基于S3C2410的氫氣濃度監測系統設計

摘要：提出一種基于微處理器S3C2410的氫氣濃度監測系統設計方案。針對由傳感器輸出的微弱電流信號，設計了低噪聲、高抗干擾的前端信號調理電路，并利用SPI實(shí)現了ADC與S3C2410的數據傳輸。為微處理器S3C2410移植嵌入式Linux操作系統搭建了軟件操作平臺，完成了監測系統的外圍設備驅動(dòng)程序、數據處理程序以及圖形界面程序等軟件設計。通過(guò)實(shí)驗驗證，該系統具有良好的實(shí)時(shí)性、穩定性和靈活性，達到了設計要求。
關(guān)鍵詞：微弱信號；調理電路；S3C2410；嵌入式Linux；監測系統；AD7888；H2／C-1000

引言
零碳排放的氫燃料作為一種高效、清潔、可再生的能源，得到了國際能源界的廣泛認同。氫氣也在石油化工、電子工業(yè)、食品工業(yè)、航空航天工業(yè)等領(lǐng)域有了廣泛應用。然而，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。