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基于DSP的智能气相色谱检测系统研究

作 者: 侯佩韦
导 师: 韩强
学 校: 东华大学
专 业: 机械电子工程
关键词: 气相色谱仪 嵌入式系统 模糊自适应PID算法 组态软件
分类号: TH833
类 型: 硕士论文
年 份: 2011年
下 载: 76次
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内容摘要


色谱分析是现代分离分析的重要手段,气相色谱仪作为一种精密分析仪器是进行色谱分析的重要工具。它在医药、环保、食品安全保障体系、石油、化工科学研究、质量技术监督等领域都发挥着巨大的作用。气相色谱仪的研制开发涉及到分析化学、机械电子、自动化、计算机等多个学科,是一项复杂的系统工程。研究如何在色谱仪系统开发中应用计算机技术、智能仪器技术、电子技术以及新材料、新工艺,从而提高色谱仪的智能化水平有着重要的现实意义。论文首先介绍了气相色谱检测方法,以及气相色谱仪的国内外发展现状,探讨了气相色谱设备的发展趋势,明确了嵌入式技术在现代气相色谱检测系统中将占有极其重要的地位,确立了设计智能型气相色谱检测系统的目标。然后分析了气相色谱仪的系统结构,工艺指标及其影响因素,针对性的提出了智能型气相色谱仪的检测方案以及控制策略。通过对智能气相色谱检测系统的功能和结构的分析,明确了系统开发过程和设计原则。嵌入式开发以处理器的选择为优先入手点,选择高性能低功耗的DSP嵌入式处理器TMS320LF2407,配以嵌入式实时操作系统μC/OS—Ⅱ的开发方案。发挥了DSP处理器的高性能和μC/OS—Ⅱ可移植性强,实时性好的优点。由于实验室用仪器用途的多样性,本课题为该气相色谱仪配备了两种检测器(热导检测器和氢火焰检测器),并设计了相对应的检测放大电路,基本满足了绝大部分物质分析的需求。对比传统的气相色谱仪在温控精度方面的不足,创新性的提出了模糊自适应结合PID的控制策略。考虑到最终用户的操作简便以及人机界面的特点,结合嵌入式系统的实际性能,利用组态软件(组态王KingView)完善了色谱工作站的功能,并利用数据库技术管理色谱分析实验数据。在具体的设计中应用了模块化设计方法,分别从硬件和软件两个方面论述了各功能模块的实现方法。为了保证系统在不同工况环境下稳定运行,本文还针对系统可靠性措施做了相关探讨。论文最后利用设计的智能气相色谱检测系统对样品进行了分析实验,并取得了物质分析报告,与标准样进行比对。针对检测过程中出现的问题以及测试结果进行了分析,总结了课题的研究成果,展望了进一步的研究工作内容。本论文的特色在于将气相色谱仪检测技术与嵌入式技术相结合,设计了一种智能化,精度高的气相色谱检测系统。在此系统框架下,可为今后气相色谱检测仪器的研究奠定基础。

全文目录


摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第一章 绪论  13-21
  1.1 课题背景  13-14
  1.2 气相色谱检测方法原理及设备发展现状  14-16
    1.2.1 气相色谱法基本原理  14-15
    1.2.2 气相色谱仪国内外发展现状  15-16
  1.3 气相色谱检测系统发展趋势  16-17
  1.4 课题研究的目的及意义  17-18
  1.5 课题主要研究内容及论文组织结构  18-21
    1.5.1 课题研究内容  18-19
    1.5.2 论文组织结构  19-21
第二章 气相色谱检测系统控制策略及检测方法研究  21-39
  2.1 气相色谱检测系统的构成  21-22
  2.2 气相色谱仪工艺指标及其影响因素  22-23
  2.3 气相色谱仪检测方案  23-26
    2.3.1 热导池检测器  24-25
    2.3.2 氢火焰电离检测器  25-26
  2.4 气相色谱仪控制策略  26-36
    2.4.1 温控对象的系统辨识  26-30
    2.4.2 PID控制原理与增量式PID  30-34
    2.4.3 参数自适应模糊PID控制  34-36
  2.5 气相色谱检测系统的总体结构  36-37
  2.6 本章小结  37-39
第三章 智能气相色谱检测系统的结构设计  39-54
  3.1 硬件系统设计准则  39-40
  3.2 气相色谱仪控制系统信号量的选取  40-41
  3.3 检测电路设计  41-43
    3.3.1 热导检测电路设计  41
    3.3.2 氢焰检测电路设计  41-43
  3.4 恒温控制电路设计  43-46
    3.4.1 温控硬件系统构成  43-44
    3.4.2 温度采集单元设计  44-45
    3.4.3 温度控制单元设计  45-46
  3.5 A/D转换电路设计  46-48
  3.6 人机接口电路设计  48-50
    3.6.1 键盘接口电路设计  48-49
    3.6.2 液晶屏接口电路设计  49-50
  3.7 Modbus现场总线模块设计  50-51
  3.8 硬件电路抗干扰设计  51-53
  3.9 本章小结  53-54
第四章 智能气相色谱检测系统控制策略的实现  54-74
  4.1 软件系统设计准则  54
  4.2 系统软件总体结构  54-56
  4.3 μC/OS—Ⅱ在TMS320LF2407上的移植  56-59
  4.4 温度控制单元软件设计  59-68
    4.4.1 模糊自适应PID控制器结构设计  59-60
    4.4.2 精确量的模糊化  60-61
    4.4.3 模糊规则库的设计  61-63
    4.4.4 模糊控制推理算法  63-65
    4.4.5 模糊量的清晰化  65-66
    4.4.6 模糊自适应PID算法的仿真  66
    4.4.7 模糊自适应PID算法的程序设计  66-68
  4.5 气相色谱检测系统的实验分析及数据管理  68-72
    4.5.1 色谱工作站的开发  68-69
    4.5.2 Access数据库管理  69-72
  4.6 软件抗干扰设计  72-73
  4.7 本章小结  73-74
第五章 智能气相色谱检测系统调试与实验  74-81
  5.1 调试环境的建立  74-75
  5.2 软硬件综合调试  75-77
    5.2.1 系统调试流程  75
    5.2.2 硬件调试  75-76
    5.2.3 软件调试  76-77
    5.2.4 系统联调  77
  5.3 智能气相色谱仪控制系统实验  77-78
  5.4 智能气相色谱仪样品测试阶段工作状态  78-80
  5.5 本章小结  80-81
第六章 总结与展望  81-83
  6.1 研究内容总结  81-82
  6.2 未来工作的展望  82-83
参考文献  83-87
攻读学位期间发表的学术论文目录  87-88
致谢  88

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中图分类: > 工业技术 > 机械、仪表工业 > 仪器、仪表 > 成分分析仪器 > 色谱仪
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