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【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、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、檢測范圍窄、測量誤差大和需要經(jīng)常校準(zhǔn)等缺點，此外它還擁有一些其他的優(yōu)點，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，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)計和軟件部分設(shè)計。

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，本檢測儀選取的單片機(jī)型號為MSP430F1611。硬件部分設(shè)計主要包括光學(xué)測量部分和電路設(shè)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(jù)檢測儀對紅外光源和探測器的性能要求甲烷檢測儀，本文分別選取IRL715和PYS3228作為本檢測儀的光源和探測器氧氣報警器，并且對工作氣室做了相應(yīng)的設(shè)計。根據(jù)所選紅外光源和紅外探測器的特點，分別設(shè)計了相應(yīng)的光源穩(wěn)壓驅(qū)動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)計采用的是模塊化的設(shè)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(tǒng)串行通信模塊，以及上位機(jī)軟件設(shè)計模塊。其中重點對中值濾波和FIR低通濾波器的原理和設(shè)計實現(xiàn)作了介紹臭氧檢測儀，并對所設(shè)計的FIR低通濾波器的濾波效果進(jìn)行了仿真分析。同時，詳細(xì)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，設(shè)計了一種客觀的分段曲線擬合方法。此外，本文還重點介紹了單片機(jī)與E2PROM和單片機(jī)與上位機(jī)的通信實現(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)計了相應(yīng)的通信程序，實現(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。最后甲烷檢測儀，本文在實驗室條件下對所制作出的樣機(jī)進(jìn)行了性能測試實驗。實驗結(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)定性甲烷檢測儀，能滿足一定的生產(chǎn)要求。同時，根據(jù)所用元器件和設(shè)計方法的特點，該檢測儀也具有較高的性價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。

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