基于ARM的煤礦多功能傳感器的設計

張全柱，葛艷香，鄧永紅，張文山，錢會發(fā)

(華北科技學院 信息與控制技術研究所，北京 東燕郊 065201)

基于ARM的煤礦多功能傳感器的設計

張全柱，葛艷香，鄧永紅，張文山，錢會發(fā)

(華北科技學院 信息與控制技術研究所，北京 東燕郊 065201)

為了使傳感器滿足不同場合的需求和減少成本，設計了一種將多個傳感器與ARM11處理器S3C6410相結(jié)合的多功能智能傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)把粉塵、CO2、溫度和濕度等傳感器的功能集合在一起，并且具有存儲、顯示、語音、數(shù)據(jù)查詢、拍照、報警等新的功能。

多功能智能傳感器;ARM處理器;新功能

Abstract: In order to enable the sensor to adapt to the needs of different occasions and reduce the cost, a multifunctional intelligent sensor is designed, it combines multi sensors with ARM11 processor ( S3C6410), will realize the functions of dust sensor, gas sensor, temperature sensor and humidity sensor, and has a storage, display, voice, data query, camera, alarm and other new functions.

Keywords:multi-function intelligent sensor; ARM processor; new function

0 引言

傳統(tǒng)的檢測系統(tǒng)多由分離元件構成，傳感器檢測信號經(jīng)過處理后直接由模塊表現(xiàn)出來，功能單一，各個模塊獨立，而且到具體測量點時，通道數(shù)量和類型會出現(xiàn)大于或小于監(jiān)測點數(shù)量的情況，造成資源的浪費或不能滿足應用場合的需求[1]。為了使傳感器去適應不同場合的需要和減少成本，需要設計一種多功能的傳感器。利用ARM微處理器可實現(xiàn)軟件的溫度補償、數(shù)模轉(zhuǎn)換通道的選擇和向上位機傳遞數(shù)據(jù)等傳統(tǒng)傳感器無法實現(xiàn)的功能，還具有存儲、顯示、打印、語音、數(shù)據(jù)查詢、拍照、報警等新的功能。這對促進煤礦安全監(jiān)測和保證工作人員的健康具有非常重要的意義。

1 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)的整體硬件結(jié)構包括模擬量傳感器接口、數(shù)字量傳感器接口、信號調(diào)理電路、多量程A/D通道、RS485接口和ARM11處理器S3C6410為核心中央處理單元組成，系統(tǒng)硬件結(jié)構圖如圖1所示。

開關量和數(shù)字量的傳感器可以直接或通過隔離模塊與ARM相連接。模擬量傳感器輸出的模擬量通過編程放大電路，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器的處理，最后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再傳送到ARM處理器中。微處理器通過邏輯控制多路轉(zhuǎn)換開關，通過選擇每個通道對應的傳感器，實現(xiàn)了同時采集不同傳感器的信號。采集到的傳感器信號通過RS485接口傳送到上位機系統(tǒng)。按鍵和LCD驅(qū)動電路用來實現(xiàn)采集系統(tǒng)的手動操作、數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)顯示。

在硬件設計中，選擇了基于三星供供公司最新的ARM11處理器S3C6410的OK6410評估板，OK6410評估板上集成了很多高端的接口，比如攝像頭、SD卡、液晶屏、無線網(wǎng)和溫度傳感器等[2-3]。在該板塊上采用了飛凌配套的攝像頭，攝像頭接口除了處理信號外，還增加了I2C信號，用來配置攝像頭的相關參數(shù)。采用了DS18B20的高精度溫度傳感器，且可連接無線傳輸模塊，來實現(xiàn)上網(wǎng)的功能，也可以用來擴展SD卡座。評估板配置的TV輸出接口采用2引腳標準規(guī)格，可支持10英寸的TFT液晶屏，音頻的輸出和麥克風的輸入功能是通過使用AC97 I2S總線，外接WM9714音頻芯片來實現(xiàn)的[2-4]。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構圖

