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(zhù)國家工、農業(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(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，針對甲烷的檢測研究工作具有十分重要的意義，及時(shí)、準確的測量出甲烷的濃度，對保證工業(yè)安全生產(chǎn)和人民生命財產(chǎn)安全都有著(zhù)十分重要的作用。

　　目前，國內外比較先進(jìn)的檢測方法是選用紅外吸收原理來(lái)測量甲烷的濃度。這種方法克服了傳統檢測方法容易出錯、檢測范圍窄、測量誤差大和需要經(jīng)常校準等缺點(diǎn)，此外它還擁有一些其他的優(yōu)點(diǎn)，像響應速度快、應用范圍廣、選擇性好、穩定性好和使用壽命長(cháng)等。因此，本文根據紅外吸收原理的特點(diǎn)研制了一種甲烷濃度檢測儀。

　　根據甲烷對紅外光的吸收特點(diǎn)，本檢測儀選擇了 3.31?m 波長(cháng)的紅外光來(lái)測量甲烷的濃度。為了消除外界和系統的干擾因素給甲烷濃度檢測帶來(lái)的影響，本檢測儀采用了差分檢測法來(lái)消除誤差。在對差分法的兩種基本方法作了較詳細的介紹和對比后，從檢測儀的結構復雜度與成本考慮，本文選擇了雙波長(cháng)單光路差分法作為甲烷濃度檢測的基本方法。在此基礎上，本文以 MSP430 單片機為核心研制了甲烷檢測儀，它包括硬件部分設計和軟件部分設計。MSP430 單片機具有極低的功耗、豐富的片上外設和系統工作穩定等優(yōu)點(diǎn)，本檢測儀選取的單片機型號為 MSP430F1611。

　　硬件部分設計主要包括光學(xué)測量部分和電路設計部分。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的設計。根據所選紅外光源和紅外探測器的特點(diǎn)，分別設計了相應的光源穩壓驅動(dòng)電路和放大濾波電路，并對它們的功能做了一些分析。

　　軟件部分設計采用的是模塊化的設計方法，它主要包括信號的采集與處理模塊，濃度反演算法模塊，系統串行通信模塊，以及上位機軟件設計模塊。其中重點(diǎn)對中值濾波和FIR低通濾波器的原理和設計實(shí)現作了介紹，并對所設計的 FIR 低通濾波器的濾波效果進(jìn)行了仿真分析。同時(shí)，詳細介紹了常用濃度反演算法（查表法、多項式插值法和多項式擬合法）的原理，并分析了它們各自的特點(diǎn)，設計了一種客觀(guān)的分段曲線(xiàn)擬合方法。此外，本文還重點(diǎn)介紹了單片機與 E2PROM 和單片機與上位機的通信實(shí)現，根據所選的 E2PROM 型號（AT24C02）和所用的接口標準（RS-232 串口）的特性，分別設計了相應的接口電路，以及根據它們所采用的通信協(xié)議設計了相應的通信程序，實(shí)現了它們相互之間的通信。為了便于對待測氣體濃度進(jìn)行監控和對數據進(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軟件。

　　最后，本文在實(shí)驗室條件下對所制作出的樣機進(jìn)行了性能測試實(shí)驗。

　　實(shí)驗結果表明，該檢測儀具有較高的準確度、響應速度和穩定性，能滿(mǎn)足一定的生產(chǎn)要求。同時(shí)，根據所用元器件和設計方法的特點(diǎn)，該檢測儀也具有較高的性?xún)r(jià)比和較廣闊的市場(chǎng)前景，其檢測方法對其他類(lèi)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

ABSTRACT

　　Methane is common gas in the petroleum, natural-gas and coal exploration. In recent years, with the rapid development of the national industry, agriculture and other industries, the social demand for these energy increases with every passing day. In the process of energy exploitation, safety accidents related to methane gas have occurred. Therefore, it has very important significance for the research work of methane gas detection. Measuring the concentration of methane gas in a timely and accurately, it plays a very important role to ensure the safety of industrial production, people's life and property.

