一種基于A(yíng)RM9的便攜式多參數氣體檢測儀設計

　　摘要：針對目前煤礦常用氣體檢測儀以檢測單氣體為主，檢測精度不高、穩定性不強等問(wèn)題，研究并設計了一種基于ARM9的便攜式多參數氣體檢測儀。本檢測儀以S3C2440A微處理器為核心控制器，可以實(shí)現CH4、CO、H2S、O2四種氣體濃度的實(shí)時(shí)檢測，同時(shí)，檢測儀移植了Linux嵌入式操作系統，提高了系統的可靠性和穩定性。實(shí)際應用表明，該檢測儀攜帶方便，測量準確，將井下氣體信息濃縮于一掌之中，使井下生產(chǎn)人員能及時(shí)有效的獲得礦井安全狀況，具有較高的推廣應用價(jià)值。

　　關(guān)健詞：ARM;傳感器;便攜式;氣體檢測儀

　　0 引言

　　在煤礦的開(kāi)采過(guò)程中，會(huì )釋放出大量的有毒有害氣體和可燃性氣體，諸如CH4、CO、H2S，當這些氣體積攢到一定濃度時(shí)，就會(huì )使人呼吸困難、窒息死亡，甚至引發(fā)瓦斯爆炸事故，嚴重威脅著(zhù)井下作業(yè)人員的生命和財產(chǎn)安全，因此，實(shí)時(shí)準確地檢測出井下環(huán)境中的各氣體濃度，做到事前預警，就顯得尤為重要。

　　目前，我國煤礦井下所用氣體檢測儀以單參數檢測儀為主，使用不方便，雖然已經(jīng)研制出一些多參數氣體檢測儀，但這些檢測儀普遍存在著(zhù)穩定性不夠、測量精度低等問(wèn)題?；诖?，本文研究并設計了一種基于ARM9的高性能礦用便攜式多參數氣體檢測儀。本檢測儀能夠實(shí)時(shí)準確地檢測出CH4、CO、H2S、O2四種氣體濃度，當氣體濃度超過(guò)預設報警值時(shí)，進(jìn)行聲光報警，有效地消除了礦井的安全隱患，減少了事故的發(fā)生。

　　1 系統總體結構設計

　　檢測儀以基于ARM9內核的S3C2440A嵌入式微處理器為核心，由氣體傳感器模塊、信號調理模塊、LCD顯示模塊、聲光報警模塊、數據存儲模塊、通訊接口模塊、電源模塊等組成，其具體結構如圖1所示。

　　氣體傳感器將檢測到的氣體數據轉化成微弱的模擬信號，經(jīng)過(guò)信號調理電路進(jìn)行濾波、放大以及A/D轉換處理后送入S3C2440A，經(jīng)過(guò)S3C2440A的運算處理，最終得出相應的濃度值，送LCD顯示屏實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。同時(shí)，將檢測到的濃度值與預設的報警值進(jìn)行比較，若超過(guò)報警值，則進(jìn)行聲光報警。為便于濃度數據的長(cháng)期保存和查詢(xún)，S3C2440A設計有片外存儲器，來(lái)擴充數據存儲容量。

　　儀器還具有與上位機PC通信的功能，通過(guò)RS232串口通訊接口可將測量濃度值傳輸給PC機，實(shí)現歷史數據的備份。電源方面，采用可充電鋰電池，通過(guò)高轉換效率的LDO對各模塊供電。

　　2 系統硬件設計

　　2.1 氣體傳感器檢測原理及選型

　　氣體傳感器是決定檢測儀效果的關(guān)鍵元件，主要完成從物理量到電信號的轉換，是信號采集的第一步。氣體傳感器按原理分為熱導池式、催化燃燒式、電化學(xué)式、光干涉式、紅外式等幾大類(lèi)。根據實(shí)際需要，選擇合適的傳感器進(jìn)行檢測。

　　電化學(xué)式傳感器有膜電極和電解液澆封而成，通常待測氣體擴散進(jìn)入傳感器內，將電解液分解成正負帶電離子，形成電流信號，膜電極將信號輸出，通過(guò)檢測電流信號就能得到氣體的濃度，電化學(xué)式傳感器主要用于氧氣和有毒氣體的檢測。紅外式傳感器檢測原理基于比爾-朗伯吸收定律，即不同氣體對特定波長(cháng)的光有吸收，吸收強度與氣體的濃度成正比，通過(guò)檢測吸收強度就可換算出相應氣體的濃度。

