【摘要】：甲烷是煤炭、石油和天然氣開(kāi)采中的一種常見(jiàn)氣體。近年來(lái)，隨著國(guó)家工、農(nóng)業(yè)等產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，社會(huì)對(duì)這些能源的需求也與日劇增。在這些能源的開(kāi)采過(guò)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(duì)甲烷的檢測(cè)研究工作具有十分重要的意義，及時(shí)、準(zhǔn)確的測(cè)量出甲烷的濃度，對(duì)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(guó)內(nèi)外比較先進(jìn)的檢測(cè)方法是選用紅外吸收原理來(lái)測(cè)量甲烷的濃度。這種方法克服了傳統(tǒng)檢測(cè)方法容易出錯(cuò)、檢測(cè)范圍窄、測(cè)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(zhǎng)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(cè)儀。根據(jù)甲烷對(duì)紅外光的吸收特點(diǎn)，本檢測(cè)儀選擇了3.31μm波長(zhǎng)的紅外光來(lái)測(cè)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(cè)帶來(lái)的影響，本檢測(cè)儀采用了差分檢測(cè)法來(lái)消除誤差。在對(duì)差分法的兩種基本方法作了較詳細(xì)的介紹和對(duì)比后，從檢測(cè)儀的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度與成本考慮，本文選擇了雙波長(zhǎng)單光路差分法作為甲烷濃度檢測(cè)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(cè)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(cè)儀選取的單片機(jī)型號(hào)為MSP430F1611。硬件部分設(shè)計(jì)主要包括光學(xué)測(cè)量部分和電路設(shè)計(jì)部分。其中光學(xué)測(cè)量部分主要由紅外光源、探測(cè)器和氣室等組成。根據(jù)檢測(cè)儀對(duì)紅外光源和探測(cè)器的性能要求甲烷檢測(cè)儀，本文分別選取IRL715和PYS3228作為本檢測(cè)儀的光源和探測(cè)器氧氣報(bào)警器，并且對(duì)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(cè)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(duì)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(hào)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(duì)中值濾波和FIR低通濾波器的原理和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)作了介紹臭氧檢測(cè)儀，并對(duì)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(hào)（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(duì)待測(cè)氣體濃度進(jìn)行監(jiān)控和對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，本文還采用VB的MSComm控件編寫(xiě)了具有特定功能的上位機(jī)軟件。最后甲烷檢測(cè)儀，本文在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)所制作出的樣機(jī)進(jìn)行了性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該檢測(cè)儀具有較高的準(zhǔn)確度、響應(yīng)速度和穩(wěn)定性甲烷檢測(cè)儀，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(cè)儀也具有較高的性價(jià)比和較廣闊的市場(chǎng)前景，其檢測(cè)方法對(duì)其他類(lèi)似氣體檢測(cè)儀的研究也有一定的借鑒意義。
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