一種基于ARM9的便攜式多參數(shù)氣體檢測儀設(shè)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(wěn)定性不強(qiáng)等問題，研究并設(shè)計了一種基于ARM9的便攜式多參數(shù)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(xiàn)CH4、CO、H2S、O2四種氣體濃度的實(shí)時檢測，同時，檢測儀移植了Linux嵌入式操作系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。實(shí)際應(yīng)用表明，該檢測儀攜帶方便，測量準(zhǔn)確，將井下氣體信息濃縮于一掌之中，使井下生產(chǎn)人員能及時有效的獲得礦井安全狀況，具有較高的推廣應(yīng)用價值。

　　關(guān)健詞：ARM;傳感器;便攜式;氣體檢測儀

　　0 引言

　　在煤礦的開采過程中，會釋放出大量的有毒有害氣體和可燃性氣體，諸如CH4、CO、H2S，當(dāng)這些氣體積攢到一定濃度時，就會使人呼吸困難、窒息死亡，甚至引發(fā)瓦斯爆炸事故，嚴(yán)重威脅著井下作業(yè)人員的生命和財產(chǎn)安全，因此，實(shí)時準(zhǔn)確地檢測出井下環(huán)境中的各氣體濃度，做到事前預(yù)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(shù)檢測儀為主，使用不方便，雖然已經(jīng)研制出一些多參數(shù)氣體檢測儀，但這些檢測儀普遍存在著穩(wěn)定性不夠、測量精度低等問題?；诖?，本文研究并設(shè)計了一種基于ARM9的高性能礦用便攜式多參數(shù)氣體檢測儀。本檢測儀能夠?qū)崟r準(zhǔn)確地檢測出CH4、CO、H2S、O2四種氣體濃度，當(dāng)氣體濃度超過預(yù)設(shè)報警值時，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(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　檢測儀以基于ARM9內(nèi)核的S3C2440A嵌入式微處理器為核心，由氣體傳感器模塊、信號調(diào)理模塊、LCD顯示模塊、聲光報警模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、通訊接口模塊、電源模塊等組成，其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　氣體傳感器將檢測到的氣體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成微弱的模擬信號，經(jīng)過信號調(diào)理電路進(jìn)行濾波、放大以及A/D轉(zhuǎn)換處理后送入S3C2440A，經(jīng)過S3C2440A的運(yùn)算處理，最終得出相應(yīng)的濃度值，送LCD顯示屏實(shí)時顯示出來。同時，將檢測到的濃度值與預(yù)設(shè)的報警值進(jìn)行比較，若超過報警值，則進(jìn)行聲光報警。為便于濃度數(shù)據(jù)的長期保存和查詢，S3C2440A設(shè)計有片外存儲器，來擴(kuò)充數(shù)據(jù)存儲容量。

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

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)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(zhuǎn)換，是信號采集的第一步。氣體傳感器按原理分為熱導(dǎo)池式、催化燃燒式、電化學(xué)式、光干涉式、紅外式等幾大類。根據(jù)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(kuò)散進(jìn)入傳感器內(nèi)，將電解液分解成正負(fù)帶電離子，形成電流信號，膜電極將信號輸出，通過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的光有吸收，吸收強(qiáng)度與氣體的濃度成正比，通過檢測吸收強(qiáng)度就可換算出相應(yīng)氣體的濃度。

　　本檢測儀通過比較各傳感器的性能以及應(yīng)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是一款專為便攜式設(shè)備而設(shè)計的低功耗、高性能32位RISC微處理器，它采用ARM920T的內(nèi)核，集成了豐富的片上資源，使開發(fā)者可以盡可能地減少外圍部件的設(shè)計，方便了應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)，縮短了開發(fā)周期。

　　S3C2440A中主要集成了下列模塊：16KB指令Cache、16KB數(shù)據(jù)Cache、MMU、外部存儲器控制器、LCD控制器、168腳通用GPIO、實(shí)時時鐘、8通道多路復(fù)用ADC和FET給線性觸摸屏接口、標(biāo)準(zhǔn)20pin JTAG調(diào)試接口等。

　　2.3 LCD顯示模塊設(shè)計

　　為便于更好的人機(jī)交互，本設(shè)計采用觸摸屏設(shè)計。

　　S3C2440A自帶有LCD控制器，所以免去了LCD控制器的設(shè)計。S3C2440A內(nèi)部集成了一個觸摸屏接口，可以直接與四線電阻式觸摸屏連接;

　　S3C2440A具有8個轉(zhuǎn)換通道(AIN[0-7])，其中AIN[7]用于觸摸屏X坐標(biāo)輸入，AIN[5]用于觸摸屏Y坐標(biāo)輸入。

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

　　2.4 數(shù)據(jù)存儲模塊設(shè)計

　　由于檢測儀程序量很大、檢測后所得的濃度數(shù)據(jù)眾多，且需要長期保存以便調(diào)閱和查詢，本設(shè)計決定采用3種存儲器，以提高系統(tǒng)的性能。

　　NAND Flash作為文件存儲器，用于存儲氣體濃度數(shù)據(jù);NOR Flash作為程序存儲器，用于存放引導(dǎo)程序、用戶程序以及Linux嵌入式操作系統(tǒng);SDROM作為數(shù)據(jù)交換存儲器，系統(tǒng)運(yùn)行所使用的程序代碼、堆棧和數(shù)據(jù)一般都調(diào)入此存儲器運(yùn)行，以提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度。

　　本系統(tǒng)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(shè)計

　　聲光報警電路由三極管、發(fā)光二極管、蜂鳴器組成。當(dāng)檢測儀檢測到某種氣體濃度超限時，相對應(yīng)的氣體濃度值在LCD顯示屏上持續(xù)閃爍，提示是哪種氣體濃度超限，同時系統(tǒng)驅(qū)動蜂鳴器發(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。

　　2.6 通訊接口模塊設(shè)計

　　檢測儀具有與上位機(jī)PC通信的功能，通過串口可將測量數(shù)據(jù)傳輸給PC機(jī)，同時也可通過PC對檢測儀的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

　　由于S3C2440A的輸入、輸出電平是TTL電平，而PC機(jī)配置的是RS232標(biāo)準(zhǔn)串行接口，因此要完成S3C2440A與PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，必須對TTL電平進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。在本系統(tǒng)中使用了SP3232E芯片來完成TTL電子到RS232電平的轉(zhuǎn)換。

　　2.7 電源模塊設(shè)計

　　本系統(tǒng)需要的工作電壓有1.3V、3.3V、5V三種，其中S3C2440A內(nèi)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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