　　At present, the more advanced detection method at home and abroad is to measure the concentration of methane gas by infrared absorption principle. This method overcomes some shortcomings of the traditional detection methods, such as easily be wrong, narrow detection scope, large measuring error and the need for frequent calibration etc. It also has some other advantage, such as fast response speed, good selectivity, good stability, long service life and wide application range and so on. Therefore, this paper has developed a methane gas concentration detector based on the infrared absorption principle. According to the absorption characteristics of methane to infrared light, this detector selected the 3.31?m wavelength to measure methane gas concentration. In order to eliminate the influence of interference factors of external and system, the detector used the differential detection method to eliminate the measurement error of methane concentration. After making a more detailed presentation and comparison to two basic methods of the difference method, considering from the complexity and cost of the detector’s structure, this paper chooses dual wavelength single optical path difference method as the basic method of methane gas concentration detection. On this basis, this paper developed a methane detection instrument with MSP430 single chip computer as the core, which includes hardware part design and software part design. The MSP430 microcontrollers has some advantages, such as very low power consumption, rich on-chip peripherals, system stability and so on, selection model is the MSP430F1611 microcontroller for this detector.

　　The hardware design mainly includes the optical measuring part and the circuit design part. The optical measurement is mainly composed of an infrared light source, prober and a gas chamber etc. According performance requirements of the detector to the infrared light source and prober, this paper respectively selected IRL715 and PYS3228 as the light source and prober of this detector, and do the corresponding design for the gas chamber. According to the characteristics of the selected infrared light source and prober, respectively designed the corresponding source voltage drive circuit and amplifying filter circuit, and did some analysis for their characteristics.

　　The software part design adopted the modular design method, mainly includes the data acquisition and processing module of signal, concentration retrieval algorithm module, serial communication module of the system, and the computer software design module. This paper focused on introducing the principles and the design enablement of the median filter and FIR low-pass filter, and simulation analysis the effect of the FIR low-pass filter. Meanwhile, detailed introduced the principle of commonly used Concentration Retrieval Algorithm (look-up table method, the polynomial interpolation and polynomial fitting method), and analyzed their respective characteristics, designed an objective piecewise curve fitting methods. In addition, this paper also focused on the communication implementation between MCU and E2 PROM, and between MCU and computer. According to the selected E2PROM model (AT24C02) and the characteristics of the interface standard used (RS-232 serial), respectively designed the corresponding interface circuit, and according to the communication protocol which they used to design the corresponding communication program, to achieve the communication between each other. In order to easily monitor the measured gas concentration and facilitate data processing, the paper also written the PC software with specific function by using VB MSComm control.

　　Finally, this paper did performance test for the prototype under laboratory conditions. The experimental results show that the detector has high accuracy, response speed and stability, and can meet certain production requirements. At the same time, according to the characteristics of the design methods and the components used, the detector also has a high cost performance and relatively broad market prospects. Its detection method also has certain reference meanings to the research of other similar gas detector.

　　KEY WORDS: methane, differential detection method, FIR low-pass filter, concentration inversion algorithm, serial communication

　　近年來(lái)，隨著(zhù)國家工、農業(yè)等產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，社會(huì )對煤炭、石油和天然氣等能源的需求也與日劇增。在其生產(chǎn)和運輸過(guò)程中，時(shí)有安全事故發(fā)生，直接造成人員的傷亡和財產(chǎn)的損失，影響十分惡劣。因此，如何在日常生產(chǎn)和運輸中做好檢測、防護工作，是個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。針對這種情況，國家安全生產(chǎn)監督管理總局提出了“科技興安”的戰略，希望能夠運用先進(jìn)的科技手段來(lái)防止事故的發(fā)生，降低事故的發(fā)生率[1]。因此，針對危險化學(xué)氣體檢測儀的研究工作具有十分重要的意義，甲烷氣體的檢測就是其中重要問(wèn)題之一。

　　礦井中的瓦斯氣體的主要組成成分就是甲烷，其含量大約在 83%到 89%之間[2]。瓦斯爆炸是一種十分劇烈的化學(xué)反應，爆炸時(shí)將產(chǎn)生高溫火焰，溫度最高可以達到 2600多度，這樣的高溫火焰不僅會(huì )直接給人員造成傷害，而且還可能會(huì )引起煤塵爆炸或者礦井火災，從而對井下人員造成二次傷害；爆炸發(fā)生后還將產(chǎn)生許多有毒、有害氣體，降低空氣中的含氧量，使人員呼吸困難；此外，爆炸產(chǎn)生的高壓氣體會(huì )形成沖擊波，這樣的高壓沖擊波會(huì )造成井巷、設備的破壞以及人員的傷亡[3,4]。在我國，瓦斯爆炸是最常見(jiàn)的重大安全事故，據人民網(wǎng)報道：僅 2014 年，就先后有云南曲靖、安徽淮南、新疆這些地方發(fā)生重大瓦斯爆炸事故，事故總共造成了 80 多人死亡，直接經(jīng)濟損失超過(guò)一億元。

