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1、论文格式论文格式* 注意：此为封面格式注意：此为封面格式 *2011-2012 德州仪器 C2000 及 MCU 创新设计大赛项目报告题 目： 光干涉型甲烷检测仪 学校： 天津大学 指导教师： 张瑞峰 组别： 专业组 应用类别： 仪器仪表组 平台： C2000 参赛队成员名单（含每人的邮箱地址，用于建立人才库）：苏鑫 suxin_suxin_何超 谭宇华 yuhua_yuhua_视频文件观看地址（若未拍摄，请注明）： http:/ http:/ 目： 光干涉型甲烷检测仪光干涉型甲烷检测仪 摘要（中英文）摘要（中英文） 本文设计了一个光干涉型甲烷检测仪，使甲烷的检测变成数字化处理。该系 统由三部
2、分组成，包括光路系统获取条纹信息，COMS 摄像采集干涉条纹以及 C2000 DSP 核心开发板进行数据处理。核心开发板计算出的甲烷浓度值通过串 口通信传输到 PC 端，以曲线方式显示在由 Borland C+编写的窗口程序中。同 时，当甲烷浓度值超过一定范围时，核心开发板会进行报警提示。This paper design a methane detector of light interference, which is implemented by digital process. This system is made up of three parts, including light
3、 path system, CMOS image acquisition system and C2000 DSP core development board. Interference fringe is acquired by light path system and then sampled by image acquisition system. The main program computes in core development board. The methane value attained from C2000 board is sent to Personal Co
4、mputer through serial communication. It is available to show methane curve in window program, which is written in Borland C+. At the same time, the core development board will alarm when methane value exceeds a certain range.1.引言引言我国是世界煤炭生产和消费大国，煤炭在今后相当长的时期内仍将是主要能源。近年来，重大、特大瓦斯事故在煤矿生产事故中所占比例越来越高1。避免瓦
5、斯爆炸事故的一个重要措施就是要做好瓦斯的检测工作，掌握煤矿瓦斯的变化情况，一旦出现异常，及时采取相应措施，保障煤矿的安全生产。瓦斯的主要成分是甲烷，二氧化碳，一氧化碳等。瓦斯是一种无色、无味、无臭的气体，与空气混合在一起后，既看不到，摸不着，也闻不出来。瓦斯在空气中浓度增大时，能使空气中的氧气含量相对降低，而使人窒息。我国煤矿安全事故中，瓦斯爆炸造成的伤亡占所有重大事故伤亡人数的50%以上。由于煤矿瓦斯的主要成分为甲烷，因此对煤矿瓦斯的检测可以转化为对甲烷的检测，国内外对甲烷检测的研究非常重视，实时检测甲烷气体浓度对于保障生产安全的意义重大。甲烷检测主要是检测甲烷在空气中的体积浓度，以防止甲烷
6、爆炸事故的发生。便携式甲烷检测报警仪是各国应用最早最普遍的一种甲烷浓度检测仪表，可随时检测作业场所的甲烷浓度。当前应用的便携式甲烷检测仪，按检测原理分为热导型甲烷检测仪、热催化型甲烷检测报警仪、气敏半导体式甲烷检测仪、光学甲烷检测仪等几种。在这几种检测仪中，光干涉甲烷检测仪由于其性能稳定、使用寿命长、测量准确，成为我国煤矿应用最普遍的便携式甲烷检测仪器。光学甲烷检测仪是利用不同气体折射率不同的原理制成的光学检定仪器。它由光源、平面镜、空气室、气样室、折射棱镜，反射镜和望远镜组成。如果以空气室和甲烷室都充入同密度的新鲜空气时产生的条纹为基准（对零），当其它气体（如甲烷）进入气样室时，因其折射率与
7、空气不同，使光路光程发生变化，干涉条纹发生偏移，此偏移量即可用来表示甲烷浓度。甲烷浓度越高偏移越多。当甲烷室充入含有甲烷的空气时（抽气测定），由于空气室和甲烷室中含的甲烷气体的浓度不同，引起折射率变化，光程也随之发生变化，于是干涉条纹产生位移（移动），从目镜可以看到干涉条纹移动的距离。可以根据干涉条纹位移量就可以测得甲烷的浓度，从目镜中可以观察到干涉条纹移动后所处的甲烷浓度刻度值，便可测得甲烷浓度。这种检测仪器采用了新型的光源结构，便于调整，增大了条纹的视见度，舒适方便，整数和小数可以同时读出，性能良好，达到世界先进水平。现有的光干涉型甲烷检测仪大多都是目测型光干涉甲烷检测仪，它性能稳定、使用
