基于USB總線的嵌入式甲烷氣體檢測系統(tǒng)設(shè)計

1、基于USB總線的嵌入式甲烷氣體檢測系統(tǒng)設(shè)計摘要文章應(yīng)用紅外吸收原理，設(shè)計了基于8051f340單片機(jī)的嵌入式甲烷氣體檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)用新一代、高性能的ip-51單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)了氣體濃度的測量。通過usb接口實(shí)現(xiàn)與p機(jī)的數(shù)據(jù)通信，完成了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲。該檢測系統(tǒng)根據(jù)溫度的實(shí)時測量值，并應(yīng)用最小二乘法對甲烷氣體濃度測量值進(jìn)展溫度校正。關(guān)鍵詞甲烷；嵌入式系統(tǒng)；最小二乘法；usb接口；8051f一、引言甲烷是一種無色、無味的易燃、易爆氣體，其濃度檢測，在煤炭、石化、農(nóng)業(yè)、環(huán)保和城市生活燃?xì)獾戎T多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。近年來，紅外吸收式氣體檢測技術(shù)有了長足開展，正成為迅速開展起來的有效技術(shù)手段。它具有精度和靈

2、敏度高，響應(yīng)速度快，測量范圍大，壽命長、可靠性好等一系列優(yōu)點(diǎn)1，受到國內(nèi)外的廣泛重視。本文應(yīng)用甲烷氣體紅外吸收原理，以高性能的8051f340單片機(jī)2為核心，設(shè)計了基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了甲烷氣體濃度的測量。該系統(tǒng)同時實(shí)現(xiàn)了對環(huán)境溫度的實(shí)時測量，并采用最小二乘法對氣體濃度測量值進(jìn)展了溫度校正，以消除溫度對氣體濃度檢測的影響。該系統(tǒng)所采用的8051f340單片機(jī)內(nèi)部集成了usb控制器和10位的ad轉(zhuǎn)換器，有效減小了測量系統(tǒng)的體積，進(jìn)步了測量的準(zhǔn)確性和可靠性。二、工作原理與硬件系統(tǒng)組成甲烷氣體濃度的檢測基于氣體對紅外輻射的吸收原理。當(dāng)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

3、定頻率的紅外輻射，透射光的強(qiáng)度隨之變校其吸收關(guān)系遵循labert-beer定律3：可見，透射光與入射光強(qiáng)度之比是氣室長度l，吸收截面和被測氣體濃度的函數(shù)。通過測量入射光和透射光的強(qiáng)度就能測出氣體的濃度。測量系統(tǒng)由紅外甲烷氣體測量系統(tǒng)和溫度測量系統(tǒng)組成，如圖1所示。甲烷氣體濃度測量系統(tǒng)由紅外甲烷傳感器、信號調(diào)理電路、ad轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成,單片機(jī)控制ad轉(zhuǎn)換，完成甲烷濃度電壓信號的采集。溫度測量系統(tǒng)以溫敏電阻為敏感元件，通過放大、濾波，ad轉(zhuǎn)換，由單片機(jī)完成溫度電壓信號的采集。單片機(jī)根據(jù)實(shí)時測得的溫度值，應(yīng)用最小二乘法對氣體濃度測量值進(jìn)展溫度校正。該系統(tǒng)具有l(wèi)d顯示和報警功能，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可通過usb接口

4、傳送給上位p機(jī)。上位機(jī)將獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以atlab數(shù)組的格式存儲。三、測量系統(tǒng)單片機(jī)程序與溫度校正模型測量系統(tǒng)單片機(jī)程序主要完成甲烷氣體濃度電壓信號和溫度電壓信號的實(shí)時采集，溫度校正、濃度和溫度數(shù)值ld顯示，usb數(shù)據(jù)通信等測控任務(wù)，程序流程如圖2所示。其中，usb數(shù)據(jù)通信采用usbxpress開發(fā)套件提供的基于keil51的api函數(shù)4，利用這些函數(shù)可以快速高效地開發(fā)usb數(shù)據(jù)通信程序，實(shí)現(xiàn)usb時鐘初始化、usb初始化、usb使能，并通過usb中斷方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。溫度校正模型采用最小二乘數(shù)學(xué)模型5。在溫度為時，甲烷氣體濃度值表示為傳感器輸出濃度電壓的多項(xiàng)式函數(shù)。多項(xiàng)式f、g分別為2次和3

5、次多項(xiàng)式，多項(xiàng)式系數(shù)以數(shù)組的形式存儲。多項(xiàng)式函數(shù)求值程序用循環(huán)實(shí)現(xiàn)，如圖3所示，其中p為存儲多項(xiàng)式系數(shù)的數(shù)組，n為多項(xiàng)式次數(shù)，x存儲自變量，y存儲多項(xiàng)式函數(shù)求值結(jié)果。四、測量系統(tǒng)p機(jī)程序構(gòu)造測量系統(tǒng)上位p機(jī)程序主要實(shí)現(xiàn)usb數(shù)據(jù)通訊功能，并將數(shù)據(jù)以atlab數(shù)組的格式存儲為at數(shù)據(jù)文件。p機(jī)程序與單片機(jī)程序配合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與存儲功能。程序采用主從控制方式，以p機(jī)為主機(jī)，單片機(jī)系統(tǒng)為從機(jī)。當(dāng)兩者通過usb接口連接時，p機(jī)程序完成一系列動作，實(shí)現(xiàn)usb設(shè)備的識別及相關(guān)數(shù)據(jù)通信操作，并完成數(shù)據(jù)存儲，程序流程如圖4所示。其中初始化部分主要包括注冊設(shè)備通知，更新usb設(shè)備列表，注冊設(shè)備通知使得程序可以

6、響應(yīng)usb設(shè)備的熱插拔動作。當(dāng)有usb設(shè)備插入或彈出時，會引發(fā)設(shè)備改變事件。通過讀取usb芯片的產(chǎn)品描繪信息，識別usb設(shè)備。當(dāng)有usb設(shè)備改變時，更新usb設(shè)備列表。完成一次usb數(shù)據(jù)讀寫任務(wù)，需要選擇usb設(shè)備，翻開usb設(shè)備、發(fā)送讀寫命令、讀寫數(shù)據(jù)、關(guān)閉usb設(shè)備等步驟。獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，應(yīng)用atlab下的外部api函數(shù)6實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲。五、結(jié)論1.設(shè)計了基于8051f340單片機(jī)的甲烷氣體檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了氣體濃度的測量。該系統(tǒng)可根據(jù)溫度實(shí)時測量值，應(yīng)用最小二乘法對氣體濃度測量值進(jìn)展溫度校正。2.應(yīng)用8051f340單片機(jī)集成的usb控制器，實(shí)現(xiàn)了usb接口及通信程序，簡化了系統(tǒng)，可靠性高。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以以atlab數(shù)組形式存儲。參考文獻(xiàn)1王汝琳,王詠濤.紅外檢測技術(shù).北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2022.2silinlabs.8051f34xdatasheet,rev.1.4,2022.3王玉田,郭增軍,王莉田,等.新型甲烷光纖傳感器的研究j光學(xué)技術(shù),2001,27(4).4silinlabs.usbxpressprgr