　　瓦斯爆炸的發(fā)生必須具備三個(gè)基本的條件：（1）空氣中瓦斯濃度范圍在 5%~16%；（2）有溫度為 650~750℃的引爆火源；（3）空氣中氧氣含量不低于 12%[5,6]。三個(gè)條件中的任何一個(gè)沒(méi)滿(mǎn)足，瓦斯爆炸就不可能發(fā)生，因此避免瓦斯爆炸事故發(fā)生的一種有效方法是控制空氣中甲烷濃度不要超過(guò) 5%。如果有儀器或方法可以準確的檢測出甲烷氣體的濃度，那么工作人員就能夠提前知道礦井中瓦斯氣體的濃度，一旦發(fā)現濃度超限，就能及時(shí)采取有效的措施去處理，這樣能夠解決煤礦生產(chǎn)中的一些安全隱患，減少事故發(fā)生的可能性。

　　目前，我國大多數的煤礦采用的是熱催化元件的方法來(lái)測量瓦斯氣體的濃度。其檢測精度不高，檢測范圍窄，檢測高濃度氣體時(shí)容易出現錯誤，易受其他氣體成分的干擾；并且這種檢測儀的一致性和互換性較差，需要頻繁校準，使用起來(lái)十分不方便[7]。因此，迫切需要研究和開(kāi)發(fā)新型的甲烷檢測儀及檢測系統來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。隨著(zhù)紅外光譜技術(shù)日益廣泛的應用，目前國內外較為先進(jìn)的方法是采用紅外吸收原理來(lái)檢測氣體濃度。它克服了傳統檢測方法容易出錯和易受周?chē)�環(huán)境影響等缺點(diǎn)，同時(shí)它還具有一些其他的優(yōu)點(diǎn)，像響應速度快、應用范圍廣、選擇性好、穩定性好和使用壽命長(cháng)等[8,9]。因此，采用紅外原理來(lái)研究開(kāi)發(fā)甲烷檢測儀及檢測系統，將對保障工業(yè)生產(chǎn)安全和人民生命財產(chǎn)安全有著(zhù)十分重要的作用，其應用前景也比較廣闊。

　　國外發(fā)達國家很早就開(kāi)始對一氧化碳、二氧化碳、甲烷等氣體的檢測儀器進(jìn)行研究。

　　在研究中，陸續的出現了好多種檢測方法，比如氣相色譜法、光學(xué)干涉法和紅外光譜吸收法等[10]。紅外吸收法是其中最有效和使用最多的方法之一。

　　20 世紀 70 年代，德國 研制出了一種 防爆型紅外一氧化碳濃度檢測儀SIGMA-CO[11,12]。該儀器的選擇性和靈敏度都比較高，其主要用于礦井中一氧化碳濃度的檢測。其不足之處是體積較大，需要頻繁的更換氣體過(guò)濾器，使用十分不方便。

　　20 世紀 80 年代，法國研制出了防爆型紅外二氧化碳濃度檢測儀。該檢測儀采用的是獨特的開(kāi)放式氣室結構，并具有自診斷電路的特點(diǎn)。在使用過(guò)程中，能夠對紅外光源老化、探測器老化、光學(xué)器件灰塵堆積所引起的誤差等進(jìn)行自動(dòng)補償。其具有測量精度高、可靠性好、使用方便等優(yōu)點(diǎn)[13]。

　　20 世紀 90 年代初，歐羅斯研制出了 CNTMA-CO-B 型礦用 CO 檢測裝置。該裝置能夠進(jìn)行自動(dòng)檢測和校準，并且具有較高的靈敏度、較好的選擇性，精度為±6%[14]。

　　九十年代以來(lái)，隨著(zhù)光學(xué) MEMS（Micro-Electro-Mechanic System，微機電系統）技術(shù)的迅速發(fā)展，使得紅外氣體檢測系統能夠實(shí)現小型化。與傳統器件相比，采用 MEMS技術(shù)的微小型紅外氣體傳感器在功耗、穩定性、靈敏度、可靠性、使用壽命以及價(jià)格成本等方面都有著(zhù)顯著(zhù)優(yōu)勢[15,16]。因此，對這方面的研究也日益增加。

