msp430單片機(jī)在激光co氣體檢測(cè)儀上的應(yīng)用

1、2009矩第7期儀表技術(shù)與傳感器InstrumentTechniqueandSensor20()9No7MSP430單片機(jī)在激光CO氣體檢測(cè)儀上的應(yīng)用張永亮1’2，熊慶國(guó)1’2，蔣偉榮3(1冶金自動(dòng)化與檢測(cè)技術(shù)教育部工程研究中心，湖北武漢430081；2武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430081；3湖北汽車工業(yè)學(xué)院電子信息系，湖北十堰442002)摘要：利用光纖傳感與二次諧波檢測(cè)相結(jié)合的方法設(shè)計(jì)了一款激光CO氣體檢測(cè)儀，并給出

2、了以MSP430FG437單片機(jī)為核心的儀器MCU模塊的硬件和軟件設(shè)計(jì)。利用MSP430內(nèi)部D／A輸出檢測(cè)所需的正弦波和三角波；再由高精度A／D檢測(cè)一次諧波、二次諧波、溫度和壓強(qiáng)信息；然后通過RS232C和計(jì)算機(jī)通信。該儀器具有抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量精度高、不需經(jīng)常標(biāo)定等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：CO氣體；光纖傳感；二次諧波檢測(cè)；MSP430中圖分類號(hào)：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1002—1841(2009)070020一03Applicati

3、onofMSP430inLaserCOGasDetectionInstrumentZHANGYong1ian91rXIONGQinggu01，，JIANGWeiron93(1EngineeringResearchCenterofMetallurgicalAutomationandMeasurementTechnology，MinistryofEducation，Wuhan430惦1，嘶；2CollegeofInformationScie

4、nceandEngineering，WuhanUniversityofScienceandTechnology，Wuhan430鵂1，China；3DepartmentofElectronics&InformationScience，HubeiAutomotiveIndnstdesInstitute，Shiyan442002，China)Abstract：ThispaperdesignedalaserCOgasdetectinginst

5、rumentwiththecombinationofadvancedopticalfibersensingtechnologyandsecond—harmonicdetectingtechnologyAnditgavethehardwareandsoftwaredesignoftheMCUpart。whichadoptedMSP430FG437mieroeontrollerasthecoreTheinternalD／AofMSP430w

6、asusedtooutputthesinewaveandtriangularsignalneededindetetcfingTheinternalA／Dwasusedtodetectfirst—harmonic，secondharmonic，temperatureandpressureTheRS232CWaSusedtocommunicatewithcomputerTheinstrumenthasadvantagesofstrongab

7、ilitytesistdisturbance，highaCCII—racy，frequentcalibrationcanbeomitted，eteKeywords：COgas；opticalfibersensing；second—harmonicdetecting；MSP4300引言近年來，我國(guó)煤炭工業(yè)維持高速發(fā)展，但是煤礦安全事故也隨之不斷發(fā)生。這些事故大部分都是由于沒有對(duì)現(xiàn)場(chǎng)氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)導(dǎo)致瓦斯爆炸引起的。另外在鋼鐵冶金、石油化

8、工等行業(yè)中也要對(duì)氣體的濃度進(jìn)行在線檢測(cè)。因此利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和測(cè)控技術(shù)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的氣體濃度進(jìn)行遠(yuǎn)程采集和實(shí)時(shí)監(jiān)控是非常必要的。隨著近期紅外吸收光譜學(xué)的發(fā)展，特別是可調(diào)諧激光技術(shù)及諧波分析技術(shù)的應(yīng)用，使新型的紅外氣體檢測(cè)儀的研究提上了日程。激光氣體檢測(cè)儀具有應(yīng)對(duì)環(huán)境的抗干擾能力強(qiáng)、精度高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，且可直接安裝到現(xiàn)場(chǎng)來完成對(duì)CO氣體濃度的檢測(cè)這使其代替?zhèn)鹘y(tǒng)的儀器成為大勢(shì)所趨。此儀器也正是在這種背景下進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)的。

9、1激光CO氣體檢測(cè)原理及儀器概述激光氣體檢測(cè)儀是基于可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)來檢測(cè)氣體濃度的。任何物質(zhì)都具有特征明線光譜和吸收光譜，CO氣體分子也不例外。CO的吸收中心波長(zhǎng)位于156t^m處。根據(jù)氣體選擇性吸收理論可知，當(dāng)光源的發(fā)射波長(zhǎng)與氣體的吸收波長(zhǎng)相吻合時(shí)，就會(huì)發(fā)生共振吸收，且吸收的強(qiáng)度與該收稿日期：2009—06—02收修改稿日期：2009—02—07氣體的濃度有關(guān)，通過測(cè)量光的吸收強(qiáng)度就可計(jì)算出氣體的濃度。當(dāng)光強(qiáng)為，0的入射

