基于嵌入式技術的礦下管道氣體多參數檢測系統的研究與實現

1、基于嵌入式技術的礦下管道氣體多參數基于嵌入式技術的礦下管道氣體多參數檢測系統的研究與實現檢測系統的研究與實現學學 生：生：XX專專 業(yè)：檢測儀器與技術業(yè)：檢測儀器與技術研究方向：煤礦安全檢測研究方向：煤礦安全檢測 導導 師：師：XXX 教授教授20XX年X月X日主要內容主要內容研究內容和研究基礎研究內容和研究基礎課題背景以及研究目的課題背景以及研究目的國內外研究現狀以及發(fā)展情況國內外研究現狀以及發(fā)展情況關鍵技術和工作規(guī)劃關鍵技術和工作規(guī)劃5134工程應用價值工程應用價值2一、課題背景以及研究目的一、課題背景以及研究目的v 我國是世界上最大的煤炭生產和消費國我國是世界上最大的煤炭生產和消費國，在

2、煤礦或井下作業(yè)環(huán)境中，瓦斯、一氧在煤礦或井下作業(yè)環(huán)境中，瓦斯、一氧化碳、氧氣濃度以及環(huán)境溫度的高低直接化碳、氧氣濃度以及環(huán)境溫度的高低直接影響了煤礦的安全生產和礦工的生命安全影響了煤礦的安全生產和礦工的生命安全。而且無論是瓦斯爆炸產生的原因還是瓦。而且無論是瓦斯爆炸產生的原因還是瓦斯爆炸過后的產物都和氣體參數有關，氣斯爆炸過后的產物都和氣體參數有關，氣體多參數檢測變得越來越重要。體多參數檢測變得越來越重要。課題背景課題背景1v在工業(yè)生產過程中，不可避免地要碰到各種各樣在工業(yè)生產過程中，不可避免地要碰到各種各樣的流動介質，如氣體或液體的計量問題，流量、的流動介質，如氣體或液體的計量問題，流量、壓

3、力的精確測量問題等。作為生產過程運行狀態(tài)壓力的精確測量問題等。作為生產過程運行狀態(tài)監(jiān)測的一個重要內容，流量以及壓力檢測技術也監(jiān)測的一個重要內容，流量以及壓力檢測技術也應運而生。應運而生。 v自自80年代中期以來，由于電子技術及微處理技年代中期以來，由于電子技術及微處理技術進步，嵌入式技術的引入給氣體參數檢測行業(yè)術進步，嵌入式技術的引入給氣體參數檢測行業(yè)帶來了新鮮血液，其系統集成化、自動化程度高帶來了新鮮血液，其系統集成化、自動化程度高，具有專用性強、功能齊全、操作簡單，分析精，具有專用性強、功能齊全、操作簡單，分析精度高，分析周期短等優(yōu)點，在煤礦氣體參數分析度高，分析周期短等優(yōu)點，在煤礦氣體參

4、數分析、礦井火災監(jiān)測分析、安全檢查工作中的重要性、礦井火災監(jiān)測分析、安全檢查工作中的重要性越來越明顯。越來越明顯。嵌入式技術的應用嵌入式技術的應用ARM嵌入式技術的特點嵌入式技術的特點v 嵌入式技術是將先進的計算機技術、半導體技術和電子技術與嵌入式技術是將先進的計算機技術、半導體技術和電子技術與各個行業(yè)的具體應用相結合的產物。各個行業(yè)的具體應用相結合的產物。v 相對于相對于ARM7，ARM Cortex-m3內核更具有優(yōu)勢。見下表內核更具有優(yōu)勢。見下表：(1).通過學習溫度、流量、濃度、壓力等有關的傳感器通過學習溫度、流量、濃度、壓力等有關的傳感器知識，結合嵌入式技術，改變傳統的單一檢測方法，

