译控制器时，如果没有对端口的功能状态进行定义，这时就需要在发送端连接一个保护电阻来进行限流。
RS232接口硬件中含有一个缓存器，用于写入传输的数据。
正确数据被写入时，在微处理器的UART状态寄存器会有一个标记。
要实现UART软件功能，只需要连接S-Module的一个数据输出端口和微处理器的一个引脚。
这可以通过一个半双工串行接口实现。
用户可以通过TTL信号读出一部分S-Module的模块信息。
S-Module还可以通过总线协议读出更多的信息。
理论上Modbus协议符合主机/辅机的原理。
主机（PC或微处理器）传送一个询问到辅机（SModule），并得到回答。
所有数据被接收到的时间长短，取决于被读取的寄存器数量。
一般来说，SModule在100毫秒内回复询问。
字符串被直接发送，没有任何回复延迟。
在没有询问的情况下，辅机不发送任何数据。
CRLF询问被发送以后，总是首先被解释。
如果收到一条不完整的询问，S-Module将不会答复。
当一个或多个寄存器不在寄存器集当中时，也会出现这种情况。
S-Module使用Modbus-Open-Protocol一种变化协议。
它与标准协议的区别在于，它只是用单向发送和接收信号。
因此这个ASCII协议使用串行半双工连接。
无论是询问还是回答，数据字符串都是以一个冒号开始“:
“。
此定义为字符串被分配的设备地址。
作为标准配置，设备的地址印在了S-Module的序列号标签上。
要寻找未知的Modbus地址，首先要连接S-Module。
此时，在1秒钟的超时时间内，可以通过所有可能的S-Module地址（1-255）来询问任意一个寄存器。
通过发送回复，得到SModule和正确地址的响应。
由于此回复包含了模块地址，因此我们可以在地址查询周期结束时处理此回复，从而得到与总线系统连接情况下当前的模块地址。
控制命令给出了之前提到的地址内容。
其中S-Module通过区分从寄存器读0x03,往寄存器写0x06。
在传输的数据中，寄存器的数量被作为参数之一。
按照LRC（纵向冗余校验）形式，所有被传输的字节进行校验计算，不带有CR和LF字符。
所有字节相加，并在最后减去0xFF。
在这个结果上会再加上0x01，至此完成LRC校验。
测试值每次都会与数据一起被传输，并最后由接收方重新计算。
如果在数据串内出现错误的数据值，传送的校验值就会和接收方计算出的校验值不一样，则此数据串将不被使用。
校验和时刻被传输，并由接收方（S-Module）校验。
如果校验和不正确，S-Module将不会接受指令。
5.设计测控系统的硬件结构：
分析仪器首先通过传感器将所要分析物体的浓度或者其他信号转为电信号，然后通过放大电路放大。
再经过AD采样电路将连续的模拟信号转变成离散的数字信号送入到单片机。
信号进过单片机处理后，将计算出的具体的浓度值送给液晶显示器。
同时在模拟输出口输出4—20mA的模拟信号给二次仪表。
用户可以通过键盘对仪器进行控制，还可以设置工作参数、零点补偿、灵敏度补偿值以及线性校准、非线性校准的计算公式。
为了使得仪器具有远程控制功能，硬件上还设置了输入输出电路以及通讯电路。
[1]硬件各部分的功能描述：
1.测控平台为嵌入式结构，由单片微机及扩展器件组成，构成若干硬件功能模块。
这些模块共同设计在一块印制电路板上，安装于仪器中。
智能仪器的核心是单片微机，其性能对整个嵌入系统性能有重要影响。
选择一是满足功能需要，二是具有在线的高可靠性，三是可升级移植性，使产品具有一定的生命周期。
为此，确定C8051F120工业级单片机芯片，具有64个数字I/O引脚（100脚TQFP封装）或32个数字I/O引脚（64脚TQFP封装）。
2.基本存储模块
为适应多组份分析仪的要求，设置64Kb的外部程序存储器，32Kb的flash数据存储器，16Kb的RAM数据存储器和512字节的串行EEPROM。
64KbROM为监控执行程序提供存放空间，程序操作采用16位方式提供运行速度，其低32Kb为公用页面空间，高32Kb为共用页面空间，当ROM空间不足时，可通过P1口的位线进行ROM空间扩展。
16KbRAM为计算处理及其过程数据提供读写存取空间。
Flash存储器具有读写功能，掉电下可保存数据。
在设计中主要用于存放LCD屏显示用的中英文字库及图案设计，该设置节省了宝贵的ROM空间，为存放大容量的监控程序提供方便。
512字节的串行EEPROM，具有加密、掉电保持，其读写线为P1口提供，利用80C196kc的HSO提供可靠的脉冲信息。
该芯片用于存放不同分析检测器组合时的硬件信息、厂方设计以及重要的分析仪器参数，可以在用户设置发生错误时恢复出厂时的设置状态，提高在线运行下的可靠性。
flash和串行EEPROM为在线运行的数据保存提供了两个设置存储空间；前者完成用户界面下一般设置的保存。
如量程设置、报警设置、流路阀动作、通信方式选择等；后者的设置保存则必须在输入密码正确后才可对组合分析检测器的结构、分析仪器参数进行修改，并长久保存。
在可靠性和保密性方面，显然后者强于前者，这也是设置两种存取方式的因素。
3．数据采集模块
对于多分析检测器，其检测信号经调理放大器及硬件滤波器被规划为统一的0~5V信号送入A/D转换器。
A/D转换分为两大类：
一类由分析检测器片外A/D转换芯片承担，采用具有高性能的MAX197芯片。
该芯片为8通道、12位模数转换器，由片内提供4.096V基准电源。
为4个转换通道分配分析检测器的数据采集并可扩展到6个，另外两个一个用于高精度温控设备的温度检测，一个用于仪器在线下的自标定。
另外一类则为仪器正常运行下若干设备控制和自诊断提供数据采集，如分析仪机体的工作温度控制、环境压力、环境温度的检测，电源值的检测等，采用的是80C196kc片内的8通道10位A/D。
4.LCD现实及键盘输入模块
