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基于AVR单片机的智能酒精浓度在线检测仪设计

作　者: 张金龙
导　师: 徐凤霞
学　校: 齐齐哈尔大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 液相乙醇浓度在线检测嵌入式技术气敏传感器
分类号: TQ223.122
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

乙醇浓度是微生物发酵生产中重要的控制参数，快速、安全、准确的检测乙醇浓度是微生物工程中的重要技术之一。现有的乙醇浓度检测技术大都采用间隙取样法、化学滴定法或电解法等离线分析方法，这些检测方法得到的数据只能用于大致估计取样时的发酵状态。现有在线检测技术具有一定的局限性，基于光学和声学原理的检测技术都不能很好地排除其他溶质浓度变化而引起的测量误差，只能实现乙醇和水的二元溶液中乙醇浓度的检测；基于生物原理的检测技术有生物传感器本身会严重污染发酵环境的缺点，致使其目前也不适合在发酵过程中作为检测乙醇浓度的方式；基于气敏效应的检测技术采用取样器取样发酵蒸汽到发酵罐外，进行乙醇浓度在线检测的方法，具有一定的测量滞后，并没有实现真正意义上的实时检测，且取样过程存在一定的未知干扰，检测精度不高。因此，研究微生物发酵过程中乙醇浓度的在线检测技术，研制智能化乙醇浓度在线检测仪具有重要的实际应用价值。本课题在详细分析微生物发酵过程中乙醇浓度变化规律的基础上，研究了基于乙醇优先透过膜、气敏效应和气液相平衡原理的乙醇浓度在线检测技术，建立了基于最小二乘法拟合乙醇浓度的智能在线测量模型，研制了智能乙醇浓度在线检测仪。该检测仪采用半导体气敏元件(TGS822)来实现乙醇浓度的实时检测；运用嵌入式技术，以微控制器(ATMEGA16)为核心的嵌入式系统，配合16位高分辨率ADC(AD7705)完成信号采集以及进行数据的分析与处理；通过RS-485总线通讯接口与PC机相连，实现了生物发酵工程中乙醇浓度的在线检测与智能监测。实验证明，基于乙醇优先透过膜、气敏效应和气液相平衡原理的乙醇浓度在线检测技术能够实现发酵过程中乙醇浓度的实时在线检测；基于最小二乘法拟合的乙醇浓度与气敏传感器检测电阻值之间的对应关系准确可靠；基于以上原理研制的检测仪可适用于多种混合物发酵液中乙醇浓度的检测，具有较高的检测精度，能够实现乙醇浓度在线检测的各种设计功能，较好地满足了微生物发酵过程中生产自动化的要求。

全文目录

摘要  6-7
Abstract  7-11
1 绪论  11-19
  1.1 课题背景  11
  1.2 乙醇浓度检测技术的发展概况  11-17
    1.2.1 基于超声波原理的乙醇浓度在线检测技术  12
    1.2.2 基于光学原理的乙醇浓度在线检测技术  12-14
    1.2.3 基于生物原理的乙醇浓度在线检测技术  14-15
    1.2.4 基于半导体气体敏感材料的乙醇浓度在线检测技术  15-17
  1.3 课题研究的意义与主要内容  17-19
    1.3.1 本课题研究的意义  17
    1.3.2 本课题的主要研究内容  17-19
2 系统的检测原理与设计方案  19-34
  2.1 气敏效应传感器作用机理  19-24
    2.1.1 SnO_2半导体陶瓷表面的吸附反应和耗尽层  19-21
    2.1.2 SnO_2半导体表面气体的吸附和脱附  21-22
    2.1.3 气敏传感器的电阻和气体浓度的关系  22-23
    2.1.4 表面势垒高度、耗尽层宽度和传感器电阻变化的关系  23-24
  2.2 气敏传感器检测原理  24-27
  2.3 渗透蒸发的基本原理  27-28
  2.4 基于最小二乘算法的参数辨识  28-31
  2.5 系统设计方案  31-33
    2.5.1 酒精浓度在线检测仪的性能指标和功能  31
    2.5.2 酒精浓度在线检测仪的总体设计方案  31-33
  2.6 小结  33-34
3 乙醇浓度在线检测仪的设计与实现  34-56
  3.1 系统硬件设计  34-41
    3.1.1 信号测量模块电路  34
    3.1.2 A/D 转换模块电路  34-36
    3.1.3 单片机最小系统模块电路  36-37
    3.1.4 液晶显示模块电路  37
    3.1.5 键盘控制接口模块电路  37-38
    3.1.6 RS-485 总线通讯接口模块电路  38-39
    3.1.7 温度检测模块电路  39-40
    3.1.8 声光报警模块电路  40
    3.1.9 硬件抗干扰措施  40-41
  3.2 系统软件设计  41-55
    3.2.1 温度采集模块程序设计  42-44
    3.2.2 乙醇浓度数据采集模块程序设计  44-47
    3.2.3 浓度信号处理模块程序设计  47-49
    3.2.4 液晶显示模块程序设计  49-51
    3.2.5 键盘控制模块程序设计  51-53
    3.2.6 通讯接口模块程序设计  53-54
    3.2.7 声光报警模块程序设计  54-55
    3.2.8 软件抗干扰措施  55
  3.3 小结  55-56
4 乙醇浓度在线检测仪的标定与误差分析  56-63
  4.1 乙醇浓度在线检测仪的标定  56-58
  4.2 乙醇浓度在线检测仪的检验  58-59
  4.3 误差分析  59-62
    4.3.1 影响气敏传感器的因素  59
    4.3.2 乙醇浓度测量的误差来源  59-62
  4.4 小结  62-63
5 结论与展望  63-64
  5.1 结论  63
  5.2 展望  63-64
参考文献  64-67
附录程序清单  67-98
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  98-99
致谢  99-100

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