基于ARM 的甲烷檢測(cè)系統(tǒng)

周俊冬 吳佳麗 楊 義 周子鈺 閆 碩

煤礦安全生產(chǎn)至關(guān)重要，針對(duì)井下瓦斯爆炸事故頻發(fā)的問題，設(shè)計(jì)了一款基于STM32F103VET6 處理器的甲烷檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括ARM 處理器、甲烷氣體傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等，實(shí)現(xiàn)了對(duì)甲烷氣體濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，超限報(bào)警功能。系統(tǒng)靈敏度高，成本低，為煤礦安全生產(chǎn)提供了可靠保障。

甲烷（CH4）是一無色無味氣體，分布廣泛，是天然氣、沼氣、油田氣及煤礦坑道氣的主要成分，屬于屬微毒類且易燃易爆，是重要的工業(yè)原料和日常生活的燃?xì)?。?duì)哺乳動(dòng)物引起DNA 損傷，對(duì)人淋巴姐妹染色體發(fā)生變化。皮膚接觸液化的甲烷，可致凍傷。甲烷氣體在地下很常見，是瓦斯的重要成分。瓦斯爆炸不僅會(huì)爆炸導(dǎo)致財(cái)務(wù)人員損失，而且爆炸之后會(huì)產(chǎn)生大量有毒氣體，使人中毒死亡。由于當(dāng)前的甲烷監(jiān)測(cè)仍存在一系列問題，我們?cè)O(shè)計(jì)了這個(gè)基于ARM 處理器的甲烷檢測(cè)系統(tǒng)，使其對(duì)甲烷的檢測(cè)可靠性更高，精度也有了較大提高，功耗降低這種檢測(cè)系統(tǒng)不僅能應(yīng)用于礦山，還可廣泛用于化工、電力等行業(yè)的危險(xiǎn)氣體監(jiān)測(cè)。

基于ARM 的甲烷檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1 基于ARM 的甲烷檢測(cè)系統(tǒng)框圖

甲烷的檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)通過甲烷傳感器采集現(xiàn)場(chǎng)的甲烷數(shù)據(jù)信息，當(dāng)甲烷氣體經(jīng)過傳感器，產(chǎn)生電信號(hào)，該電信號(hào)再經(jīng)過運(yùn)算放大器電路的電壓信號(hào)。ARM 處理器通過A／D 轉(zhuǎn)換器采集該電壓信號(hào)即可獲取甲烷氣體的濃度值，再利用顯示屏顯示當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)的甲烷氣體的濃度。另外，通過編輯程序可設(shè)置甲烷氣體濃度報(bào)警值，當(dāng)甲烷氣體濃度大于某一設(shè)定值時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警，并輸出斷電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)氣體的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，達(dá)到設(shè)計(jì)的功能要求：（1）傳感器數(shù)據(jù)的采集；（2）超限報(bào)警；（3）斷電控制；（4）液晶顯示。

基于ARM 的甲烷檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于ARM 的甲烷檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)是要通過對(duì)設(shè)計(jì)要求的分析，對(duì)各個(gè)功能模塊的元器件的了解，從而得出分立元件與集成塊的相應(yīng)的連接方法，以達(dá)到設(shè)計(jì)的功能要求。

STM32F103VET6 處理器

STM32F103VET6 是 基 于ARM Cortex-M3 內(nèi)核的32 位處理器，該芯片是意法半導(dǎo)體（ST）公司出品，具有杰出的功耗控制以及眾多的外設(shè)，功耗低，性能強(qiáng)，最高工作頻率為72MHz，集成嵌入式Flash 和SRAM存儲(chǔ)器，3 個(gè)16 位定時(shí)器，3 個(gè)USART 接口，2 通道12 位D/A 轉(zhuǎn)換器，串行單線調(diào)試（SWD）和JTAG 接口，CAN 總線通信具有較高的通信速率、高可靠性、便于連接和性價(jià)比高的優(yōu)勢(shì)。

甲烷（CH4）半導(dǎo)體氣體傳感器

該MQ-4 傳感器一種SnO2半導(dǎo)體氣體傳感器，可以在較寬的濃度范圍內(nèi)對(duì)甲烷有良好的靈敏度，具有長(zhǎng)壽命、低成本、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)甲烷，天然氣具有高的靈敏度和選擇性，而且濕度對(duì)它的影響很小，具有長(zhǎng)期的使用壽命和可靠性。既可用于家庭和工廠的可燃?xì)怏w泄漏監(jiān)測(cè)裝置，又適宜于甲烷、液化氣、氫氣的探測(cè)。

該傳感器需要施加加熱器電壓（VH）和測(cè)試電壓（VC）。VH 為傳感器提供特定的工作溫度，可用直流電源或交流電源；VC 為負(fù)載電阻RL 提供測(cè)試的電壓，由于這種傳感器具有輕微的極性，因此須用直流電源 。VRL 是傳感器串聯(lián)的負(fù)載電阻（RL）上的電壓。

圖2 甲烷傳感器基本測(cè)試電路

圖3 聲光報(bào)警電路

圖4 12864 液晶接口電路

聲光報(bào)警電路

甲烷傳感器采集現(xiàn)場(chǎng)的甲烷數(shù)據(jù)信息，獲取甲烷氣體的濃度值，當(dāng)環(huán)境氣體中的甲烷濃度超過預(yù)先設(shè)定的上限值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警。聲報(bào)警通過驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲實(shí)現(xiàn)；光報(bào)警通過燈光閃爍實(shí)現(xiàn)（LED 燈和蜂鳴器接受芯片的PD3 和PA3 的控制）。

液晶顯示電路

12864 液晶屏可顯示漢字及圖形，內(nèi)置8192 個(gè)中文漢字（16X16 點(diǎn)陣）、128 個(gè)字符（8X16 點(diǎn)陣）及64X256 點(diǎn)陣顯示RAM（GDRAM），低電壓低功耗，接口方式靈活，操作指令方便，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面。可以選擇8位并行或者4位串行操作，引腳3（VL）一般接一個(gè)103 的電位器，用于調(diào)節(jié)液晶的顯示亮度，引腳15（PSB）高電平時(shí)選擇并口，低電平時(shí)選擇串口。

圖5 基于ARM 的甲烷檢測(cè)系統(tǒng)軟件流程圖

基于ARM 的甲烷檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在MDK 開發(fā)環(huán)境下的用μ Vision4 建立MDK 工程，進(jìn)行代碼的編譯和調(diào)試，使用JLINK 仿真器仿真。

結(jié)束語

該系統(tǒng)采用ARM 系列嵌入式處理器作為核心處理芯片，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)甲烷濃度，并在濃度超限時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警，輸出斷電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)氣體的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，靈敏度高，功耗低。此設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)甲烷氣體的產(chǎn)生源、泄漏源，對(duì)于工礦安全運(yùn)行、人身安全和環(huán)境保護(hù)都有著重要的作用。不僅可以很好地預(yù)防井下安全事故的發(fā)生，還可以廣泛應(yīng)用于化工、電力等其他行業(yè)的危險(xiǎn)氣體監(jiān)測(cè)，具有很大的實(shí)際和推廣價(jià)值。