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一种基于ARM9的便携式多参数气体检测仪设计

发布时间:2019-06-21 15:28

  摘要:针对目前煤矿常用气体检测仪以检测单气体为主,检测精度不高、稳定性不强等问题,研究并设计了一种基于的便携式多参数气体检测仪。本检测仪以S3C2440A微处理器为核心控制器,可以实现CH4、CO、H2S、O2四种气体浓度的实时检测,同时,检测仪移植了嵌入式操作系统,提高了系统的可靠性和稳定性。实际应用表明,该检测仪携带方便,测量准确,将井下气体信息浓缩于一掌之中,使井下生产人员能及时有效的获得矿井安全状况,具有较高的推广应用价值。

  在煤矿的开采过程中,会释放出大量的有毒有害气体和可燃性气体,诸如CH4、CO、H2S,当这些气体积攒到一定浓度时,就会使人呼吸困难、窒息死亡,甚至引发瓦斯爆炸事故,严重威胁着井下作业人员的生命和财产安全,因此,实时准确地检测出井下环境中的各气体浓度,做到事前预警,就显得尤为重要。

  目前,我国煤矿井下所用气体检测仪以单参数检测仪为主,使用不方便,虽然已经研制出一些多参数气体检测仪,但这些检测仪普遍存在着稳定性不够、测量精度低等问题。基于此,本文研究并设计了一种基于ARM9的高性能矿用便携式多参数气体检测仪。本检测仪能够实时准确地检测出CH4、CO、H2S、O2四种气体浓度,当气体浓度超过预设报警值时,进行声光报警,有效地消除了矿井的安全隐患,减少了事故的发生。

  模块、信号调理模块、LCD显示模块、声光报警模块、数据存储模块、通讯接口模块、电源模块等组成,其具体结构如图1所示。

  将检测到的气体数据转化成微弱的模拟信号,经过信号调理电路进行滤波、放大以及A/D转换处理后送入S3C2440A,经过S3C2440A的运算处理,最终得出相应的浓度值,送LCD显示屏实时显示出来。同时,将检测到的浓度值与预设的报警值进行比较,若超过报警值,则进行声光报警。为便于浓度数据的长期保存和查询,S3C2440A设计有片外存储器,来扩充数据存储容量。

  仪器还具有与上位机PC通信的功能,通过RS232串口通讯接口可将测量浓度值传输给PC机,实现历史数据的备份。电源方面,采用可充电锂电池,通过高转换效率的LDO对各模块供电。

  是决定检测仪效果的关键元件,主要完成从物理量到电信号的转换,是信号采集的第一步。气体传感器按原理分为热导池式、催化燃烧式、电化学式、光干涉式、红外式等几大类。根据实际需要,选择合适的传感器进行检测。

  电化学式传感器有膜电极和电解液浇封而成,通常待测气体扩散进入传感器内,将电解液分解成正负带电离子,形成电流信号,膜电极将信号输出,通过检测电流信号就能得到气体的浓度,电化学式传感器主要用于氧气和有毒气体的检测。红外式传感器检测原理基于比尔-朗伯吸收定律,即不同气体对特定波长的光有吸收,吸收强度与气体的浓度成正比,通过检测吸收强度就可换算出相应气体的浓度。

  本检测仪通过比较各传感器的性能以及应用范围综合考虑决定,采用英国SUSA公司所生产的电化学式传感器4H2S-AS来检测H2S;采用英国阿尔法公司生产的电化学式传感器CO-AF和O2-A2分别检测CO和O2;采用英国City公司生产的红外式传感器IRcel CH4来检测CH4。

  本检测仪选择三星公司生产的S3C2440A嵌入式处理器作为主控芯片。S3C2440A是一款专为便携式设备而设计的低功耗、高性能32位RISC微处理器,它采用ARM920T的内核,集成了丰富的片上资源,使开发者可以尽可能地减少外围部件的设计,方便了应用系统的开发,缩短了开发周期。

  S3C2440A中主要集成了下列模块:16KB指令Cache、16KB数据Cache、MMU、外部存储器控制器、LCD控制器、168脚通用GPIO、实时时钟、8通道多路复用ADC和FET给线pin JTAG调试接口等。

  S3C2440A自带有LCD控制器,所以免去了LCD控制器的设计。S3C2440A内部集成了一个触摸屏接口,可以直接与四线电阻式触摸屏连接;

  本设计选用三星公司生产的四线电阻式LCD触摸屏,尺寸为3.5寸,分辨率为320×240。

  由于检测仪程序量很大、检测后所得的浓度数据众多,且需要长期保存以便调阅和查询,本设计决定采用3种存储器,以提高系统的性能。

  NAND Flash作为文件存储器,用于存储气体浓度数据;NOR Flash作为程序存储器,用于存放引导程序、用户程序以及Linux嵌入式操作系统;SDROM作为数据交换存储器,系统运行所使用的程序代码、堆栈和数据一般都调入此存储器运行,以提高系统的运行速度。

  声光报警电路由三极管、发光二极管、蜂鸣器组成。当检测仪检测到某种气体浓度超限时,相对应的气体浓度值在LCD显示屏上持续闪烁,提示是哪种气体浓度超限,同时系统驱动蜂鸣器发出声响以及红色发光二极管闪烁,进行声光报警,警示检测人员采取必要的行动。

  检测仪具有与上位机PC通信的功能,通过串口可将测量数据传输给PC机,同时也可通过PC对检测仪的各项参数进行设置。

  由于S3C2440A的输入、输出电平是TTL电平,而PC机配置的是RS232标准串行接口,因此要完成S3C2440A与PC机之间的数据通信,必须对TTL电平进行电平转换。在本系统中使用了SP3232E芯片来完成TTL电子到RS232电平的转换。

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