论文研究-基于STM32LMCU的红外甲烷传感器 .pdf

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基于STM32LMCU的红外甲烷传感器,蔡佩峰,吴传贵,本文介绍一种基于STM32LMCU的红外甲烷传感器系统,具有体积小,重量轻,可外接不同的显示电路来实现浓度显示和声光报警。且该传感器��
山国武花论文在丝 硬件构成 本文中所涉及的甲烷传感器系统共山两块电路板构成即放人电路板和控制电路板。放人 电路板主要包括信号调理电路,卬烷传感器,温度传感器,光源和叩烷探测器。控制电路板 则主要是及外围电路以及光源驱动。 电源管理 为了降低整个甲烷传感器系统的功耗,外接电源电压为,整个传感器系统主要是 给三部分供电:即,光源,还有传感器和信号调理电路。 光源供电是通过 米实现的,因为如果直接外接电源电压则电压波动较大, 经过多次试验得出加电源芯片以后的输出信号要比没加电源芯片稳定,这样输出的浓度值才 会更稳定。模以及信号调理和传感器所用电源电压都是,其中是 将电源电压转换为,而信号调理则是通过 将电压转换为。于 放人电路板要求元器件的体积必须尽量小,故选用了 光源驱动 传统方式通常采用切光片对光源进行调制。因此需要一个同步电机带动切光片旋转,其 缺点在」存在机械转动,抗振性差,功耗大,不适合于使携设备;其次为保证调制的频率, 还需要严格同步的电机以及驱动电路,使得系统复杂化,成本也大大增加。本设计避免了 复杂的调制电路,直接通过单片机来控制光源的调制电压。光源调制电路如图所示。 图中 与的引脚相连,调制信号的频率为。 为低时, 导通,红外光源被点亮 为,但是由于光源,电路延时等原因 信号调理电路输出的正弦信号的最大值要经过一段延时 才可以取得。所以 采样要在光源熄灭一段时间后才可开始采样。出 为高时,反之。图为 放人后的信号,采样点三者之间的时序关系。 LAMP ENABLE IRLT IRL- LAMIP GND 图光源调制电路 山国武技论文在丝 Drive AmplItied Signal Delay Sampling Doint 125ms 125ms 图 ,放大后的信号,采样点之间的时序关系 信号调理电路 本设计中的信号调理电路是由放大器 和·系列电阻电容所组成的带通放大电 是一款单电源双通道的放大器,它具有高精度,低噪声,超低失调、漂移、偏 置电流特性。图图分别为用 仿真的该电路电路图以及它的幅频特性 0更 0 AD86E8AR 8200F104 图 仿真电路图 山国武技论文在丝 波符邑示仪-XBH1 模式 巾度 相位 水平 垂直 「对数线 纟件」 1 GHzFI50 扫空制 「反向」保存设置…」 4.107Hz 输入C G输出 图放大电路幅频特性图 由图可以看出在波特图上显小,该带通放大器的中心频率为附近,所以该信号 调理电路可以将探测器输出的信号进行无失真的放大,同时它可以滤除些低频和高频的杂 波信号。 软件设计 本设计中的系统软件程序主要是通过代码编写,采用模块化结构程序设计方法。程 序包括主程序, 模块,串口模块,模块,浓度计算模块部分组成。主程序中主 要包括时钟,中断,,串∏,看门狗, 等的初始化。程序流程图如图所示。 山国武技论文在丝 开始 根据比值,以及实验测得的 初始化 温度补偿值,计算温度补偿 后的传感器参数() 红外光源预热 () 通过 给光源 新|根据上一步计算所得参数来 提供驱动信 计算浓度 重新计算零点比值,温度值 号 值 通过进行模找输出 采样(通道值, 温度值) 是 是 串凵判断是 对通道最大值,最 否校零 小值进行滤波 计算峰峰值 是否校准 否 计算比值,并对其 通过串口发送,通道值,峰 进行滤波 峰值,比值,浓度佰 图程序流程图 公式拟合及浓度计算 通过对朗伯比尔定律公式()进行一系列的变换可以得出: 其中: 甲烷气体对红外光的吸收率 是探测器上通道的输出峰峰值 是探测器参考通道输出的峰峰值 是在气体浓度为零时 的值 山国武花论文在丝 是三格常数 这里,我们用 软件编写了一个函数 然后利用实验测 得的数据以为轴,以浓度为轴,通过函数 对,进行非 线性拟合所得的曲线如下图所示 005 0.04 0.03 匚ata:Data'C Hodel: user 1 Weightin No weighti 爻 0.02 Chi2/Do 47574E-7 F42=c.99909 0.01 F1006384 ±000548 205J85士U1 F31047士0.0842 0.00 图拟合出线图 其中,即为 值, 即为,值。 然后再通过温度补偿测试得出温度补偿后的( )和值,分别记 为()和 ()。再对公式()进行变换待到 由()式可知计算浓度所需的参数已全部知晓,故可以通过该式可以计算出浓度值。 结论 本文主要是通过对国内外红外甲烷传感器研究与分析的基础上,设计出了一种新型的红 外甲烷传感器系统。在硬件方面,选用了 实现了整个传感器系统的微功耗 在信号滤波上采用的是带通滤波放大,有效地滤除了红外甲烷探测器信号中的杂波信号。软 件方面,采用了平均值滤波,限幅滤波等软件信号处理技术使输出的信号更加稳定,并可直 接与上位机软件进行数据通信,可通过上位机软件进行实时监测浓度变化情况,也可在上位 杋上进行校零校准。对红外卬烷传感器的输岀数据进行了温度补偿使得红外卬烷传感器的输 岀值不再随着温度变化而变化,从而显著提高了红外卬烷传感器对环境的适应性以及稳定 性。最后通过对传感器的输岀实验数据进行分析,我们发现该传感器只有灵敏度高,精度高, 对环境适应性强,体积小,重量轻等优点,是一款实用性较强的红外甲烷传感器。 山国武技论文在丝 参考文献 吝涛陈星林然干平基于 的携式甲烷气体浓度检测仪微纳电子技术 徐琴基于 的在线甲烷浓度检测仪成都电子科技大学 ⊥吉元沈显庆光谱吸收式甲烷气体浓度检测理论与方法煤矿安全 徐琴吴传贵罗文博柯淋唐治军基于单片机的便携式甲烷浓度检测仪中国集成电 路 李小伟马海燕孙宗罡成巍基于非色散红外 原理的使携式瓦斯监测仪山东科

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