2 系統(tǒng)的軟件設計

礦用多功能智能傳感器采用模塊化和結(jié)構化的設計方法，主程序模塊主要完成自檢、初始化、通道的選擇和調(diào)用各個功能模塊的功能[5]。根據(jù)多功能智能傳感器檢測系統(tǒng)硬件設計,軟件部分的設計分為下位機軟件和上位機軟件部分的設計，下位機軟件程序主要完成寄存器的初始化，還包括對鍵盤、LCD程序、模數(shù)轉(zhuǎn)換器驅(qū)動、差分信號的可編程放大功能，在數(shù)模轉(zhuǎn)換的過程中，還要對數(shù)據(jù)做平均值濾波和閥值濾波的操作[6-7]。在上位機數(shù)據(jù)處理中，程序用LabVIEW編程語言實現(xiàn)，利用LABSQL與ACCESS數(shù)據(jù)庫的接口，每個子程序模塊實現(xiàn)對傳感數(shù)據(jù)接收、存儲、訪問和顯示等功能[8-9]。礦用多功能智能傳感器的軟件流程圖如圖2所示。

圖2 礦用多功能智能傳感器的軟件流程圖

3 測試結(jié)果分析

在這里選擇粉塵和CO2的測量進行調(diào)試運行的演示，對傳感器所測得的粉塵濃度進行數(shù)據(jù)分析，如表1所示；將測得的數(shù)據(jù)再進行線性擬合，如圖3所示，算出濃度理論值和粉塵濃度測量值之間的線性相關系數(shù)，粉塵濃度的理論值是通過標定的粉塵濃度傳感器來確定的，看測得的濃度值和電壓是否存在一定的線性的關系。計算誤差范圍是否在誤差允許范圍之內(nèi)，否則調(diào)整傳感器的參數(shù)設置。當濃度超過預設值時，蜂鳴器報警。

表1 粉塵濃度檢測測試數(shù)據(jù)

由表 1 中的數(shù)據(jù)顯示，得出粉塵濃度理論值與粉塵測試濃度偏差控制在±5 mg/m3之內(nèi)，這樣的誤差范圍達到了設計要求。

把上述表1的數(shù)據(jù)進行線性擬合得圖3，其中濃度理論值和粉塵濃度測量值之間的線性相關系數(shù)為 0.999 ，線性度e為-0.6% ～1.4%。由此可見，該系統(tǒng)的濃度測量值和電壓是存在一定的線性的關系，說明該傳感器設計合理，達到了設計要求。

從C02濃度標準設定中設置0到1500 ppm內(nèi)的7個典型的濃度值,各自用了標準的空氣質(zhì)量檢測儀器和設計的智能傳感器進行C02濃度的檢測,釆樣的測量數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 CO2濃度檢測測試數(shù)據(jù)

如圖4所示,C02測量的數(shù)據(jù)值和標準的數(shù)據(jù)值曲線大致是重合的,對不同檢測點的數(shù)據(jù)分析,設計的多功能智能傳感器測量C02的精度控制在-30 ppm到+30 ppm之內(nèi)。

4 結(jié)論

多功能智能傳感器無疑是當前傳感器技術發(fā)展中一個全新的研究方向，目前有許多學者正在積極從事于該領域的研究工作[9]。而設計的多功能智能傳感器它是基于ARM系統(tǒng)的，可以即時檢測粉塵和瓦斯的濃度，溫度和濕度，把傳統(tǒng)的單一的檢測功能轉(zhuǎn)變?yōu)閷Χ鄠€物理量的測量，并且具有存儲、顯示、打印、語音、數(shù)據(jù)查詢、拍照、報警等新的功能，滿足現(xiàn)在礦井對儀器的智能化要求，對礦井的安全檢測具有非常大的意義。

圖3 粉塵濃度標準值與測量值的對比曲線圖

圖4 CO2濃度標準值與測量值的對比曲線圖

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Designofmulti-functionSensorforCoalMineBasedonARM

ZHANG Quan-zhu, GE Yang-xiang, DENG Yong-hong, ZHANG Wen-shan, QIAN Hui-fa

(InformationandControlTechnologyResearchInstituteNorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao，065201,China)

TP274

A

1672-7169(2017)03-0071-04

2017-02-19

中央高校基本科研業(yè)務費資助(3142017044)

張全柱(1965-)，男，內(nèi)蒙古察右中旗人，博士，華北科技學院電子信息工程學院教授，研究方向：電力電子與電力傳動、微型計算機控制、軌道牽引電氣化與自動化、煤礦電氣自動化裝備等。E-mail:zhangquanzhu1965@123.com