基于MSP430单片机的红外甲烷检测仪设计及实现

【摘要】：甲烷是煤炭、石油和天然气开采中的一种常见气体。近年来，随着国家工、农业等产业的迅猛发展，社会对这些能源的需求也与日剧增。在这些能源的开采过程中，跟甲烷气体有关的安全事故时有发生。因此，针对甲烷的检测研究工作具有十分重要的意义，及时、准确的测量出甲烷的浓度，对保证工业安全生产和人民生命财产安全都有着十分重要的作用。 目前，国内外比较先进的检测方法是选用红外吸收原理来测量甲烷的浓度。这种方法克服了传统检测方法容易出错、检测范围窄、测量误差大和需要经常校准等缺点，此外它还拥有一些其他的优点，像响应速度快、应用范围广、选择性好、稳定性好和使用寿命长等。因此，本文根据红外吸收原理的特点研制了一种甲烷浓度检测仪。 根据甲烷对红外光的吸收特点，本检测仪选择了3.31μm波长的红外光来测量甲烷的浓度。为了消除外界和系统的干扰因素给甲烷浓度检测带来的影响，本检测仪采用了差分检测法来消除误差。在对差分法的两种基本方法作了较详细的介绍和对比后，从检测仪的结构复杂度与成本考虑，本文选择了双波长单光路差分法作为甲烷浓度检测的基本方法。在此基础上，本文以MSP430单片机为核心研制了甲烷检测仪，它包括硬件部分设计和软件部分设计。MSP430单片机具有极低的功耗、丰富的片上外设和系统工作稳定等优点，本检测仪选取的单片机型号为MSP430F1611。 硬件部分设计主要包括光学测量部分和电路设计部分。其中光学测量部分主要由红外光源、探测器和气室等组成。根据检测仪对红外光源和探测器的性能要求，本文分别选取IRL715和PYS3228作为本检测仪的光源和探测器，并且对工作气室做了相应的设计。根据所选红外光源和红外探测器的特点，分别设计了相应的光源稳压驱动电路和放大滤波电路，并对它们的功能做了一些分析。 软件部分设计采用的是模块化的设计方法，它主要包括信号的采集与处理模块，浓度反演算法模块，系统串行通信模块，以及上位机软件设计模块。其中重点对中值滤波和FIR低通滤波器的原理和设计实现作了介绍，并对所设计的FIR低通滤波器的滤波效果进行了仿真分析。同时，详细介绍了常用浓度反演算法（查表法、多项式插值法和多项式拟合法）的原理，并分析了它们各自的特点，设计了一种客观的分段曲线拟合方法。此外，本文还重点介绍了单片机与E2PROM和单片机与上位机的通信实现，根据所选的E2PROM型号（AT24C02）和所用的接口标准（RS-232串口）的特性，分别设计了相应的接口电路，以及根据它们所采用的通信协议设计了相应的通信程序，实现了它们相互之间的通信。为了便于对待测气体浓度进行监控和对数据进行处理，本文还采用VB的MSComm控件编写了具有特定功能的上位机软件。 最后，本文在实验室条件下对所制作出的样机进行了性能测试实验。实验结果表明，该检测仪具有较高的准确度、响应速度和稳定性，能满足一定的生产要求。同时，根据所用元器件和设计方法的特点，该检测仪也具有较高的性价比和较广阔的市场前景，其检测方法对其他类似气体检测仪的研究也有一定的借鉴意义。 【关键词】：甲烷 差分检测法 FIR低通滤波器 浓度反演算法 串口通信
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O659;TP368.12
【目录】：

• 摘要3-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 绪论12-16
• 1.1 课题研究背景和意义12-13
• 1.2 国内外研究现状13-15
• 1.2.1 国外研究动态13-14
• 1.2.2 国内研究动态14-15
• 1.3 本课题的研究内容和方法15-16
• 第二章 红外甲烷检测仪的检测原理和方法16-22
• 2.1 红外光谱分析16
• 2.2 红外甲烷检测原理16-17
• 2.3 差分吸收法17-20
• 2.3.1 单波长双光路差分法18-19
• 2.3.2 双波长单光路差分法19-20
• 2.4 本章小结20-22
• 第三章 红外甲烷检测仪系统的结构设计22-32
• 3.1 系统的总体结构22
• 3.2 单片机的选型22-24
• 3.3 系统光学测量部分的设计24-28
• 3.3.1 红外光源的选择24-26
• 3.3.2 红外探测器的选择26-27
• 3.3.3 光学吸收气室的设计27-28
• 3.4 系统电路部分的设计28-30
• 3.4.1 光源稳压驱动电路设计28-29
• 3.4.2 放大滤波电路设计29-30
• 3.5 本章小结30-32
• 第四章 红外甲烷检测仪系统的软件设计32-46
• 4.1 软件设计方法32-33
• 4.2 信号的采集与滤波处理33-40
• 4.2.1 A/D 转换程序设计33-35
• 4.2.2 数字滤波处理35-40
• 4.2.2.1 中值滤波35-36
• 4.2.2.2 FIR 低通滤波器设计36-40
• 4.3 浓度反演算法设计40-45
• 4.3.1 查表法41
• 4.3.2 多项式插值法41-42
• 4.3.3 多项式拟合法42-45
• 4.4 本章小结45-46
• 第五章 红外甲烷检测仪系统的通信46-64
• 5.1 通信方式与传输速率46-47
• 5.2 单片机与 E2PROM 的通信实现47-53
• 5.2.1 单片机与 AT24C02 通信的接口电路设计47-49
• 5.2.1.1 AT24C02 芯片的特性47-48
• 5.2.1.2 单片机与 AT24C02 的接口电路48-49
• 5.2.2 单片机与 AT24C02 通信的软件设计49-53
• 5.2.2.1 I2C 协议49
• 5.2.2.2 单片机的 I2C 模块功能49-50
• 5.2.2.3 AT24C02 的读写操作50-52
• 5.2.2.4 AT24C02 的读写操作程序设计52-53
• 5.3 单片机与上位机的通信实现53-59
• 5.3.1 单片机与上位机通信的硬件设计54-56
• 5.3.1.1 RS-232C 接口标准54-55
• 5.3.1.2 单片机与上位机之间的接口电路设计55-56
• 5.3.2 单片机与上位机通信的软件设计56-58
• 5.3.2.1 单片机的串行通信功能56-57
• 5.3.2.2 串行通信的编程实现57-58
• 5.3.3 单片机与上位机串行通信的扩展58-59
• 5.4 上位机软件设计59-61
• 5.4.1 MSComm 控件的特点59-60
• 5.4.2 上位机软件界面设计60-61
• 5.5 本章小结61-64
• 第六章 检测仪的性能测试64-70
• 6.1 准确度实验65-66
• 6.2 工作稳定性实验66-67
• 6.3 误差原因分析67-68
• 6.4 本章小结68-70
• 第七章 总结与展望70-72
• 7.1 论文工作总结70-71
• 7.2 展望71-72
• 参考文献72-76
• 致谢76-78
• 攻读硕士学位期间发表的论文78

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