　　進(jìn)入第二十一世紀后，紅外甲烷檢測儀在國內外發(fā)展十分迅速，有很多這方面的產(chǎn)品被研制，其中也有很多產(chǎn)品進(jìn)入了國內市場(chǎng)。比如英國 Geotech 公司生產(chǎn)的在線(xiàn)式沼氣分析儀 GA3000 和便攜式沼氣分析儀 GA5000，它們都能同時(shí)對 CH4、CO2、O2以及H2S 進(jìn)行檢測；美國賽默飛公司生產(chǎn)的 48i 系列一氧化碳分析儀，它的量程可選，用戶(hù)可遠程下載分析結果；德國福德士公司生產(chǎn)的移動(dòng)型高溫紅外分析系統 MCA10M，它同時(shí)可測量 11 個(gè)紅外組分（CH4、CO、CO2、NO 等）和 O2，其分辨率、重復性、線(xiàn)性誤差和零點(diǎn)漂移都能達到 1%。意大利、日本、法國等多家公司也相繼生產(chǎn)出了有關(guān)的紅外氣體檢測儀。

　　這些儀器都是運用紅外傳感技術(shù)研發(fā)的，其可靠性高，安全防爆，穩定性好，具有一定的數據采集功能，具體應用在醫學(xué)生理研究、工礦安全檢測、環(huán)境檢測等方面。總體來(lái)說(shuō)，雖然國外生產(chǎn)的一些紅外氣體檢測儀擁有較好的性能、技術(shù)也較先進(jìn)，但是其價(jià)格也同樣比較昂貴，在實(shí)際生產(chǎn)使用方面受到了很大的限制。

　　國內在 80 年代末才開(kāi)始對紅外氣體傳感器進(jìn)行研究。由于 DFB 激光器（ DistributedFeedback Laser，分布式反饋激光器）的成本比較高，國內通常都是選用 LED 型光源來(lái)研究紅外氣體傳感器[17]。

　　1989 年，西安應用光機研究所的郭栓運介紹了利用光纖系統測量氣體成份含量的新方法，并對其基本原理、實(shí)驗框圖和具體實(shí)例都做了具體介紹[18]。

　　1996 年，山西礦院探討了現有紅外傳感器的光路結構，并設計出了能應用于礦井下的光學(xué)系統，同時(shí)對斬波技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，采用以單片機為核心的軟件處理技術(shù)來(lái)進(jìn)行信號處理[19]。

　　2000 年，浙江大學(xué)的葉劍鋒、湯偉中采用中心波長(cháng)為 1.3?m 的 LED 做光源，完成了對甲烷氣體的測量，其檢測的靈敏度為 1300 ppm/m[20]。

　　2004 年，武漢四方光電科技有限公司在非分光紅外（NDIR）氣體傳感器技術(shù)研究方面取得了新進(jìn)展[21]，這一研究結果標志著(zhù)我國在這一方面的研究已處于跟蹤階段，進(jìn)入了初級水平。同年，中國礦業(yè)大學(xué)的朱朱志英、王汝琳設計研發(fā)了一種新型礦用紅外瓦斯檢測儀，該儀器采用的是雙探測器、雙光源的結構，具有一定的穩定性、可靠性和防爆功能，能在危險和惡劣環(huán)境下使用[22]。

　　2006 年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的王書(shū)濤、車(chē)仁生、王玉田等人應用二次諧波檢測技術(shù)研究了一種光纖甲烷氣體檢測系統，該系統采用全光纖結構，它的性能穩定、靈敏度高、重復性好[23]。

　　近年來(lái)，由于微電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，帶動(dòng)了 MEMS 技術(shù)的迅猛發(fā)展，國內中科院上海微系統研究所、復旦大學(xué)、中北大學(xué)等單位先后對這一方面進(jìn)行了研究，而且都已經(jīng)取得了一定的成果[24]。

　　目前國內生產(chǎn)紅外氣體檢測儀的廠(chǎng)家主要有武漢四方光電科技有限公司、鄭州煒盛電子科技有限公司、重慶煤科院、南京儀器、西安聚能儀器等，他們的產(chǎn)品雖然價(jià)格較國外的便宜，但由于礦井環(huán)境復雜，產(chǎn)品性能的穩定性受到很大挑戰，時(shí)常出現一些誤測的現象，因此難以大規模的推廣使用。目前國內應用于實(shí)際生產(chǎn)中的氣體檢測系統的關(guān)鍵部件（整個(gè)傳感頭）一般都是從國外進(jìn)口的，整個(gè)傳感頭的進(jìn)口價(jià)格昂貴，而選取一些相應的器件設計出滿(mǎn)足功能要求的傳感頭能極大地降低使用成本，所以針對紅外氣體檢測系統的研究有著(zhù)十分深遠的意義，國內市場(chǎng)應用前景也十分的廣闊。

