红外甲烷气体浓度检测系统设计

朱红秀，孙连昆，王忠华，聂　哲，刘　欢

(中国矿业大学 机电与信息工程学院，北京100083)

引言

瓦斯爆炸是煤矿开采中的重要安全问题之一。尽管国家在此投入了大量的人力和物力，但是各地矿难仍时有发生。所以，研制更安全更可靠的甲烷检测系统势在必行。目前检测甲烷气体的传感器主要是电化学传感器，但是电化学式传感器灵敏度低，催化剂易中毒，寿命短。而红外甲烷气体传感器因为选择性好、灵敏度高、响应时间短，受到越来越多的重视[1]。

1　红外气体检测原理

红外气体传感器的原理主要是利用甲烷气体的红外光谱吸收理论，以及朗伯-比尔定律：

I(λ)=I0(λ)e-α(λ)cl

(1)

式中：I0(λ) 为入射光强；I(λ)为出射光强；c为被测气体体积浓度；α(λ)为气体摩尔分子吸收系数；l为光程。

每种气体都有其特定的吸收峰,而对吸收峰以外波长的光吸收极少。为此,采用双波长测量方法,引入了不被探测气体吸收的光作为参考光。设Im(λ′)和Im0(λ′)为参考光的出射光强和入射光强,则有:

Im(λ′)=Im0(λ′)

(2)

把(1)式和(2)式相除并取对数,可以得到：

(3)

从(3)式可以看出,测量系统从理论上完全消除了光路的干扰因素,并且还消除光源输出光功率不稳定的影响。

红外气体传感器主要由红外光源、气室、光电转换等器件组成。其中的光源选择和气室设计尤为重要。甲烷在1.33 μm,1.67 μm,和3.33 μm处的线型强度S分别为3.71×10-3, 3.27×10-2和5.27，他们的吸收强度比为 1∶8∶1 420，甲烷在3.33 μm处的吸收强度远大于其在1.33 μm和1.67 μm处的强度[2-3]，所以选择3.33 μm的红外光源系统将会有较高的灵敏度，并且价格相对低廉。

2　红外检测甲烷气体传感系统硬件设计

红外检测甲烷气体传感系统硬件主要由光源、光源调制电路、气室、热释电探测器、模拟信号处理电路、数据采集处理系统、显示电路和声光报警电路组成。系统硬件结构如图1所示。

图1　红外检测甲烷气体传感系统硬件设计Fig.1　Hardware design of infrared detection methane gas sensing system

2.1　光源调制电路设计

系统通过AT89S52单片机P0.0引脚控制场效应管ST2300TA通断来实现平行红外光源IRL715EN-PR产生2 Hz的红外光方波信号(图2)。

图2　光源调制电路原理图Fig.2　Schematic of light source modulation circuit

2.2　光电转换器件选择和气室设计

光电转换器件选用PYS 3228 TC G5.2/G20型号，PYS 3228 TC G5.2/G20 热释电探测器是在一个TO-5封装的探测室内含有2个独立的热释电探测器，其中G5.2和G20代表了安装在该光电转换器件上的2个滤波片型号，G5.2中心波长为3.30 μm，半功率宽度为160 nm，G20的中心波长为4.0 μm，半功率宽度为90 nm。

图3　PYS 3228 TC G5.2/G20结构图Fig.3　Configuration schematic of PYS 3228 TC G5.2/G20

基于光电转换器件的特点系统采用单通道双波长的气室设计。气室长度为5 cm。实验发现2 Hz方波光信号经过光电转换后变为近似正弦信号，幅值为几mV。

2.3　模拟信号调理电路设计

模拟信号调理电路(图4)包括前置放大电路、带通滤波电路和差分电路3部分[4-5]。

图4　模拟信号调理电路Fig.4　Schematic of analog signal conditioning circuit

其中前置放大电路采用AD620AN仪表放大器。AD620是一款低价格、低噪声、高精度的仪器仪表放大器,只用一个电阻就能决定放大电路的增益,适合于微弱信号检测。通过连接一个最大阻值为1 kΩ的滑动变阻器，并且通过调节该滑动变阻器的阻值就可以调节前置放大的倍数从50.4到1 000之间变化。

由于光源经过光源调制电路调制后为2 Hz的方波周期信号，经过光电转换后为2 Hz的周期信号(近似为正弦波)，并且系统主要受到50 Hz市电的干扰，所以设计了中心频率为2 Hz，带宽为0.8 Hz，放大倍数为2.5的多路负反馈二阶有源带通滤波电路。带通滤波电路采用OP07CJG运放，该电路上限截止频率和下限截止频率可以非常近，具有很强的频率选择性。

