【摘要】：甲烷是煤炭、石油和天然气开采中的一种常见气体。近年来，随着国家工、农业等产业的迅猛发展，社会对这些能源的需求也与日剧增。在这些能源的开采过程中，跟甲烷气体有关的安全事故时有发生。因此，针对甲烷的检测研究工作具有十分重要的意义，及时、准确的测量出甲烷的浓度，对保证工业安全生产和人民生命财产安全都有着十分重要的作用。目前，国内外比较先进的检测方法是选用红外吸收原理来测量甲烷的浓度。这种方法克服了传统检测方法容易出错、检测范围窄、测量误差大和需要经常校准等缺点，此外它还拥有一些其他的优点，像响应速度快、应用范围广、选择性好、稳定性好和使用寿命长等。因此，本文根据红外吸收原理的特点研制了一种甲烷浓度检测仪。根据甲烷对红外光的吸收特点，本检测仪选择了3.31μm波长的红外光来测量甲烷的浓度。为了消除外界和系统的干扰因素给甲烷浓度检测带来的影响，本检测仪采用了差分检测法来消除误差。在对差分法的两种基本方法作了较详细的介绍和对比后，从检测仪的结构复杂度与成本考虑，本文选择了双波长单光路差分法作为甲烷浓度检测的基本方法。在此基础上，本文以MSP430单片机为核心研制了甲烷检测仪，它包括硬件部分设计和软件部分设计。

MSP430单片机具有极低的功耗、丰富的片上外设和系统工作稳定等优点，本检测仪选取的单片机型号为MSP430F1611。硬件部分设计主要包括光学测量部分和电路设计部分。其中光学测量部分主要由红外光源、探测器和气室等组成。根据检测仪对红外光源和探测器的性能要求甲烷检测仪，本文分别选取IRL715和PYS3228作为本检测仪的光源和探测器氧气报警器，并且对工作气室做了相应的设计。根据所选红外光源和红外探测器的特点，分别设计了相应的光源稳压驱动电路和放大滤波电路，并对它们的功能做了一些分析。软件部分设计采用的是模块化的设计方法，它主要包括信号的采集与处理模块，浓度反演算法模块，系统串行通信模块，以及上位机软件设计模块。其中重点对中值滤波和FIR低通滤波器的原理和设计实现作了介绍臭氧检测仪，并对所设计的FIR低通滤波器的滤波效果进行了仿真分析。同时，详细介绍了常用浓度反演算法（查表法、多项式插值法和多项式拟合法）的原理，并分析了它们各自的特点，设计了一种客观的分段曲线拟合方法。此外，本文还重点介绍了单片机与E2PROM和单片机与上位机的通信实现，根据所选的E2PROM型号（AT24C02）和所用的接口标准（RS-232串口）的特性，分别设计了相应的接口电路，以及根据它们所采用的通信协议设计了相应的通信程序，实现了它们相互之间的通信。

为了便于对待测气体浓度进行监控和对数据进行处理，本文还采用VB的MSComm控件编写了具有特定功能的上位机软件。最后甲烷检测仪，本文在实验室条件下对所制作出的样机进行了性能测试实验。实验结果表明，该检测仪具有较高的准确度、响应速度和稳定性甲烷检测仪，能满足一定的生产要求。同时，根据所用元器件和设计方法的特点，该检测仪也具有较高的性价比和较广阔的市场前景，其检测方法对其他类似气体检测仪的研究也有一定的借鉴意义。

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