關於基於USB總線的嵌入式甲烷氣體檢測系統設計

論文類別:工學論文 > 材料工程學論文
論文作者: 張帆 楊旭…
上傳時間:2011/11/10 10:43:00

  [摘要]文章应用紅外吸收原理,設计了基於C8051F340單片機的嵌入式甲烷氣體檢測系統。該系統應用新一代、高性能的CIP-51單片機,實現了氣體濃度的测量。通過USB接口實現与PC機的數據通信,完成了實驗數據存儲。該检測系統根據溫度的實时測量值,並應用最小二乘法对甲烷氣體濃度測量值進行溫度校正。
  [關鍵詞]甲烷;嵌入式系統;最小二乘法;USB接口;C8051F

  一、引言
  
  甲烷是一種無色、無味的易燃、易爆气體,其濃度檢測,在煤炭、石化、農業、環保和城市生活燃氣等諸多領域有著廣泛應用。近年來,紅外吸收式氣體檢測技术有了長足發展,正成為迅速发展起來的有效技術手段。它具有精度和靈敏度高,响應速度快,測量範圍大,壽命長、可靠性好等一系列優點[1],受到國內外的廣泛重視。
  本文應用甲烷气體紅外吸收原理,以高性能的C8051F340單片機[2]為核心,設計了基於單片機的數据采集系統,實現了甲烷氣體濃度的測量。該系統同時實現了對環境温度的實時測量,並采用最小二乘法對氣體濃度測量值進行了溫度校正,以消除溫度對氣體濃度檢測的影響。該系統所采用的C8051F340單片機內部集成了USB控制器和10位的AD轉换器,有效減小了測量系統的體積,提高了測量的準確性和可靠性。
  
  二、工作原理與硬件系統組成
  
  甲烷氣體濃度的檢測基於氣體對紅外輻射的吸收原理。當紅外光通過一定濃度的被測甲烷氣體時,氣體分子吸收了某些特定頻率的紅外輻射,透射光的強度隨之變小。其吸收關系遵循Lambert-Beer定律[3]: 可見,透射光與入射光強度之比是氣室長度L,吸收截面 和被測氣體濃度C的函數。通過測量入射光和透射光的強度就能測出氣體的濃度。
  測量系統由紅外甲烷气體測量系統和溫度測量系統組成,如圖1所示。甲烷气體濃度測量系統由紅外甲烷傳感器、信號調理電路、AD轉換電路構成,單片机控制AD轉換,完成甲烷濃度電壓信號的采集。溫度測量系統以溫敏電阻為敏感元件,通過放大、濾波,AD转換,由單片機完成溫度電壓信號的采集。單片機根據實時测得的溫度值,應用最小二乘法對氣體濃度測量值進行溫度校正。该系統具有LCD顯示和報警功能,实驗數據可通過USB接口傳送給上位PC機。上位機將獲得的實驗數據以Matlab數組的格式存儲。
  
  三、測量系統單片機程序與溫度校正模型
  
  測量系統單片機程序主要完成甲烷氣體濃度電壓信號和溫度電壓信號的实時采集,溫度校正、濃度和溫度數值LCD顯示,USB数據通信等測控任務,程序流程如图2所示。其中,USB數據通信采用USBXPRESS開發套件提供的基於Keil C51的API函數[4],利用这些函數可以快速高效地開發USB數據通信程序,實現USB 時鐘初始化、USB初始化、USB使能,並通過USB中斷方式實現數据通訊。
  溫度校正模型采用最小二乘數學模型[5]。在溫度為時,甲烷氣體濃度值C表示為傳感器输出濃度電壓的多項式函數。
  多項式f、g分別為2次和3次多項式,多項式系数以數組的形式存儲。多項式函数求值程序用循環實現,如图3所示,其中p為存储多項式系數的數組,n為多项式次數,x存儲自變量,y存儲多項式函數求值結果。
  
  四、測量系統PC機程序結構
  
  測量系统上位PC機程序主要實現USB數據通訊功能,並將數據以Matlab數組的格式存儲為MAT數據文件。PC机程序與單片機程序配合,实現數據采集與存儲功能。程序采用主從控制方式,以PC機為主機,單片機系統为從機。當兩者通過USB接口連接時,PC機程序完成一系列動作,實現USB設備的識別及相關數据通信操作,並完成数據存儲,程序流程如圖4所示。其中初始化部分主要包括註冊設備通知,更新USB設備列表,註冊設備通知使得程序可以響應USB設备的熱插拔動作。當有USB设備插入或彈出時,會引發設備改變事件。通過讀取USB芯片的產品描述信息,識別USB設備。當有USB設備改變時,更新USB設備列表。完成一次USB數據讀寫任務,需要選擇USB設備,打開USB设備、發送讀寫命令、读寫數據、關閉USB設备等步驟。獲得實驗数據後,應用Matlab下的外部API函數[6]實現數據存儲。 免費论文下載中心 http://www.hi138.com
  五、結論
  1.設计了基於C8051F340單片機的甲烷氣體檢測系統,實現了氣體濃度的測量。該系統可根據溫度實時測量值,應用最小二乘法對气體濃度測量值進行溫度校正。
  2.應用C8051F340單片機集成的USB控制器,實現了USB接口及通信程序,簡化了系統,可靠性高。實驗數據能夠以Matlab數組形式存儲。
  
  [參考文獻]
  [1]王汝琳,王詠濤.紅外檢測技術[M].北京:化學工業出版社,2006.
  [2]Silicon Labs. C8051F34x Data Sheet, Rev. 1.4, 2009.
  [3]王玉田,郭增軍,王莉田,等. 新型甲烷光纤傳感器的研究[J]光学技術, 2001, 27(4).
  [4]Silicon Labs. USBXPRESS Programmer's Guide, Rev. 2.1, 2010.
  [5]張鐵,閆家斌.数值分析[M].北京:冶金工业出版社,2001.
  [6]The MathWorks, Inc. MATLAB? 7 Function Reference: Volume 2 (F-O), 2004.

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