LCD平台提供显示界面用语检测结果、操作选择、工作状态、证断信息的显示，LCD采用160*128蓝色背光点阵图形液晶显示，可满屏显示7*14个汉字和14*28个小写字母，且显示模式可调。
由于LCD显示屏寿命有限，为保证在线下的长期使用，设计了屏保功能。
长时间无键动作时，自动熄灭屏显直至有键动作。
显示亮度调节电路可由界面设置选择适合的亮度，以适应不同外部光线下的显示。
仪表键盘为3*8结构，24个高强度触摸式按键，可根据不同分析检测器组合的功能要求进行选择与排列。
5.温度控制模块
分析仪器是一种高性能的科学仪器，一些分析检测器对工作温度有严格要求。
系统平台设置三套温控回路：
一路为热电偶输入，根据工作温度要求，可选择K、U等不类热电偶；另两路为铂电阻输入，温度传感器为Pt100。
温度控制口为80C196kc的HSO，执行器为固态继电器，加热源可选择交流、直流电源。
热电偶输入方式下，采用机内室温补偿系统，其电路结构如图3所示。
其中AD591提供室温测量，不同热电偶的补偿曲线，可由电路中的Rw调整。
当热电偶开路或短路时，系统发出报警提示，停止加热以避免过加热造成仪器损坏。
6.流路切换阀模块
在多分析检测器组合下的样品分析中，流路切换阀回路具有双重功能，一是为分析样品在分析周期中提供实时的流路切换，以保证分析的实时和精度要求；二是为在线自动标定提供阀切换。
7.开关量I/O模块
在线分析仪器的故障证断通过开关量的输入输出口进行。
平台提供开关量输入、输出口各8个。
其输入口可与阀门切换部分连接，对仪器本身的操作和分析过程中的故障进行检测，开关量输出可为控制或管理系统提供故障报警、分析组分浓度超标报警信息。
其隔离方法用阀门控制模块。
8.与DCS网络通信的输出模块
在线分析仪器的主要功能是为计算机控制系统提供实时的分析结果。
测控平台为DCS系统提供两种基本的输出方式：
一是模拟量趋势输出，可对4个分析检测量的分析结果进行实时传输，可选择4~20mA、0~10mA、1~5V等形式。
该电路由80C196KC的三路PWM和一路HSO的占空比宽度调节实现对输出的控制[4]。
二是RS485串行通信方式，可实现对上位机的数据传输，其传输设置如波特率、传输格式可通过界面设置。
每台分析仪器均可设置ID，可实现一对多，多对多的通信，为适应PLC及现场总线控制系统的要求，平台提供可选配的以太网模块和Profibus模块，实现从站功能。
9.电源系统及电路板
测控平台硬件系统提供四类净化独立电源，分别为数字电源，提供80C196kc及其外扩芯片工作电压；信号调理电源，提供信号放大器等器件电源；控制电源，用于开关量I/O和阀门贿赂的控制；驱动电源，用于流路切换阀的工作电压。
各电源间相互隔离，信号调理与数字回路间采用一点共地。
平台的印制板为多层板设计，采用贴片元器件。
该设计使得整机面积较小，适应嵌入式系统要求。
布线中，考虑到抗干扰、抗电磁辐射等问题，提高仪器整体的可靠性。
[2]主要芯片的性能指标：
C8051F120系列器件是完全集成的混合信号片上系统型MCU芯片，具有64个数
字I/O引脚（100脚TQFP封装）或32个数字I/O引脚（64脚TQFP封装）。
下面列出了一些主要特性：
·高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核（100MIPS或50MIPS）
·全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）
·真正12位或10位、100ksps的ADC，带PGA和8通道模拟多路开关
·真正8位500ksps的ADC，带PGA和8通道模拟多路开关（仅C8051F12x）
·两个12位DAC，具有可编程数据更新方式（仅C8051F12x）
·2周期的16x16乘法和累加引擎（仅C8051F120/1/2/3和C8051F130/1/2/3）
·128KK或64KB可在系统编程的FLASH存储器
·8448（8K+256）字节的片内RAM
·可寻址64KB地址空间的外部数据存储器接口
·硬件实现的SPI、SMBus/I2C和两个UART串行接口
·5个通用的16位定时器
·具有6个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列
·片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器
具有片内VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F12x和C8051F13x器件是真正能独立工作的片上系统。
所有模拟和数字外设均可由用户固件使能/禁止和配置。
FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。
片内JTAG调试电路允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。
该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。
在使用JTAG调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。
每个MCU都可在工业温度范围（-45℃到+85℃）工作。
端口I/O、/RST和JTAG引脚都容许5V的输入信号电压。
有100脚TQFP封装和64脚TQFP封装。
DS1302功能简述：
DS1302包括时钟/日历寄存器和31字节（8位）的数据暂存寄存器，数据通信仅通过一条串行输入输出口。
实时时钟/日历提供包括秒、分、时、日期、月份和年份信息。
闰年可自行调整，可选择12小时制和24小时制，可以设置AM、PM。
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