基于MSP430單片機(jī)的紅外甲烷檢測儀設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

【摘要】：甲烷是煤炭、石油和天然氣開采中的一種常見氣體。近年來，隨著國家工、農(nóng)業(yè)等產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，社會(huì)對這些能源的需求也與日劇增。在這些能源的開采過程中，跟甲烷氣體有關(guān)的安全事故時(shí)有發(fā)生。因此，針對甲烷的檢測研究工作具有十分重要的意義，及時(shí)、準(zhǔn)確的測量出甲烷的濃度，對保證工業(yè)安全生產(chǎn)和人民生命財(cái)產(chǎn)安全都有著十分重要的作用。 目前，國內(nèi)外比較先進(jìn)的檢測方法是選用紅外吸收原理來測量甲烷的濃度。這種方法克服了傳統(tǒng)檢測方法容易出錯(cuò)、檢測范圍窄、測量誤差大和需要經(jīng)常校準(zhǔn)等缺點(diǎn)，此外它還擁有一些其他的優(yōu)點(diǎn)，像響應(yīng)速度快、應(yīng)用范圍廣、選擇性好、穩(wěn)定性好和使用壽命長等。因此，本文根據(jù)紅外吸收原理的特點(diǎn)研制了一種甲烷濃度檢測儀。 根據(jù)甲烷對紅外光的吸收特點(diǎn)，本檢測儀選擇了3.31μm波長的紅外光來測量甲烷的濃度。為了消除外界和系統(tǒng)的干擾因素給甲烷濃度檢測帶來的影響，本檢測儀采用了差分檢測法來消除誤差。在對差分法的兩種基本方法作了較詳細(xì)的介紹和對比后，從檢測儀的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度與成本考慮，本文選擇了雙波長單光路差分法作為甲烷濃度檢測的基本方法。在此基礎(chǔ)上，本文以MSP430單片機(jī)為核心研制了甲烷檢測儀，它包括硬件部分設(shè)計(jì)和軟件部分設(shè)計(jì)。MSP430單片機(jī)具有極低的功耗、豐富的片上外設(shè)和系統(tǒng)工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，本檢測儀選取的單片機(jī)型號為MSP430F1611。 硬件部分設(shè)計(jì)主要包括光學(xué)測量部分和電路設(shè)計(jì)部分。其中光學(xué)測量部分主要由紅外光源、探測器和氣室等組成。根據(jù)檢測儀對紅外光源和探測器的性能要求，本文分別選取IRL715和PYS3228作為本檢測儀的光源和探測器，并且對工作氣室做了相應(yīng)的設(shè)計(jì)。根據(jù)所選紅外光源和紅外探測器的特點(diǎn)，分別設(shè)計(jì)了相應(yīng)的光源穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)電路和放大濾波電路，并對它們的功能做了一些分析。 軟件部分設(shè)計(jì)采用的是模塊化的設(shè)計(jì)方法，它主要包括信號的采集與處理模塊，濃度反演算法模塊，系統(tǒng)串行通信模塊，以及上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)模塊。其中重點(diǎn)對中值濾波和FIR低通濾波器的原理和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)作了介紹，并對所設(shè)計(jì)的FIR低通濾波器的濾波效果進(jìn)行了仿真分析。同時(shí)，詳細(xì)介紹了常用濃度反演算法（查表法、多項(xiàng)式插值法和多項(xiàng)式擬合法）的原理，并分析了它們各自的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種客觀的分段曲線擬合方法。此外，本文還重點(diǎn)介紹了單片機(jī)與E2PROM和單片機(jī)與上位機(jī)的通信實(shí)現(xiàn)，根據(jù)所選的E2PROM型號（AT24C02）和所用的接口標(biāo)準(zhǔn)（RS-232串口）的特性，分別設(shè)計(jì)了相應(yīng)的接口電路，以及根據(jù)它們所采用的通信協(xié)議設(shè)計(jì)了相應(yīng)的通信程序，實(shí)現(xiàn)了它們相互之間的通信。為了便于對待測氣體濃度進(jìn)行監(jiān)控和對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，本文還采用VB的MSComm控件編寫了具有特定功能的上位機(jī)軟件。 最后，本文在實(shí)驗(yàn)室條件下對所制作出的樣機(jī)進(jìn)行了性能測試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該檢測儀具有較高的準(zhǔn)確度、響應(yīng)速度和穩(wěn)定性，能滿足一定的生產(chǎn)要求。同時(shí)，根據(jù)所用元器件和設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn)，該檢測儀也具有較高的性價(jià)比和較廣闊的市場前景，其檢測方法對其他類似氣體檢測儀的研究也有一定的借鑒意義。 【關(guān)鍵詞】：甲烷 差分檢測法 FIR低通濾波器 濃度反演算法 串口通信
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：O659;TP368.12
【目錄】：

