基于單片機(jī)的甲烷濃度檢測系統(tǒng)設(shè)計

趙亞麗

摘 要：以雙波長單光路差分檢測技術(shù)和諧波檢測技術(shù)為基礎(chǔ)，以MSP430單片機(jī)為核心控制部件，設(shè)計了一個甲烷濃度檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了甲烷濃度的實時檢測，給出了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件流程圖。同時，利用光子晶體光纖和全返直角棱鏡優(yōu)化了氣室結(jié)構(gòu)，使氣體吸收光程更長，提高了檢測系統(tǒng)的靈敏度。

關(guān)鍵詞：甲烷濃度；單片機(jī)；檢測系統(tǒng)

近年來，隨著全國各行業(yè)的迅速發(fā)展，人們的生活水平得到了明顯提高，但是經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的同時帶來了日益嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。其中，甲烷是主要氣體污染源之一，它能加劇全球的溫室效應(yīng)，使空氣中的氧氣濃度迅速降低，從而使人窒息死亡。此外，它又廣泛存在于沼氣、天然氣以及煤礦當(dāng)中，當(dāng)其濃度達(dá)到爆炸極限后就有可能引發(fā)爆炸，極大地威脅著人身和設(shè)備安全。因此研制一個精度高、響應(yīng)速度快且能實時檢測的甲烷濃度檢測系統(tǒng)，對有效預(yù)防環(huán)境污染和瓦斯爆炸有著重要意義。目前，常用的甲烷濃度檢測方法主要有接觸催化燃燒法、電化學(xué)測量法、光電離檢測方法、氣敏半導(dǎo)體檢測法、紅外光譜光吸收法等多種方法[1-2]，其中紅外光譜吸收檢測法靈敏度高、選擇性強(qiáng)且便于維護(hù)，所以本文將其作為甲烷濃度檢測系統(tǒng)的基本方法，以廉價的寬光譜紅外熱輻射光源（IR55）作為系統(tǒng)光源，采用差分檢測和諧波檢測技術(shù)相結(jié)合的方式構(gòu)建了一個甲烷濃度檢測系統(tǒng)，優(yōu)化了氣室結(jié)構(gòu)，以期提高檢測系統(tǒng)的靈敏度和分辨率。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

甲烷濃度檢測系統(tǒng)主要由寬光譜紅外光源、光源調(diào)制電路、氣室、濾光片、光電探測器、偏置放大器、鎖相放大器、單片機(jī)，射頻發(fā)射模塊、射頻接收模塊等主要部分組成，其整體框架如圖1所示。

單片機(jī)通過調(diào)制電路控制寬帶光源發(fā)出中心波長為1.66 μm，且正好掃描甲烷在這附近的整個吸收峰的光。光線經(jīng)氣室后再經(jīng)過濾光片得到中心波長相近的λ1和λ2兩束光，其中λ1對應(yīng)甲烷氣體的吸收峰，為測量光；波長為λ2的光則不被氣體吸收，為參考光。兩路光經(jīng)雙通道探測器完成光電轉(zhuǎn)換，經(jīng)偏置放大電路放大后進(jìn)入差分電路，再經(jīng)鎖相放大器完成二次諧波檢測。波長為λ1的光束經(jīng)探測器轉(zhuǎn)換和放大后被分為兩路，一路送入差分電路，一路送入鎖相放大器檢測一次諧波。一次諧波和二次信號經(jīng)除法器做除法運算，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到被測甲烷氣體濃度后完成顯示、報警等功能。

1.2 氣室設(shè)計

氣室的好壞關(guān)系到整個檢測系統(tǒng)的精度，是檢測系統(tǒng)的核心部件。本文設(shè)計的氣室由測量氣室和參考?xì)馐医M成，中間用黑色隔光擋板分開。每個氣室內(nèi)用直角棱鏡增加光程長。這種結(jié)構(gòu)的氣室能有效抑制光源不穩(wěn)定等因素的影響[3]，從而提高檢測系統(tǒng)的可靠性，氣室結(jié)構(gòu)如圖2所示。將兩個直角棱鏡的底面稍相對錯位放置，入射到氣室的光線會在兩個棱鏡之間形成往返多次的光路，從而有效增加被測氣體的吸收光程，提高檢測靈敏度。

1.3 單片機(jī)選擇

單片機(jī)是本檢測系統(tǒng)的核心之一，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和處理以及顯示報警等功能都由它來完成。因此選擇單片機(jī)時既要注重便捷性也要考慮到功能性，本文選擇目前工業(yè)界功耗最低的MSP430F1611型單片機(jī)[4]。它具有較低的功耗，工作電流只有280 μA，且從低功耗模式被中斷喚醒只需要6 μs，對外部事件能快速做出響應(yīng)。MSP430F1611是采用精簡指令集結(jié)構(gòu)的16位單片機(jī)，編譯器效率更高，且內(nèi)置三通道DMA，令它的數(shù)據(jù)處理能力大幅度提升。MSP430F1611的第3個優(yōu)點就是有豐富的外設(shè)，具有8路12位的A/D和兩路12位的D/A，使系統(tǒng)硬件設(shè)計大大簡化，工作穩(wěn)定性好，且具有方便高效的開發(fā)環(huán)境，非常適用于工業(yè)環(huán)境。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于MSP430單片機(jī)的甲烷濃度檢測系統(tǒng)的軟件功能主要包括以下幾部分：（1）系統(tǒng)初始化，各模塊功能參數(shù)設(shè)定；（2）啟動A/D，并將其結(jié)果回傳至單片機(jī)；（3）數(shù)據(jù)處理、顯示報警等功能，其主程序流程圖如下所示。

3 結(jié)語

本文介紹了基于MSP430F1611單片機(jī)的甲烷濃度檢測系統(tǒng)的硬件組成和軟件設(shè)計，構(gòu)建了雙波長單光路型差分檢測和諧波檢測相結(jié)合的氣體濃度檢測系統(tǒng)。檢測氣室內(nèi)兩個相對而立的全反射直角棱鏡設(shè)置，有效增加了氣體的吸收光程。采用差分檢測和諧波檢測相結(jié)合的方式，有效增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力和二次諧波檢測能力，提高了甲烷濃度測量的靈敏度和分辨率。

[參考文獻(xiàn)]

[1]遠(yuǎn)雙陽，茍瑞君，張楠.基于雙差分的高精度甲烷濃度探測系統(tǒng)[J].江西師范大學(xué)學(xué)報，2016（9）：465-467.

[2]周雷剛.高精度紅外光學(xué)氣體傳感器設(shè)計[D].太原：中北大學(xué)，2015.

[3]曾秋菊.光學(xué)式甲烷檢測系統(tǒng)設(shè)計及其信號處理方法研究[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2015.

[4]陳根潮，石江宏，金曉坤.基于MSP430F1611的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端的設(shè)計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007（7）：43-45.