由于系统采用单通道双波长测量方法[6-8]，所以当两路信号分别经过前置放大、带通滤波后，由周期信号的傅里叶级数可知，两路信号几乎变为正弦信号，但是两路信号的差值仍然较小，所以需要对两路信号差值进行放大。差分放大电路采用OP07CJG运放，放大倍数为200。

2.4　单片机控制AD采集、LCD1602液晶显示器、声光报警电路设计

当光电转换后的两路微弱信号经过模拟信号处理之后近似变为振幅为几伏的正弦信号，系统采用12位并行输出的AD转换芯片AD1674进行模数转换。系统由第二片AT89S52单片机控制AD转换和电压信号采集，并对采集的电压信号进行软件处理，最终由单片机控制LCD1602液晶显示器显示CH4体积浓度值。电路原理框图如图5所示。

图5　单片机控制AD采集、LCD1602、声光报警电路原理框图Fig.5　Schematic of single-chip microcomputer control AD collection, LCD1602, sound and light alarm circuits

3　红外甲烷气体检测系统软件设计

检测系统主要由两片单片机组成，第一片用于光源调制电路产生2 Hz方波光信号，第二片用于控制AD转换和电压采集、对信号进行软件处理、控制LCD1602显示和控制声光报警电路报警。第一片单片机程序流程图如图6所示。系统利用单片机AT89S52的定时器T0，选择工作方式2，由于定时器在工作方式2工作时且当外部晶振为12 MHz时，最大定时时间为65.536 ms,所以设置定时时间为50 ms,在中断程序中判定发生中断次数是否达到5次，达到5次时则将P0.0口电平进行翻转。这样就实现了产生周期为0.5 s的周期方波信号。同时采用了AT89S52单片机内置的看门狗复位定时器，可以防止单片机受到外界环境干扰出现程序跑飞现象。第二片单片机流程图如图7所示。

图6　流程图1Fig.6　Flow chart 1

图7　流程图2Fig.7　Flow chart 2

系统硬件实现了甲烷体积浓度C和正弦电压信号的转换。所以第二片单片机需要完成正弦电压信号幅值的测量。快速傅里叶变换即FFT是获取某一频率信号的幅值和相位最常见的软件算法，但是由于单片机AT89S52硬件资源有限，RAM仅为256 B，而FFT需要较大的RAM，所以本系统设计了一种简单实用的新算法来实现正弦信号幅值的测量[9]。

其中单片机每隔2 ms采集一次电压，采集250次为一个周期。假定开始采集的第一个电压值为最大值并存在变量max中，从第二个采集的值开始，将采集的电压存入变量tmp中，同时判定当前采集的值tmp是否大于前面的最大值max，如果大于,则用tmp中的值替换max中的值。因为正弦波信号周期为0.5s，所以每隔2 ms采集一次，采集250次，则采集250次电压加比较tmp和max大小关系的时间将会略微大于一个正弦电压信号周期0.5 s，这样就可以近似求出正弦波信号一个周期内的最大值。该算法只用了2个变量，比FFT算法省了大量RAM资源。

用上述算法测量获取10个信号周期内的正弦波的最大值后，进行软件滤波处理，具体做法是对10个电压值进行大小排序，排序后剔除2个最大值和2个最小值，对其剩余的6个值求取平均值，这样可以有效地减弱外界环境干扰对电压采集过程中造成的影响。最终浓度电压值U与浓度C的函数关系C=f(U)可由Matlab对实验数据进行拟合而得。同时第二片单片机也采用了AT89S52内置看门狗定时器，由于在外部晶振为12 MHz时，看门狗定时复位时间最长为8.192 ms,所以最长每隔8.192 ms程序必须进行一次喂狗操作，但是第二片单片机程序较为复杂，如果在主函数内进行喂狗操作，则整个程序会被分割的很离散，且有一些子函数执行时间大于8.192 ms,这样很难在第二片单片机程序内应用看门狗定时复位电路。基于这些原因，设计了中断服务程序内进行喂狗的操作，即通过定时器T0，选择工作方式2，定时5 ms,设置一个全局变量counter记录定时器T0发生中断的次数,在中断服务程序内记录中断次数并且判断中断次数是否达到60 000次，如果中断次数大于60 000次，主函数仍然没有将全局变量counter清零，则程序一定是发生了异常，所以看门狗将系统复位，通过中断喂狗程序将看门狗定时复位时间延长到了300 s,可以有效地防止单片机由于受到外界干扰而造成的程序跑飞现象[10]。