• 摘要3-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 緒論12-16
• 1.1 課題研究背景和意義12-13
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-15
• 1.2.1 國外研究動(dòng)態(tài)13-14
• 1.2.2 國內(nèi)研究動(dòng)態(tài)14-15
• 1.3 本課題的研究內(nèi)容和方法15-16
• 第二章 紅外甲烷檢測儀的檢測原理和方法16-22
• 2.1 紅外光譜分析16
• 2.2 紅外甲烷檢測原理16-17
• 2.3 差分吸收法17-20
• 2.3.1 單波長雙光路差分法18-19
• 2.3.2 雙波長單光路差分法19-20
• 2.4 本章小結(jié)20-22
• 第三章 紅外甲烷檢測儀系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)22-32
• 3.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)22
• 3.2 單片機(jī)的選型22-24
• 3.3 系統(tǒng)光學(xué)測量部分的設(shè)計(jì)24-28
• 3.3.1 紅外光源的選擇24-26
• 3.3.2 紅外探測器的選擇26-27
• 3.3.3 光學(xué)吸收氣室的設(shè)計(jì)27-28
• 3.4 系統(tǒng)電路部分的設(shè)計(jì)28-30
• 3.4.1 光源穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)28-29
• 3.4.2 放大濾波電路設(shè)計(jì)29-30
• 3.5 本章小結(jié)30-32
• 第四章 紅外甲烷檢測儀系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)32-46
• 4.1 軟件設(shè)計(jì)方法32-33
• 4.2 信號的采集與濾波處理33-40
• 4.2.1 A/D 轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)33-35
• 4.2.2 數(shù)字濾波處理35-40
• 4.2.2.1 中值濾波35-36
• 4.2.2.2 FIR 低通濾波器設(shè)計(jì)36-40
• 4.3 濃度反演算法設(shè)計(jì)40-45
• 4.3.1 查表法41
• 4.3.2 多項(xiàng)式插值法41-42
• 4.3.3 多項(xiàng)式擬合法42-45
• 4.4 本章小結(jié)45-46
• 第五章 紅外甲烷檢測儀系統(tǒng)的通信46-64
• 5.1 通信方式與傳輸速率46-47
• 5.2 單片機(jī)與 E2PROM 的通信實(shí)現(xiàn)47-53
• 5.2.1 單片機(jī)與 AT24C02 通信的接口電路設(shè)計(jì)47-49
• 5.2.1.1 AT24C02 芯片的特性47-48
• 5.2.1.2 單片機(jī)與 AT24C02 的接口電路48-49
• 5.2.2 單片機(jī)與 AT24C02 通信的軟件設(shè)計(jì)49-53
• 5.2.2.1 I2C 協(xié)議49
• 5.2.2.2 單片機(jī)的 I2C 模塊功能49-50
• 5.2.2.3 AT24C02 的讀寫操作50-52
• 5.2.2.4 AT24C02 的讀寫操作程序設(shè)計(jì)52-53
• 5.3 單片機(jī)與上位機(jī)的通信實(shí)現(xiàn)53-59
• 5.3.1 單片機(jī)與上位機(jī)通信的硬件設(shè)計(jì)54-56
• 5.3.1.1 RS-232C 接口標(biāo)準(zhǔn)54-55
• 5.3.1.2 單片機(jī)與上位機(jī)之間的接口電路設(shè)計(jì)55-56
• 5.3.2 單片機(jī)與上位機(jī)通信的軟件設(shè)計(jì)56-58
• 5.3.2.1 單片機(jī)的串行通信功能56-57
• 5.3.2.2 串行通信的編程實(shí)現(xiàn)57-58
• 5.3.3 單片機(jī)與上位機(jī)串行通信的擴(kuò)展58-59
• 5.4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)59-61
• 5.4.1 MSComm 控件的特點(diǎn)59-60
• 5.4.2 上位機(jī)軟件界面設(shè)計(jì)60-61
• 5.5 本章小結(jié)61-64
• 第六章 檢測儀的性能測試64-70
• 6.1 準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)65-66
• 6.2 工作穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)66-67
• 6.3 誤差原因分析67-68
• 6.4 本章小結(jié)68-70
• 第七章 總結(jié)與展望70-72
• 7.1 論文工作總結(jié)70-71
• 7.2 展望71-72
• 參考文獻(xiàn)72-76
• 致謝76-78
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文78

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