基于单片机的甲烷浓度检测系统设计
赵亚丽
摘 要：以双波长单光路差分检测技术和谐波检测技术为基础，以MSP430单片机為核心控制部件，设计了一个甲烷浓度检测系统，实现了甲烷浓度的实时检测，给出了系统的硬件结构和软件流程图。同时，利用光子晶体光纤和全返直角棱镜优化了气室结构，使气体吸收光程更长，提高了检测系统的灵敏度。
关键词：甲烷浓度；单片机；检测系统
近年来，随着全国各行业的迅速发展，人们的生活水平得到了明显提高，但是经济迅速发展的同时带来了日益严重的环境污染问题。其中，甲烷是主要气体污染源之一，它能加剧全球的温室效应，使空气中的氧气浓度迅速降低，从而使人窒息死亡。此外，它又广泛存在于沼气、天然气以及煤矿当中，当其浓度达到爆炸极限后就有可能引发爆炸，极大地威胁着人身和设备安全。因此研制一个精度高、响应速度快且能实时检测的甲烷浓度检测系统，对有效预防环境污染和瓦斯爆炸有着重要意义。目前，常用的甲烷浓度检测方法主要有接触催化燃烧法、电化学测量法、光电离检测方法、气敏半导体检测法、红外光谱光吸收法等多种方法[1-2]，其中红外光谱吸收检测法灵敏度高、选择性强且便于维护，所以本文将其作为甲烷浓度检测系统的基本方法，以廉价的宽光谱红外热辐射光源（IR55）作为系统光源，采用差分检测和谐波检测技术相结合的方式构建了一个甲烷浓度检测系统，优化了气室结构，以期提高检测系统的灵敏度和分辨率。
1 系统硬件设计
1.1 系统结构
甲烷浓度检测系统主要由宽光谱红外光源、光源调制电路、气室、滤光片、光电探测器、偏置放大器、锁相放大器、单片机，射频发射模块、射频接收模块等主要部分组成，其整体框架如图1所示。
单片机通过调制电路控制宽带光源发出中心波长为1.66 μm，且正好扫描甲烷在这附近的整个吸收峰的光。光线经气室后再经过滤光片得到中心波长相近的λ1和λ2两束光，其中λ1对应甲烷气体的吸收峰，为测量光；波长为λ2的光则不被气体吸收，为参考光。两路光经双通道探测器完成光电转换，经偏置放大电路放大后进入差分电路，再经锁相放大器完成二次谐波检测。波长为λ1的光束经探测器转换和放大后被分为两路，一路送入差分电路，一路送入锁相放大器检测一次谐波。一次谐波和二次信号经除法器做除法运算，再经A/D转换后送入单片机进行数据处理得到被测甲烷气体浓度后完成显示、报警等功能。
1.2 气室设计
气室的好坏关系到整个检测系统的精度，是检测系统的核心部件。本文设计的气室由测量气室和参考气室组成，中间用黑色隔光挡板分开。每个气室内用直角棱镜增加光程长。这种结构的气室能有效抑制光源不稳定等因素的影响[3]，从而提高检测系统的可靠性，气室结构如图2所示。将两个直角棱镜的底面稍相对错位放置，入射到气室的光线会在两个棱镜之间形成往返多次的光路，从而有效增加被测气体的吸收光程，提高检测灵敏度。
1.3 单片机选择
单片机是本检测系统的核心之一，系统的数据采集和处理以及显示报警等功能都由它来完成。因此选择单片机时既要注重便捷性也要考虑到功能性，本文选择目前工业界功耗最低的MSP430F1611型单片机[4]。它具有较低的功耗，工作电流只有280 μA，且从低功耗模式被中断唤醒只需要6 μs，对外部事件能快速做出响应。MSP430F1611是采用精简指令集结构的16位单片机，编译器效率更高，且内置三通道DMA，令它的数据处理能力大幅度提升。MSP430F1611的第3个优点就是有丰富的外设，具有8路12位的A/D和两路12位的D/A，使系统硬件设计大大简化，工作稳定性好，且具有方便高效的开发环境，非常适用于工业环境。
2 系统软件设计
基于MSP430单片机的甲烷浓度检测系统的软件功能主要包括以下几部分：（1）系统初始化，各模块功能参数设定；（2）启动A/D，并将其结果回传至单片机；（3）数据处理、显示报警等功能，其主程序流程图如下所示。
3 结语
本文介绍了基于MSP430F1611单片机的甲烷浓度检测系统的硬件组成和软件设计，构建了双波长单光路型差分检测和谐波检测相结合的气体浓度检测系统。检测气室内两个相对而立的全反射直角棱镜设置，有效增加了气体的吸收光程。采用差分检测和谐波检测相结合的方式，有效增强了系统的抗干扰能力和二次谐波检测能力，提高了甲烷浓度测量的灵敏度和分辨率。
[参考文献]
[1]远双阳，苟瑞君，张楠.基于双差分的高精度甲烷浓度探测系统[J].江西师范大学学报，2016（9）：465-467.
[2]周雷刚.高精度红外光学气体传感器设计[D].太原：中北大学，2015.
[3]曾秋菊.光学式甲烷检测系统设计及其信号处理方法研究[D].秦皇岛：燕山大学，2015.
[4]陈根潮，石江宏，金晓坤.基于MSP430F1611的无线传感器网络终端的设计与实现[J].现代电子技术，2007（7）：43-45.
