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，實現(xiàn)了氣體濃度的測量。通過usb接口實現(xiàn)與p機的數(shù)據(jù)通信，完成了實驗數(shù)據(jù)存儲。該檢測系統(tǒng)根據(jù)溫度的實時測量值，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2為核心，設(shè)計了基于單片機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了甲烷氣體濃度的測量。該系統(tǒng)同時實現(xiàn)了對環(huán)境溫度的實時測量，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，由單片機完成溫度電壓信號的采集。單片機根據(jù)實時測得的溫度值，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，實驗數(shù)據(jù)可通過usb接口

4、傳送給上位p機。上位機將獲得的實驗數(shù)據(jù)以atlab數(shù)組的格式存儲。三、測量系統(tǒng)單片機程序與溫度校正模型測量系統(tǒng)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實時采集，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，實現(xiàn)usb時鐘初始化、usb初始化、usb使能，并通過usb中斷方式實現(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式函數(shù)。多項式f、g分別為2次和3

5、次多項式，多項式系數(shù)以數(shù)組的形式存儲。多項式函數(shù)求值程序用循環(huán)實現(xiàn)，如圖3所示，其中p為存儲多項式系數(shù)的數(shù)組，n為多項式次數(shù)，x存儲自變量，y存儲多項式函數(shù)求值結(jié)果。四、測量系統(tǒng)p機程序構(gòu)造測量系統(tǒng)上位p機程序主要實現(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機程序與單片機程序配合，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與存儲功能。程序采用主從控制方式，以p機為主機，單片機系統(tǒng)為從機。當(dāng)兩者通過usb接口連接時，p機程序完成一系列動作，實現(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。獲得實驗數(shù)據(jù)后，應(yīng)用atlab下的外部api函數(shù)6實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲。五、結(jié)論1.設(shè)計了基于8051f340單片機的甲烷氣體檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了氣體濃度的測量。該系統(tǒng)可根據(jù)溫度實時測量值，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單片機集成的usb控制器，實現(xiàn)了usb接口及通信程序，簡化了系統(tǒng)，可靠性高。實驗數(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