5、設知識，結合嵌入式技術，改變傳統的單一檢測方法，設計一種效率高、速度快、傳輸距離遠的氣體多參數檢測計一種效率高、速度快、傳輸距離遠的氣體多參數檢測系統并且能夠實時、準確測出礦井下管道氣體的流量、系統并且能夠實時、準確測出礦井下管道氣體的流量、濃度、流量、壓力等參數。濃度、流量、壓力等參數。(2).通過相應的參數設置，以及一系列電路設計，可輸通過相應的參數設置，以及一系列電路設計，可輸出斷電控制信號給斷電器，達到斷電控制礦下其他機電出斷電控制信號給斷電器，達到斷電控制礦下其他機電設備的功能，還可以控制電磁閥來控制管道閥門的角度設備的功能，還可以控制電磁閥來控制管道閥門的角度來實現管道瓦斯氣體的抽

6、放。來實現管道瓦斯氣體的抽放。(3).將檢測數據經傳輸接口通過以太網傳輸給陸地中心將檢測數據經傳輸接口通過以太網傳輸給陸地中心站（上位機），利用網絡釋放系統的潛力，改變了檢測站（上位機），利用網絡釋放系統的潛力，改變了檢測技術的以往面貌，使能夠有效的遠程接收數據。技術的以往面貌，使能夠有效的遠程接收數據。研究目的研究目的2二、工程應用價值二、工程應用價值v 多種傳感探頭一并嵌入在管道里，使它既可以用于煤礦瓦斯抽放多種傳感探頭一并嵌入在管道里，使它既可以用于煤礦瓦斯抽放管道混合氣體參數的檢測，也可以用于天然氣、空氣等管道氣體管道混合氣體參數的檢測，也可以用于天然氣、空氣等管道氣體參數的檢測，有很

7、開闊的發(fā)展空間。參數的檢測，有很開闊的發(fā)展空間。v 采用基于嵌入式采用基于嵌入式ARM CORTEX-M3內核的內核的32位微處理器，其位微處理器，其接口功能齊全，預留一些其它接口方便以后檢測儀表的二次開發(fā)接口功能齊全，預留一些其它接口方便以后檢測儀表的二次開發(fā)利用。最關鍵的還是其功耗和成本低廉，更利于被市場接受。利用。最關鍵的還是其功耗和成本低廉，更利于被市場接受。v 由于加入了以太網，陸地中心站利用網絡可以檢測不同礦井的數由于加入了以太網，陸地中心站利用網絡可以檢測不同礦井的數據，讓檢測范圍大大增加，相對與傳統的串口傳輸，傳輸的距離據，讓檢測范圍大大增加，相對與傳統的串口傳輸，傳輸的距離也

8、增加很多。也增加很多。v 雖然無線技術使用廣泛，但在礦下復雜，惡劣的環(huán)境下，無線信雖然無線技術使用廣泛，但在礦下復雜，惡劣的環(huán)境下，無線信號很難將數據信號準確無誤的傳送，有線傳輸還是目前最可靠的號很難將數據信號準確無誤的傳送，有線傳輸還是目前最可靠的傳輸方式傳輸方式。三、國內外研究現狀以及發(fā)展情況三、國內外研究現狀以及發(fā)展情況國內外研究現狀國內外研究現狀1國內國內國外國外仍舊采用傳統的傳感元件仍舊采用傳統的傳感元件功能單一，體積龐大功能單一，體積龐大傳輸距離短傳輸距離短精度很低，穩(wěn)定性差精度很低，穩(wěn)定性差不具備自動化處理能力不具備自動化處理能力體積小體積小重量輕重量輕操作簡便操作簡便符合人體工

9、程學設計符合人體工程學設計自動化程度高自動化程度高 隨著半導體工藝以及嵌入式技術的發(fā)展，隨著半導體工藝以及嵌入式技術的發(fā)展，多參數氣體檢測裝置的發(fā)展方向主要有：多參數氣體檢測裝置的發(fā)展方向主要有：(1)微小型化；(2)集成化；(3)智能化；(4)多功能化；(5)通用化；(6)網絡和嵌人式互聯網化。國內外發(fā)展情況國內外發(fā)展情況2四、研究內容和研究基礎四、研究內容和研究基礎v 系統總體架構如圖系統總體架構如圖1所示所示研究內容1氣體流量傳感器氣體流量傳感器 氣體壓力傳感器氣體壓力傳感器氣體濃度傳感器氣體濃度傳感器 氣體溫度傳感器氣體溫度傳感器傳感器原理及其選型要求 本次設計采用本次設計采用NXP公