紅外光甲烷檢測儀設計：

單片機與 AT24C02 的接口電路圖

時(shí)序圖

單字節寫(xiě)操作順序圖

按頁(yè)寫(xiě)操作順序圖

基于 MAX232 芯片的串口電路連接圖

USART 模塊的完整功能框圖

上位機軟件界面

檢測儀實(shí)物圖

實(shí)驗測試裝備

濃度值對比圖

目 錄

　　摘 要
　　ABSTRACT
　　第一章 緒論
　　　　1.1 課題研究背景和意義
　　　　1.2 國內外研究現狀
　　　　　　1.2.1 國外研究動(dòng)態(tài)
　　　　　　1.2.2 國內研究動(dòng)態(tài)
　　　　1.3 本課題的研究?jì)热莺头椒?br /> 　　第二章 紅外甲烷檢測儀的檢測原理和方法
　　　　2.1 紅外光譜分析
　　　　2.2 紅外甲烷檢測原理
　　　　2.3 差分吸收法
　　　　　　2.3.1 單波長(cháng)雙光路差分法
　　　　　　2.3.2 雙波長(cháng)單光路差分法
　　　　2.4 本章小結
　　第三章 紅外甲烷檢測儀系統的結構設計
　　　　3.1 系統的總體結構
　　　　3.2 單片機的選型
　　　　3.3 系統光學(xué)測量部分的設計
　　　　　　3.3.1 紅外光源的選擇
　　　　　　3.3.2 紅外探測器的選擇
　　　　　　3.3.3 光學(xué)吸收氣室的設計
　　　　3.4 系統電路部分的設計
　　　　　　3.4.1 光源穩壓驅動(dòng)電路設計
　　　　　　3.4.2 放大濾波電路設計
　　　　3.5 本章小結
　　第四章 紅外甲烷檢測儀系統的軟件設計
　　　　4.1 軟件設計方法
　　　　4.2 信號的采集與濾波處理
　　　　　　4.2.1 A/D 轉換程序設計
　　　　　　4.2.2 數字濾波處理
　　　　　　　　4.2.2.1 中值濾波
　　　　　　　　4.2.2.2 FIR 低通濾波器設計
　　　　4.3 濃度反演算法設計
　　　　　　4.3.1 查表法
　　　　　　4.3.2 多項式插值法
　　　　　　4.3.3 多項式擬合法
　　　　4.4 本章小結
　　第五章 紅外甲烷檢測儀系統的通信
　　　　5.1 通信方式與傳輸速率
　　　　5.2 單片機與 E2PROM 的通信實(shí)現
　　　　　　5.2.1 單片機與 AT24C02 通信的接口電路設計
　　　　　　　　5.2.1.1 AT24C02 芯片的特性
　　　　　　　　5.2.1.2 單片機與 AT24C02 的接口電路
　　　　　　5.2.2 單片機與 AT24C02 通信的軟件設計
　　　　　　　　5.2.2.1 I2C 協(xié)議
　　　　　　　　5.2.2.2 單片機的 I2C 模塊功能
　　　　　　　　5.2.2.3 AT24C02 的讀寫(xiě)操作
　　　　　　　　5.2.2.4 AT24C02 的讀寫(xiě)操作程序設計
　　　　5.3 單片機與上位機的通信實(shí)現
　　　　　　5.3.1 單片機與上位機通信的硬件設計
　　　　　　　　5.3.1.1 RS-232C 接口標準
　　　　　　　　5.3.1.2 單片機與上位機之間的接口電路設計
　　　　　　5.3.2 單片機與上位機通信的軟件設計
　　　　　　　　5.3.2.1 單片機的串行通信功能
　　　　　　　　5.3.2.2 串行通信的編程實(shí)現
　　　　　　5.3.3 單片機與上位機串行通信的擴展
　　　　5.4 上位機軟件設計
　　　　　　5.4.1 MSComm 控件的特點(diǎn)
　　　　　　5.4.2 上位機軟件界面設計
　　　　5.5 本章小結
　　第六章 檢測儀的性能測試
　　　　6.1 準確度實(shí)驗
　　　　6.2 工作穩定性實(shí)驗
　　　　6.3 誤差原因分析
　　　　6.4 本章小結
　　第七章 總結與展望
　　　　7.1 論文工作總結
　　　　7.2 展望
　　參考文獻
　　致謝
　　攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文

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