基于S3C2410及嵌入式Linux的氫氣濃度的檢測系統的解決方案

氫氣是一種無(wú)色無(wú)味、攜帶極不方便、極易泄漏的氣體，在室溫和標準大氣壓下，氫氣與空氣的混合比例達到4．1％～74．1％時(shí)遇明火極易爆炸。為了減小使用氫氣的安全隱患，開(kāi)發(fā)出一套安全、可靠、靈敏度高的氫氣濃度監測系統具有十分重要的意義。

1 系統總體結構設計

采集到的氫傳感信號經(jīng)過(guò)低噪聲放大電路進(jìn)行放大處理，并在低通濾波器濾除信號中的高頻噪聲。然后，經(jīng)A／D轉換器送入ARM處理器S3C2410，ARM 處理器再調用應用程序對采集到的數據進(jìn)行數字處理，最后實(shí)時(shí)顯示濃度值，并在濃度超出限定值時(shí)做出報警處理。整個(gè)系統框圖如圖1所示。

2 系統硬件結構設計

本系統中所選氫氣傳感器為瑞士Membrapor生產(chǎn)的H2／C-1000。它的主要指標有：測量范圍O～1 000 mg／m3，最大負載2000 mg／m3，輸出信號為30±10 nA每mg／m3，分辨率2 mg／m3，響應時(shí)間45 s，溫度范圍-20～40℃，典型信號漂移2％／月?？梢?jiàn)，傳感器輸出的信號范圍為0～40μA甚至nA級的微弱直流信號。這里首先利用I／V轉換電路將微弱的電流信號轉換為電壓信號，再利用后級的差動(dòng)放大電路將其放大到A／D能采集的電壓范圍。然后，將其經(jīng)過(guò)二階低通濾波處理后送入A／D轉換器。最后由微處理器S3C2410處理采集到的數值信號。

2．1 微弱信號放大電路

根據弗里斯定理可知，I／V轉換引入的外界干擾和噪聲，對整個(gè)系統性能影響最顯著(zhù)，為此必須選用開(kāi)環(huán)輸入電阻高、輸入偏置電流小、噪聲小的精密運算放大器。這里選用斬波穩零的高精度運放ICL7650，其輸入電阻為1012Ω，偏置電流為1．5 pA，輸入失調電壓為1μV，失調電壓溫度系數為0．01μV／℃，共模抑制比為130 dB。后級的差動(dòng)放大選用內部具有三運放結構的儀用放大器AD620AN。它具有共模抑制比高，溫度穩定性好，放大頻帶寬，噪聲系數小、功耗低，差動(dòng)輸入、單端輸出，電壓增益由電阻RG確定，且連續可調等優(yōu)點(diǎn)。系統的前端信號放大電路如圖2所示。

輸入電流I1進(jìn)入放大器ICL7650的反向端，輸出電壓正比于輸入電流，電壓U1=I1R2。為防止產(chǎn)生高頻振蕩，在電阻R2上并接了電容C1。R1為 ICL7650的限流保護電阻。經(jīng)過(guò)I／V轉換后的電壓信號U1和R4上所分得的電壓一起，作為差動(dòng)輸入進(jìn)入儀用放大器AD620AN，它的放大倍數僅由電阻RG(即R6)決定，增益公式為G=(49．4 kΩ／R6)+1。由于R4上所得的電壓為一恒定值，而U1會(huì )隨著(zhù)輸入信號的變化而變化，那么AD620AN的輸出端電壓信號U2即包含了一定的基底電壓和被測信號量，對其進(jìn)行濾波采樣后，進(jìn)行處理，可以從中分離出需要補償的基底電壓，得到實(shí)際的被測信號。由于基底電壓是緩變的直流信號，在一定的時(shí)間 (min級)內為定值，因此可以忽略處理時(shí)間(ms級)，保證實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)補償。電路中的R3和R5與G2組成低通濾波電路，可以防止高頻噪聲進(jìn)入放大器，減小噪聲干擾。

2．2 濾波電路

經(jīng)過(guò)放大后的直流信號附有噪聲干擾，對于傳感器信號濾波最常用的是RC有源模擬濾波器，即用運算放大器和電阻、電容構成，具有結構簡(jiǎn)單、調整方便、成本低的特點(diǎn)。因此采用由2個(gè)2階巴特沃斯有源濾波電路級聯(lián)構成的截止頻率為50 Hz的4階巴特沃斯低通濾波器。