非分光红外线甲烷气体检测仪的设计与实现

摘要

本论文研究了一种非分光红外线甲烷气体检测系统。它具有体积小、防爆型好、使用寿命长和精度高等特点，可广泛应用于工业甲烷气体安检，煤矿瓦斯超标，大气中有害气体检测和个人家庭中管道气体泄漏等有关甲烷气体浓度检测的场合。 甲烷气体作为一种化工原料和可燃气体，在人们的生活工作环境中比较可见。目前，全世界各国都在大力发展石油天然气工业以及煤炭工业，由此引起的与甲烷气体有关的泄漏事故也日益增加。大气温室效应的有害气体中甲烷也是主要气体之一。尾气排放量中的甲烷含量超标问题；家庭管道天然气或煤气的泄漏事故，这些都对人们工作和生活环境的安全产生了威胁。因此，甲烷的探测和由甲烷泄漏引发的问题越来越受到人们的关注。目前国内用于甲烷探测的设备普遍存在问题，如设备探测范围小，反应时间慢，易老化中毒，需经常人工校准，而且大部分检测仪表存在体积大、成本高、使用寿命短的缺点，不能够满足甲烷气体检测的需求。 产生于上世纪八十年代的DSP(数字信号处理器)是一种新型的数字信号处理技术。它可以在一个时钟周期内完成加减乘除运算，比起一般用于检测的MCU(微处理器)芯片，它具有运算速度快，运算能力强，存储容量大等特点，已广泛使用于信号处理，图象处理，工业控制等领域。发展至今，已经到达较为成熟的第四代产品。 本设计针对以上两点采用红外吸收原理，利用DSP芯片的强大数字信号处理能力，试图实现一种具有高精度、无需经常校准、不易中毒老化的甲烷气体检测仪。论文中详细阐述了红外吸收原理，红外甲烷气体检测的理论基础，红外甲烷气体检测仪的结构，软件流程，分析了系统产生的误差，对DSP的特点、产品性能、发展方向和它的软件开发平台CCS作了介绍，对红外光源驱动的数控部件AVR单片机及其编译软件WinAVR和AVRStudio也做了简要叙述。 本论文重点介绍了红外甲烷气体探测系统的总体设计思想；设计了利用ATmega64数控恒流源来驱动红外光源的方案，探讨了系统微弱信号的检测，采用差分吸收的方式对探测器的信号进行放大；通过常用滤波算法的比较提出采用FIR数字滤波提高检测精度的方法。文章也重点论述了非分光红外甲烷检测仪的系统构成，设计了一种单气室差分非分光红外吸收原理检测甲烷的方案。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第一章绪论

1.1选题背景

1.2甲烷气体检测方法

1.3气体检测的发展方向

1.4数字信号处理简介

1.5论文的主要工作

1.6论文的框架

第二章红外甲烷气体检测的原理及红外线气体检测仪简介

2.1红外辐射及特性

2.2红外吸收气体检测的理论基础

2.3红外吸收气体检测仪介绍

2.3.1红外吸收气体原理检测仪表的优点

2.3.2红外吸收气体检测仪的构成

第三章TMS320F2812 DSP介绍

3.1 DSP的发展

3.2 DSP的特点

3.3 TMS320F2812 DSP主要特点介绍

3.4本设计选用TMS320F2812的原因

第四章基于DSP的非分光红外检测仪的硬件设计

4.1非分光红外甲烷气体检测仪概述

4.2基于DSP的非分光红外甲烷气体检测的设计方案

4.3红外光源驱动的设计

4.3.1直流恒流源驱动电路方案

4.3.2恒流源电路设计

4.3.3集成运放型恒流源性能参数

4.3.4直流恒流源数控电路设计

4.3.5按键电路

4.4信号处理电路设计

4.4.1信号放大电路

4.4.2 DSP的信号采样

4.4.5 LCD显示电路设计

4.5误差分析

4.5.1红外驱动误差

4.5.2信号处理电路的误差

4.5.3系统总误差

第五章AVR单片机与TMS320F2812 DSP的软件开发平台

5.1 AVR单片机软件开发工具WinAVR与AVRStudio

5.1.1 AVR单片机C编译环境WinAVR

5.1.2 AVR单片机仿真调试软件AVRStudio

5.2 DSP集成开发环境CCS

5.2.1 CCS设置与开发流程

5.2.2 CCS C编译器介绍

5.2.3 2812EVM-Ⅱ开发套件说明

第六章基于DSP的非分光红外检测仪的软件设计

6.1本设计的主程序流程

6.2系统各个模块软件设计

6.2.1 TMS320F2812 DSP的初始化

6.2.2红外光源驱动模块软件设计

6.2.3数字信号处理软件设计

6.2.4显示模块

6.2.5软件调试

第七章总结与展望

参考文献

附录

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文