10、光通過待測(cè)氣體時(shí)，如果光源光譜涵蓋了氣體的吸收譜線，那么光強(qiáng)衰減為，，根據(jù)BeerLambert定律：，=toe一肛(1)式中：，0、，為吸收前后的光強(qiáng)；／z為氣體吸收系數(shù)；c氣體濃度；L為介質(zhì)長(zhǎng)度。對(duì)式(1)變換得到：C=lII(to／t)／(肚)(2)由式(2)可以得知，當(dāng)弘和L都已知時(shí)，通過檢測(cè)出，o和，就可以計(jì)算出氣體的濃度c這就是激光檢測(cè)氣體濃度的原理。如果利用傳統(tǒng)紅外光譜進(jìn)行測(cè)量，由于其譜寬較寬，大概為100am在其光譜范圍

11、內(nèi)不僅含有被測(cè)氣體的吸收譜線還會(huì)含有一些其它雜質(zhì)氣體的吸收譜線。這樣被測(cè)氣體和雜質(zhì)氣體會(huì)共同吸收照射光束的能量，那么測(cè)量結(jié)果就很難保證其精確性。但是當(dāng)使用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光技術(shù)就避免了這樣的問題。半導(dǎo)體激光氣體檢測(cè)儀中使用的半導(dǎo)體激光的譜寬為0000lnm，遠(yuǎn)小于被測(cè)氣體一條吸收譜線的譜寬。這樣就可以選擇某一特定波長(zhǎng)的被測(cè)氣體的吸收譜線，且在這條譜線附近不包含背景氣體成份的吸收譜線1。這樣就避免了各種氣體成份的交叉吸收干擾，使得結(jié)果比較精

12、確?？烧{(diào)諧半導(dǎo)體激光技術(shù)通過檢測(cè)氣體選頻吸收光源發(fā)出的光能的衰減來測(cè)量萬方數(shù)據(jù)InstrumentTechniqueandSensor進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換要求輸入信號(hào)的范圍是0—25V，這就需要將輸入信號(hào)進(jìn)行電平提升。在這里使用了兩個(gè)運(yùn)算放大器來實(shí)現(xiàn)，具體電路見圖4所示。另外由于系統(tǒng)是單5V電源，所以選用可以單電源工作的四運(yùn)放LM324其輸出電壓范圍寬：0一一15V；輸入共模電壓范圍0一一15V首先運(yùn)放U3A連接成電壓跟隨器電路這樣其輸出：‰圖

13、3單片機(jī)連線圖‰=K=5面麗R4=125V(3)運(yùn)放U3B連接成同相比例電路則有下式成立：Volyr(1魯)K2K(4)且其同相輸入端的電壓：‰=靜，I，。=蘭墮￡；二墅盟=半(5)將式(5)帶入式(4)可得：voUT=2％=‰125(6)由式(6)可以看出Vo的范圍為0—25V，滿足A／D轉(zhuǎn)換的輸入要求。％圖4輸入信號(hào)調(diào)理電路另外，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性單片機(jī)，D／A轉(zhuǎn)換后輸出的正弦信號(hào)SENDl和三角波信號(hào)SEND2需要進(jìn)行濾波后再輸

14、出。這里考慮到運(yùn)放LM324的線性輸出范圍(0—35V)和SENDI、SEND2信號(hào)的幅值，選用了有源單位增益二階低通濾波器具體電路見圖5。該濾波器的傳遞函數(shù)為!Q!!!一!K(s)一R9RIoc6c7s2(R9Rlo)(五s1∞：一s22孝at。s∞：則有：熱蝴。(7)(8)i彘?！蓿?9)式中：f為阻尼系數(shù)(因?yàn)榘吞匚炙剐偷屯V波器具有幅頻特性單調(diào)，且在通帶內(nèi)比較平坦的優(yōu)點(diǎn)，故在這里選擇巴特沃斯型二階低通濾波器亭為0707)；at。

15、為自然頻率，∞。=2吒；厶電路的轉(zhuǎn)折頻率(500Hz和20Hz)由式(8)、式(9)對(duì)于信號(hào)SENDl通帶截止頻率厶=500Hz，當(dāng)取R9=Rlo=100kll時(shí)；可得C6=45nF，c7=225nF；同理對(duì)于信號(hào)SEND2通帶截止頻率fo=20Hz，當(dāng)取局=R。o=100kHz時(shí)；可得c6=113nF，c7=56nF以圖5D／A輸出濾波放大電路232其他電路由于外部電源只提供了5V的電源，而系統(tǒng)工作還需要33v的工作電壓，所以內(nèi)部還需