基于DSP的红外吸收型瓦斯检测系统的研究

论文摘要

随着社会的不断发展,煤炭等能源的需求量与日俱增,为了保障我国煤炭事业的可持续性发展和煤矿行业的安全,实时的检测煤矿瓦斯浓度是最重要的前提条件。利用红外技术实现煤矿瓦斯浓度的实时检测是目前比较活跃的研究领域之一。虽然国内用于测定和标定瓦斯浓度的分析仪大多数都采用了红外技术,但是在实时性、稳定性和灵敏度等方面都有待提高,而国外一些大型厂家和研发机构在这方面已经有了相对成熟的产品,但是价格昂贵。本文研究目的是利用红外技术实现瓦斯浓度的高稳定性和高灵敏度的实时检测。利用甲烷气体（瓦斯的主要成份）对红外辐射有选择性吸收和其吸收强度是甲烷浓度的函数这一关系,实现甲烷气体浓度的检测。该系统将红外辐射强度转化为电压信号,通过数字处理器分析电压信号来实现对甲烷浓度的精确测量。本文采用红外吸收型甲烷气体传感器IR32BC作为敏感探头,并根据该传感器和煤矿井下的特点,设计了合理的光源调制电路和微弱信号调理电路,采用TI公司的TMS320LF2407 DSP作为系统的核心处理器,完成浓度信号采集、数字低通滤波及浓度计算等功能。为了实现甲烷浓度的高稳定、高灵敏度的实时检测,本文改进了微弱甲烷信号的滤波手段,采用模拟电路滤波和数字滤波相结合的方法,使滤波更充分。另外,系统设计了液晶显示模块、环境温度采集模块、数据存储模块、485通讯模块和报警模块等接口电路,通过编写相应的算法程序实现各模块功能。该系统通过液晶模块能实时的显示甲烷浓度,且有高的稳定性和灵敏度:当甲烷浓度超过预先设定的报警阈值时,则产生声光报警;为了防止系统掉电时数据丢失,采用EEPROM保存报警阈值和最新浓度值等重要数据;为了提高串行通讯的能力与距离,采用了RS-485串行通讯。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 瓦斯气体检测的基本方法
• 1.3 红外吸收型煤矿甲烷检测仪的发展现状
• 1.4 本文主要研究内容
• 2 红外吸收型气体传感器的工作原理
• 2.1 概述
• 2.2 红外吸收原理
• 2.2.1 红外吸收原理
• 2.2.2 红外吸收原理的优点
• 2.3 红外吸收型气体传感器的结构
• 2.3.1 红外光源
• 2.3.2 红外探测器
• 2.3.3 红外滤光片
• 2.4 红外甲烷气体传感器
• 2.4.1 甲烷的光谱特性
• 2.4.2 红外甲烷气体传感器IR32BC
• 2.5 本章小结
• 3 微弱瓦斯浓度信号检测的原理和方法的研究
• 3.1 微弱信号检测的原理和方法
• 3.1.1 同步累加原理
• 3.1.2 锁相放大原理
• 3.1.3 微弱信号检测的仿真
• 3.2 微弱瓦斯信号检测的原理和方法
• 3.2.1 概述
• 3.2.2 微弱瓦斯信号检测的原理和方法
• 3.3 本章小结
• 4 红外吸收型瓦斯检测系统的硬件设计
• 4.1 DSP简介
• 4.2 红外吸收型瓦斯检测仪的总体设计思路
• 4.2.1 系统电源电路
• 4.2.2 光源调制电路
• 4.2.3 信号调理电路
• 4.2.4 环境温度测量电路
• 4.2.5 声光报警电路
• 4.2.6 液晶显示模块
• 4.2.7 键盘电路
• 4.2.8 数据存储模块
• 4.2.9 通讯模块
• 4.3 本章小结
• 5 红外吸收型瓦斯检测系统的软件设计
• 5.1 DSP系统的开发工具
• 5.2 整体软件设计
• 5.3 LCD显示子程序
• 5.4 环境温度测量子程序
• 5.5 SPI总线读、写时序的实现
• 5.5.1 时钟方式的选择
• 5.5.2 波特率的计算
• 5.5.3 SPI模块的初始化
• 5.5.4 DSP的数据传输格式
• 5.5.5 向X5043 EEPROM存储器阵列中写数据
• 5.5.6 从X5043 EEPROM存储器阵列中读数据
• 5.6 键盘子程序
• 5.7 A/D中断子程序
• 5.7.1 A/D初始化
• 5.7.2 A/D中断子程序
• 5.8 数据处理子程序
• 5.9 本章小结
• 6 系统仿真和实验的研究
• 6.1 系统仿真
• 6.1.1 滤波系数的设定
• 6.1.2 仿真建模
• 6.2 系统实验
• 6.2.1 传感器的灵敏度实验
• 6.2.2 示值比对实验
• 6.3 本章小结
• 7 总结与展望
• 7.1 论文总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 读研期间发表论文情况