基于單片機的甲烷濃度檢測系統設計

趙亞麗

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

關鍵詞：甲烷濃度；單片機；檢測系統

近年來，隨著全國各行業的迅速發展，人們的生活水平得到了明顯提高，但是經濟迅速發展的同時帶來了日益嚴重的環境污染問題。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，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、天然氣以及煤礦當中，當其濃度達到爆炸極限后就有可能引發爆炸，極大地威脅著人身和設備安全。因此研制一個精度高、響應速度快且能實時檢測的甲烷濃度檢測系統，對有效預防環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、電化學測量法、光電離檢測方法、氣敏半導體檢測法、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、選擇性強且便于維護，所以本文將其作為甲烷濃度檢測系統的基本方法，以廉價的寬光譜紅外熱輻射光源（IR55）作為系統光源，采用差分檢測和諧波檢測技術相結合的方式構建了一個甲烷濃度檢測系統，優化了氣室結構，以期提高檢測系統的靈敏度和分辨率。

1 系統硬件設計

1.1 系統結構

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

單片機通過調制電路控制寬帶光源發出中心波長為1.66 μm，且正好掃描甲烷在這附近的整個吸收峰的光。光線經氣室后再經過濾光片得到中心波長相近的λ1和λ2兩束光，其中λ1對應甲烷氣體的吸收峰，為測量光；波長為λ2的光則不被氣體吸收，為參考光。兩路光經雙通道探測器完成光電轉換，經偏置放大電路放大后進入差分電路，再經鎖相放大器完成二次諧波檢測。波長為λ1的光束經探測器轉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除法器做除法運算，再經A/D轉換后送入單片機進行數據處理得到被測甲烷氣體濃度后完成顯示、報警等功能。

1.2 氣室設計

氣室的好壞關系到整個檢測系統的精度，是檢測系統的核心部件。本文設計的氣室由測量氣室和參考氣室組成，中間用黑色隔光擋板分開。每個氣室內用直角棱鏡增加光程長。這種結構的氣室能有效抑制光源不穩定等因素的影響[3]，從而提高檢測系統的可靠性，氣室結構如圖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 單片機選擇

單片機是本檢測系統的核心之一，系統的數據采集和處理以及顯示報警等功能都由它來完成。因此選擇單片機時既要注重便捷性也要考慮到功能性，本文選擇目前工業界功耗最低的MSP430F1611型單片機[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。MSP430F1611是采用精簡指令集結構的16位單片機，編譯器效率更高，且內置三通道DMA，令它的數據處理能力大幅度提升。MSP430F1611的第3個優點就是有豐富的外設，具有8路12位的A/D和兩路12位的D/A，使系統硬件設計大大簡化，工作穩定性好，且具有方便高效的開發環境，非常適用于工業環境。

2 系統軟件設計

基于MSP430單片機的甲烷濃度檢測系統的軟件功能主要包括以下幾部分：（1）系統初始化，各模塊功能參數設定；（2）啟動A/D，并將其結果回傳至單片機；（3）數據處理、顯示報警等功能，其主程序流程圖如下所示。

3 結語

本文介紹了基于MSP430F1611單片機的甲烷濃度檢測系統的硬件組成和軟件設計，構建了雙波長單光路型差分檢測和諧波檢測相結合的氣體濃度檢測系統。檢測氣室內兩個相對而立的全反射直角棱鏡設置，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合的方式，有效增強了系統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]

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

[2]周雷剛.高精度紅外光學氣體傳感器設計[D].太原：中北大學，2015.

[3]曾秋菊.光學式甲烷檢測系統設計及其信號處理方法研究[D].秦皇島：燕山大學，2015.

[4]陳根潮，石江宏，金曉坤.基于MSP430F1611的無線傳感器網絡終端的設計與實現[J].現代電子技術，2007（7）：43-45.