　　本檢測儀通過(guò)比較各傳感器的性能以及應用范圍綜合考慮決定，采用英國SUSA公司所生產(chǎn)的電化學(xué)式傳感器4H2S-AS來(lái)檢測H2S;采用英國阿爾法公司生產(chǎn)的電化學(xué)式傳感器CO-AF和O2-A2分別檢測CO和O2;采用英國City公司生產(chǎn)的紅外式傳感器IRcel CH4來(lái)檢測CH4。

　　2.2 處理器選型

　　本檢測儀選擇三星公司生產(chǎn)的S3C2440A嵌入式處理器作為主控芯片。S3C2440A是一款專(zhuān)為便攜式設備而設計的低功耗、高性能32位RISC微處理器，它采用ARM920T的內核，集成了豐富的片上資源，使開(kāi)發(fā)者可以盡可能地減少外圍部件的設計，方便了應用系統的開(kāi)發(fā)，縮短了開(kāi)發(fā)周期。

　　S3C2440A中主要集成了下列模塊：16KB指令Cache、16KB數據Cache、MMU、外部存儲器控制器、LCD控制器、168腳通用GPIO、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、8通道多路復用ADC和FET給線(xiàn)性觸摸屏接口、標準20pin JTAG調試接口等。

　　2.3 LCD顯示模塊設計

　　為便于更好的人機交互，本設計采用觸摸屏設計。

　　S3C2440A自帶有LCD控制器，所以免去了LCD控制器的設計。S3C2440A內部集成了一個(gè)觸摸屏接口，可以直接與四線(xiàn)電阻式觸摸屏連接;

　　S3C2440A具有8個(gè)轉換通道(AIN[0-7])，其中AIN[7]用于觸摸屏X坐標輸入，AIN[5]用于觸摸屏Y坐標輸入。

　　本設計選用三星公司生產(chǎn)的四線(xiàn)電阻式LCD觸摸屏，尺寸為3.5寸，分辨率為320×240。

　　2.4 數據存儲模塊設計

　　由于檢測儀程序量很大、檢測后所得的濃度數據眾多，且需要長(cháng)期保存以便調閱和查詢(xún)，本設計決定采用3種存儲器，以提高系統的性能。

　　NAND Flash作為文件存儲器，用于存儲氣體濃度數據;NOR Flash作為程序存儲器，用于存放引導程序、用戶(hù)程序以及Linux嵌入式操作系統;SDROM作為數據交換存儲器，系統運行所使用的程序代碼、堆棧和數據一般都調入此存儲器運行，以提高系統的運行速度。

　　本系統選用三星公司的K9F1208芯片作為NAND Flash存儲器，單片存儲容量為64 MB;采用K802815芯片作為NOR Flash，單片存儲容量16MB。

　　2.5 聲光報警模塊設計

　　聲光報警電路由三極管、發(fā)光二極管、蜂鳴器組成。當檢測儀檢測到某種氣體濃度超限時(shí)，相對應的氣體濃度值在LCD顯示屏上持續閃爍，提示是哪種氣體濃度超限，同時(shí)系統驅動(dòng)蜂鳴器發(fā)出聲響以及紅色發(fā)光二極管閃爍，進(jìn)行聲光報警，警示檢測人員采取必要的行動(dòng)。

　　2.6 通訊接口模塊設計

　　檢測儀具有與上位機PC通信的功能，通過(guò)串口可將測量數據傳輸給PC機，同時(shí)也可通過(guò)PC對檢測儀的各項參數進(jìn)行設置。

　　由于S3C2440A的輸入、輸出電平是TTL電平，而PC機配置的是RS232標準串行接口，因此要完成S3C2440A與PC機之間的數據通信，必須對TTL電平進(jìn)行電平轉換。在本系統中使用了SP3232E芯片來(lái)完成TTL電子到RS232電平的轉換。

　　2.7 電源模塊設計

　　本系統需要的工作電壓有1.3V、3.3V、5V三種，其中S3C2440A內核所需的工作電壓為1.3V;氣體傳感器、LCD顯示屏等需要5V電壓供電;S3C2440A的I/O口、一些主要的外圍器件如SDROM、NORFlash、NAND Flash等需要3.3V電壓供電。

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