红外吸收型煤矿甲烷检测仪的研制

【摘要】：利用甲烷气体对红外辐射有选择性吸收且吸收强度是甲烷浓度的函数这一关系，研制了红外吸收型煤矿甲烷检测仪。该检测仪将红外辐射强度转化为电压信号，实现对甲烷浓度的测量。 本文采用商用红外吸收型甲烷气体传感器IR32BC作为敏感探头，并根据该传感器的特点，设计了合理的光源调制电路和信号调理电路；采用TI公司的16位单片机MSP430F149作为检测仪的核心处理器，完成正弦信号峰-峰值的采集、数字滤波处理、浓度计算等功能；以单片机为基础，设计了温度采集模块、液晶显示模块、数据存储模块、串口通信模块、标准输出模块和报警模块等接口电路，通过对单片机编程实现各模块功能。当甲烷浓度超过预先设定的报警阈值时，则产生声光报警信号；为了防止系统掉电时数据丢失，采用EEPROM保存报警阈值、最新浓度值等重要数据；由于仪表的输出信号为4～20mA标准制式，可以很方便与其它设备互联，并且在一定程度上提高了信号传输距离；通过单片机内部集成的异步通信模块USART1和计算机串行接口RS-232，检测仪将浓度值和原始信号采样数据实时地传送到计算机，并以数据表的格式保存在数据库中，以满足测试标定时采集和处理大量数据的需要。 在实验室条件下，对该检测仪进行了标定，实验结果表明，该仪表实现了在5％体积分数范围内对甲烷气体浓度的检测，分辨率为500ppm，精度为±733ppm，在误差范围内有较好的重复性。 在上述工作的基础上，本文还设计并通过实验对红外吸收型甲烷气体传感器进行了研究，对如何确定红外光源的调制频率和采样气室长度两个关键参数做了探讨，并对传感器的反应时间、稳定性和灵敏度进行了测试和分析。 【关键词】：红外吸收 检测仪 单片机 传感器
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：TN215
【目录】：

• 独创性说明3-4
• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 1 绪论8-13
• 1.1 课题背景8-9
• 1.2 煤矿甲烷检测技术概述9-11
• 1.3 红外吸收型煤矿甲烷检测仪的国内外研究概况11-12
• 1.4 本文开展的主要工作12-13
• 2 红外吸收型气体传感器的工作原理13-18
• 2.1 Beer-Lambert定律13-14
• 2.2 红外吸收型气体传感器的结构14-16
• 2.2.1 红外光源14-15
• 2.2.2 红外探测器15-16
• 2.2.3 红外滤光片16
• 2.3 红外甲烷气体传感器 IR32BC16-18
• 3 红外吸收型煤矿甲烷检测仪的设计18-50
• 3.1 设计概述18
• 3.2 单片机的选择18-20
• 3.2.1 MSP430系列单片机与 MCS-51系列单片机的比较18-19
• 3.2.2 MSP430F149单片机19-20
• 3.3 系统硬件设计20-35
• 3.3.1 系统电源电路21-23
• 3.3.2 光源调制电路23-24
• 3.3.3 信号调理电路24-25
• 3.3.4 温度测量电路25-26
• 3.3.5 数据存储模块26-29
• 3.3.6 液晶显示模块29-30
• 3.3.7 4～20mA标准输出模块30-33
• 3.3.8 串口模块33-34
• 3.3.9 报警电路34-35
• 3.4 系统软件设计35-43
• 3.4.1 软件整体设计35-36
• 3.4.2 系统初始化36-39
• 3.4.3 定时器 Timer_A中断服务程序39-40
• 3.4.4 串口中断服务程序40-41
• 3.4.5 I~2C总线读、写时序的实现41-43
• 3.5 系统低功耗设计43-44
• 3.5.1 硬件低功耗设计43
• 3.5.2 软件低功耗设计43-44
• 3.6 测试及结果44-50
• 3.6.1 灵敏度标定与浓度测量44-47
• 3.6.2 4～20mA模拟信号输出测试47-50
• 4 红外吸收型甲烷气体传感器的研制50-57
• 4.1 红外光源IR715和红外探测器 LHI81450-51
• 4.2 光源调制频率的确定51-52
• 4.3 气室长度的确定52-54
• 4.4 传感器性能测试54-57
• 5 通信软件57-67
• 5.1 软件启动流程58
• 5.2 串口通信的实现58-60
• 5.3 系统数据库管理60-62
• 5.4 通信协议62-67
• 5.4.1 报文解析62-64
• 5.4.2 CRC校验64-67
• 结论67-68
• 参考文献68-70
• 附录A 红外吸收型煤矿甲烷检测仪电路图70-71
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况71-72
• 致谢72-73
• 大连理工大学学位论文版权使用授权书73

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