基于ARM的在线甲烷浓度检测仪

【摘要】：本文研制了一种专用于测试和预警矿井甲烷浓度的检测仪,它基于气体分子的红外吸收原理,采用了非分光技术(NDIR),并选用了带有ARM (Advanced RISC Machines) Cortex-M3内核的STM32单片机作为微处理单元对整个系统进行控制,并以滤光片将作为激励源的脉冲红外光源发出的光分为两路,一路光波长为3.31μm,称为测试通道,一路光波长为4.00μm,称为参考通道,通过对这两路通道的测试数据的参比处理,最终得出测试甲烷的浓度。在大量的研究考证中设计了一套相对完整的系统软硬件构架。硬件方面,提出了弯管气室的结构设计,有效延长光路使气体能充分吸收红外光,并将光源及热释电红外探测器集成在气室上构成一个完整的气体分析系统,使三者相对位置不变,有效减少误差。选择了合适的滤光片配合热释电探测器以达到单光路双波长的效果。设计了滤波和放大电路对探测器输出的微弱信号进行了调理以满足单片机处理电压范围,并设计有液晶输出接口对测量数据进行实时的显示,同时也能通过串口连接至上位机,对实验数据进行在线查询和保存。软件方面,采用模块化的设计方式,对测试数据的采集和处理进行了有效的编程控制,STM32驱动A/D转换模块采用了多次去噪算法、多次算术平均滤波和前向积分法对所得电压数据进行采集,最终提高了模数转换的分辨率,保证了测量的精度,且报警值写入EEPROM,实现了断电保存。 在仪器标定上,创新使用了在单片机中植入查询表程序的方式,即是在实验收集到一定量数据的基础上用有限的数据点在软件中用回归拟合的方式得到一条反映甲烷浓度与测试数据之间关系的呈指数式的曲线,再通过软件算出其一一对应的更密集的浓度点,将浓度与测试数据的对应信息以查询表程序的方式植入单片机,在实际测量过程中即可根据测试数据输出对应浓度信息。 大量实验显示,该检测仪具有不易中毒,不易爆炸和响应速度快的特点,且功耗和体积较小。偏移量最大仅0.286%,系统灵敏度达到了100ppm,响应时间为25S,测试系统的各项性能基本达标,达到了预期效果。 【关键词】：红外吸收原理 NDIR ARM Cortex-M3 甲烷浓度 弯管气室
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TP216
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-14
• 1.1 引言9-10
• 1.2 现有气体浓度检测仪的分类及比较10-11
• 1.3 红外气体检测仪的国内外发展趋势11-12
• 1.4 本课题的主要研究内容12-14
• 第二章 红外检测理论基础及甲烷浓度检测模型的建立14-24
• 2.1 红外光谱的形成与红外区的分类14-15
• 2.2 量子学说与分子内部的能级15-16
• 2.3 甲烷的红外吸收峰与分子结构之间的关系16-21
• 2.3.1 分子的振动分类17
• 2.3.2 分子的振动光谱17-20
• 2.3.3 本设计选用的甲烷气体红外吸收谱线20-21
• 2.4 甲烷浓度检测系统的理论基础21-24
• 2.4.1 朗伯-比尔定律21-22
• 2.4.2 非色散红外光谱法(NDIR)的特点和优势22-24
• 第三章 甲烷浓度检测仪的结构设计和器件选型24-50
• 3.1 系统的总体结构24-25
• 3.2 气室部分的结构设计25-39
• 3.2.1 气室的结构设计和原理25-27
• 3.2.2 红外辐射光源的选定27-31
• 3.2.3 红外探测器及其配套滤光片的选定31-39
• 3.3 小信号检测调理部分的设计39-48
• 3.3.1 系统总体电源供电电路39
• 3.3.2 光源驱动电路39-41
• 3.3.3 放大滤波电路41-44
• 3.3.4 液晶显示电路的设计44-46
• 3.3.5 声光报警电路设计46
• 3.3.6 基于ARM Cortex-M3内核的STM32系列处理器46-48
• 3.4 实际布线应考虑的问题48-50
• 第四章 甲烷浓度检测仪软件设计50-56
• 4.1 调制信号与放大后的输出信号的时序关系50-51
• 4.2 系统软件设计51-53
• 4.3 液晶显示功能模块设计53-54
• 4.4 串口通信功能模块设计54
• 4.5 软件调试54-56
• 第五章 仪器标定法与实验数据的分析56-65
• 5.1 浓度计算公式推导56
• 5.2 数据拟合方法56-57
• 5.3 查询表方法介绍57
• 5.4 实验过程及数据分析57-64
• 5.4.1 甲烷浓度测试仪的实验室标定57-59
• 5.4.2 实验步骤59
• 5.4.3 实验数据稳定性分析59-61
• 5.4.4 实验结果数据分析61-64
• 5.5 本章小结64-65
• 第六章 结论65-67
• 致谢67-68
• 参考文献68-71
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果71

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