8、寿命长，但由于采用人工读数，自动化程度低，温度 20和标准大气压条件下标定的刻度值的，检查前，必须在和待测地点温度相近的进风巷中，捏放吸气球清洗甲烷室。然后校零，防止由于温度气压变化较大而出现零点漂移现象，读书不直观，人为误差较大，不能存储数据。为了克服传统光干涉式甲烷检测器的不足，本设计从图像分析和信息处理的角度出发，提出了采用 CMOS 作为光电转换元件的非接触式测量方式， CMOS是一种性能独特的半导体光电器件，其输出信号经过模数转换后成为高速的数字图像数据，实现这些高速数据的大容量存储是数据采集系统的关键。本设计以 TI 的 C2000 系列 DSP 为核心实现对 CMOS 数字图像数
9、据的采集、存储以及对干涉图像数据的算法分析得出结论。2.系统方案系统方案 本系统设计包括光路系统、CMOS 图像采集电路、报警模块、C2000 核心开发板、PC 终端显示模块，以及对图像数据处理的算法模块。系统框图：系统框图： 光路系统为甲烷检测仪系统提供信息源，产生系统处理所需要的干涉条纹。CMOS采集图像系统主要用于将光学信息数字化，由CMOS拍摄到的干涉条纹存储在FIFO数据区内，以供后续处理需要。核心开发板是甲烷检测仪的计算处理中心，当前环境中的甲烷浓度经过其分析处理数据后得到。PC监控端主要用于将当前甲烷浓度以曲线方式显示出来，通过串口通信方式获得由核心开发板传送过来的当前甲烷浓度信
10、息，以便用户更加直观进行观察。光路系统：光路系统：本系统的光路建立在目前广泛使用的目测式光干涉甲烷检测仪基础上。光路系统原理如下图所示，从光源发出的白光经聚光镜汇聚到平面镜点M处分为两部分。一部分光（号光路）直接在平面镜表面M点反射，穿过下参考气室，在R处改变方向，经折光棱镜后，从上参考气室穿过，汇聚到平面镜P处，经平面镜折射后从O点射出,最后汇聚于反射棱镜。另一部分光（号光路）在M点射入，经平面镜折射，从N点射出，射出的光通过被测气室（装有被测气体），同样经折光棱镜，再回射入被测气室,最后在平面镜点O处经反射汇聚到反射棱镜，两束光在反射棱镜处产生光干涉。平面镜的作用与薄膜干涉时薄膜的作用相当
11、，从产生的条纹来看是线状条纹，这是一个典型的等厚干涉光路。CMOS图像采集模块：图像采集模块：本模块的核心元件CMOS摄像头采用的是OV公司的OV6620摄像头，356*288像素、支持多种格式输出、图像数据逐行扫描读出、支持8/16位视频数据输出、抗模糊、5V工作电压、适合大多数嵌入式系统开发；该摄像头支持SCCB总线协议，总线速度最大400kb/s，可对摄像头内部各参数进行编程，比如图像的亮度、对比度、伽玛、饱和度、锐度、窗口输出等。本模块的另一重要的元件是图像缓冲存储器，由于OV6620摄像头输出帧率为50帧每秒，像素时钟频率高达8.86MHz，不可能直接让处理器读取图像数据，否则将会出
12、现漏读数据现象，所以这里采用IDT公司的FIFO存储器预先将摄像头输出的图像数据存储下来，然后再将图像数据传输到处理器进行下一步的图像处理，本模块采用的FIFO型号为IDT7205，8192 * 9bit，存储速度12ns，5V工作电压与摄像头兼容，770mW。核心算法建立在以下物理光学原理下：已知纯空气气体折射率1.000272，纯甲烷气体折射率1.000411。假0n1n设样品气室充入浓度为 x 的甲烷气体，则其折射率210100 100100xxnnn而标准气室为纯空气体，所以两光路的光程差，其中 为气室202()nn ll长度。甲烷检测仪显示的干涉条纹如上图，它是由白光产生的，中心是零
13、级白色亮纹，两边是若干条彩色条纹和两条零级黑色暗纹。我们认为零级白色亮纹为白基线，假定样品气室未充入甲烷时，白基线对应的象素点为。当样品气室A含有甲烷后，干涉条纹移动，设两条零级黑色暗纹对应的象素点分别为和，BC那么就是一个条纹间距，我们只需识别出偏移后的白基线对应的象素点的CB位置，记为，就可以得出干涉条纹移动的间距数D DANCB根据干涉原理，干涉条纹移动一个条纹间距，对应光程差变化量为，即1001002()100100xxNnnn l得出甲烷浓度的算法方程：101002 ()DAxl nnCB其中为光源波长。折射率与气温、气压有关，所以环境温度和气压的变化会影响测量结果。为了降低仪器的成
14、本，采用人工键入环境温度、气压值，由微机根据计算公式修正测量值后显示。修正公式为 101325 293TKPT 和 P 分别为测定地点的绝对温度和大气压（Pa）。只要进入甲烷室的气体成分与空气室的气体成分不一样，干涉条纹就会移动，干涉条纹的移动量与气体成分有关系，因此，光干涉甲烷检测仪受外界气体的影响较大。为保证光干涉甲烷检测仪测量的准确性，仪器外部都配有吸收二氧化碳和水蒸气的吸收剂。另外，如果光干涉甲烷检测仪的检定地点与使用地点的温差较大，或被测气体缺氧，则其测量结果都会受到影响。3.系统硬件设计系统硬件设计OV6620摄像头输出时序如下图所示，VSYN代表一帧图像的开始，HREF信号为高电平表示此时的图像数据是有效的，而PCLK信号为像素信号，在PCLK上升沿，图像数据