10、司的公司的LPC1768芯片，它采用芯片，它采用目前比較流行的目前比較流行的ARM Cortex-m3內核，作為底內核，作為底層嵌入式開發(fā)，學習其芯片架構以及如何應用。層嵌入式開發(fā)，學習其芯片架構以及如何應用。以太網以及以太網以及TCP/IP協議協議傳輸接口部分與中心站是通過以太網傳輸接口部分與中心站是通過以太網RJ45接口進接口進行數據傳輸的，涉及行數據傳輸的，涉及TCP/IP協議。本次設計主要協議。本次設計主要研究其傳輸層研究其傳輸層:TCP（傳輸控制協議）（傳輸控制協議）UDP（用戶（用戶數據包協議）。數據包協議）。ARM嵌入式技術嵌入式技術v 了解傳感器相關原理，方便進行傳感頭的選型；

11、了解傳感器相關原理，方便進行傳感頭的選型；v 熟悉基于熟悉基于cortex-m3內核的內核的LPC1768芯片功能的使用；芯片功能的使用；v 電路設計：包括前置放大、通道切換、線性隔離放大器等信號處理電路；顯示電路設計：包括前置放大、通道切換、線性隔離放大器等信號處理電路；顯示、紅外遙控電路；、紅外遙控電路；485通訊電路；頻率、電流、電壓信號輸出電路以及數據存通訊電路；頻率、電流、電壓信號輸出電路以及數據存儲電路等。儲電路等。v 紅外遙控知識的積累；紅外遙控知識的積累；v 了解了解232、485串口通信原理，掌握串口通信的方式與方法；串口通信原理，掌握串口通信的方式與方法； v 掌握以太網掌

12、握以太網TCP/IP通信傳輸層協議，實現網絡通訊。通信傳輸層協議，實現網絡通訊。 v 掌握對掌握對PCB制圖（印制電路板），通過制圖（印制電路板），通過Altium Designer軟件能繪制樣板軟件能繪制樣板圖圖研究基礎2五、關鍵技術和工作規(guī)劃五、關鍵技術和工作規(guī)劃v 傳感頭、主機作為嵌入單元，嵌入在管道上作為一個整體，改變傳感頭、主機作為嵌入單元，嵌入在管道上作為一個整體，改變傳統掛載在管道的鋼架上。傳統掛載在管道的鋼架上。v 利用利用LPC1768單片機的單片機的RS232、RS485串口，經串口轉網口串口，經串口轉網口模塊，將串口數據轉換為網絡數據，采用模塊，將串口數據轉換為網絡數據，

13、采用TCP/IP協議，通過傳協議，通過傳輸接口與中心站的上位機通訊，傳輸更加可靠。輸接口與中心站的上位機通訊，傳輸更加可靠。v 預留電磁碟閥控制接口，此接口提供預留電磁碟閥控制接口，此接口提供420mA控制信號（或觸控制信號（或觸點信號），此預留接口為適應今后抽放綜合控制發(fā)展方向；點信號），此預留接口為適應今后抽放綜合控制發(fā)展方向；v 遙控功能，設計主機紅外接收電路，可直接與遙控器進行控制；遙控功能，設計主機紅外接收電路，可直接與遙控器進行控制；v 采用采用2路路18V供電，這樣可以不需要專門使用電源箱，可直接從供電，這樣可以不需要專門使用電源箱，可直接從檢測分站取電，并提供與其它設備配接的可能性。檢測分站取電，并提供與其它設備配接的可能性。關鍵技術1序號階 段 及 內 容起止時間階段成果型式1 確定課題，查閱文獻，收集相關資料，信息收集、知識儲備。理清思路、確定結構框架 20 xx.120 xx.2文獻綜述2 傳感頭選型，電路設計、代碼設計、結構設計 20 xx.220 xx.4