4　实验结果及数据拟合

系统在实验室条件下获得了甲烷体积浓度C和电压U的对应关系，通过Matlab对表1的甲烷浓度和系统电压值数据进行了拟合，拟合函数采用了线性拟合、二次函数拟合和三次多项式拟合。

表1　甲烷浓度与系统电压对应关系及测量结果表

通过对比分析图8，最终确定了三次多项式作为甲烷体积浓度C和电压U的函数关系。表达式为

C=-0.0489 55U3+0.462 842U2-

0.215 116U-0.012 529

(4)

图8　线性拟合、二次函数拟合、三次多项式拟合图Fig.8　Linear fitting, quadratic function fitting, cubic polynomial fitting

由表1的测量值和误差可知最大相对误差为0.04即不超过1%。

5　结束语

本文设计的红外甲烷气体检测系统采用红外平行光源IRL715EN-PR和热释电探测器PYS 3228 TC G5.2/G20,设计了整个系统的硬件电路和软件程序。实现了甲烷气体体积浓度在0%～4%范围内系统最大相对误差小于1%的精确测量。

参考文献:

[1]Wang Yanju, Wang Yutian, Zhang Yuyan. Study on methane gas sensor system based on difference absorption[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2006, 27(12):1647-1650.

王艳菊，王玉田，张玉燕.差分吸收式甲烷气体传感系统的研究[J].仪器仪表学报,2006,27(12):1647-1650.

[2]Hu Huipu, Xu Xiaojie, Zhang Ahong, et al. The application of HITRAN database in the exploitation of methane measuring instruments[J]. Micro-computer Information, 2008, 24(10-1):204-213.

胡慧铺，徐晓洁，张阿宏,等． HITRAN 数据库在甲烷检测仪开发中的应用[J].传感器与仪器仪表,2008，24(10-1)：204-213.

[3]Zhao Zhengjie, Liu Dongxu, Zhang jilong, et al.Electric modulation nondispersive infrared gas sensor system design[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2011,31(2):570-573.

赵正杰，刘东旭，张记龙,等.电调制非分光红外瓦斯传感系统设计[J].光谱学与光谱分析,2011,31(2):570-573.

[4]Liu Dongxu, Wang Zhibin, Zhang Jilong,et al. Design of faint signal processing circuit based an infrared methane sensor[J]. Instrument Technique and Sensor, 2010(6):69-71.

刘东旭，王志斌，张记龙,等.红外瓦斯传感器微弱信号处理电路设计[J].仪表技术与传感器,2010(6):69-71.

[5]Hao Shidong, Liang Yongzhi, Xia Luyi. Signal conditioning and data processing of infrared gas sensor [J]. Industry and Mine Automation, 2013,39(4):27-30.

郝世东，梁永直，夏路易.红外气体传感器信号调理及数据处理[J].工矿自动化,2013,39(4):27-30.

[6]Quan Guiqin, Han Jun, Li Xiaosong. The development of a portable instrument fo measuring CH4concentration[J]. Journal of Applied Optics, 2001,22(5):16-18.

权贵秦，韩军，李晓松.便携式红外甲烷浓度测试仪的研制[J].应用光学，2001,22(5)：16-18.

[7]Wang Yutian, Guo Zengjun, Wang Litian. Study on difference absorption optical fiber CH4sensor[J]. Journal of Optoelectronics & Laser, 2001,12(7):675-678.

王玉田，郭增军，王莉田.差分吸收式光纤甲烷气体传感器的研究[J].光电子激光,2001,12(7)：675-678.

[8]Lyu Yuxiang, Dong XiaoJie, Guo Feng. Methane gas sensor based on infrared difference detection[J].Journal of Applied Optics, 2012,33(4):747-751.

吕玉祥，董肖节，郭峰.基于红外差分检测的甲烷气体传感器[J].应用光学，2012,33(4):747-751.

[9]Wu Jie. About the exploration of FFT on the embedded system implementation[J]. Science and Technology Innovation Herald, 2010,19(3):46-46.

吴杰.关于FFT在嵌入式系统上实现的探索[J].科技创新导报, 2010,19(3):46-46.

[10]Deng Wen.The interruption of single chip microcomputer system and its application [J].Times report, 2013(1):450-450.

邓文.单片机的中断系统及其应用[J].时代报告,2013(1):450-450.