基于嵌入式技术的矿下管道气体多参数检测系统的研究与实现

1、基于嵌入式技术的矿下管道气体多参数基于嵌入式技术的矿下管道气体多参数检测系统的研究与实现检测系统的研究与实现学学 生：生：XX专专 业：检测仪器与技术业：检测仪器与技术研究方向：煤矿安全检测研究方向：煤矿安全检测 导导 师：师：XXX 教授教授20XX年X月X日主要内容主要内容研究内容和研究基础研究内容和研究基础课题背景以及研究目的课题背景以及研究目的国内外研究现状以及发展情况国内外研究现状以及发展情况关键技术和工作规划关键技术和工作规划5134工程应用价值工程应用价值2一、课题背景以及研究目的一、课题背景以及研究目的v 我国是世界上最大的煤炭生产和消费国我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，在

2、煤矿或井下作业环境中，瓦斯、一氧在煤矿或井下作业环境中，瓦斯、一氧化碳、氧气浓度以及环境温度的高低直接化碳、氧气浓度以及环境温度的高低直接影响了煤矿的安全生产和矿工的生命安全影响了煤矿的安全生产和矿工的生命安全。而且无论是瓦斯爆炸产生的原因还是瓦。而且无论是瓦斯爆炸产生的原因还是瓦斯爆炸过后的产物都和气体参数有关，气斯爆炸过后的产物都和气体参数有关，气体多参数检测变得越来越重要。体多参数检测变得越来越重要。课题背景课题背景1v在工业生产过程中，不可避免地要碰到各种各样在工业生产过程中，不可避免地要碰到各种各样的流动介质，如气体或液体的计量问题，流量、的流动介质，如气体或液体的计量问题，流量、压

3、力的精确测量问题等。作为生产过程运行状态压力的精确测量问题等。作为生产过程运行状态监测的一个重要内容，流量以及压力检测技术也监测的一个重要内容，流量以及压力检测技术也应运而生。应运而生。 v自自80年代中期以来，由于电子技术及微处理技年代中期以来，由于电子技术及微处理技术进步，嵌入式技术的引入给气体参数检测行业术进步，嵌入式技术的引入给气体参数检测行业带来了新鲜血液，其系统集成化、自动化程度高带来了新鲜血液，其系统集成化、自动化程度高，具有专用性强、功能齐全、操作简单，分析精，具有专用性强、功能齐全、操作简单，分析精度高，分析周期短等优点，在煤矿气体参数分析度高，分析周期短等优点，在煤矿气体参

4、数分析、矿井火灾监测分析、安全检查工作中的重要性、矿井火灾监测分析、安全检查工作中的重要性越来越明显。越来越明显。嵌入式技术的应用嵌入式技术的应用ARM嵌入式技术的特点嵌入式技术的特点v 嵌入式技术是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与嵌入式技术是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合的产物。各个行业的具体应用相结合的产物。v 相对于相对于ARM7，ARM Cortex-m3内核更具有优势。见下表内核更具有优势。见下表：(1).通过学习温度、流量、浓度、压力等有关的传感器通过学习温度、流量、浓度、压力等有关的传感器知识，结合嵌入式技术，改变传统的单一检测方法，

5、设知识，结合嵌入式技术，改变传统的单一检测方法，设计一种效率高、速度快、传输距离远的气体多参数检测计一种效率高、速度快、传输距离远的气体多参数检测系统并且能够实时、准确测出矿井下管道气体的流量、系统并且能够实时、准确测出矿井下管道气体的流量、浓度、流量、压力等参数。浓度、流量、压力等参数。(2).通过相应的参数设置，以及一系列电路设计，可输通过相应的参数设置，以及一系列电路设计，可输出断电控制信号给断电器，达到断电控制矿下其他机电出断电控制信号给断电器，达到断电控制矿下其他机电设备的功能，还可以控制电磁阀来控制管道阀门的角度设备的功能，还可以控制电磁阀来控制管道阀门的角度来实现管道瓦斯气体的抽

6、放。来实现管道瓦斯气体的抽放。(3).将检测数据经传输接口通过以太网传输给陆地中心将检测数据经传输接口通过以太网传输给陆地中心站（上位机），利用网络释放系统的潜力，改变了检测站（上位机），利用网络释放系统的潜力，改变了检测技术的以往面貌，使能够有效的远程接收数据。技术的以往面貌，使能够有效的远程接收数据。研究目的研究目的2二、工程应用价值二、工程应用价值v 多种传感探头一并嵌入在管道里，使它既可以用于煤矿瓦斯抽放多种传感探头一并嵌入在管道里，使它既可以用于煤矿瓦斯抽放管道混合气体参数的检测，也可以用于天然气、空气等管道气体管道混合气体参数的检测，也可以用于天然气、空气等管道气体参数的检测，有很

7、开阔的发展空间。参数的检测，有很开阔的发展空间。v 采用基于嵌入式采用基于嵌入式ARM CORTEX-M3内核的内核的32位微处理器，其位微处理器，其接口功能齐全，预留一些其它接口方便以后检测仪表的二次开发接口功能齐全，预留一些其它接口方便以后检测仪表的二次开发利用。最关键的还是其功耗和成本低廉，更利于被市场接受。利用。最关键的还是其功耗和成本低廉，更利于被市场接受。v 由于加入了以太网，陆地中心站利用网络可以检测不同矿井的数由于加入了以太网，陆地中心站利用网络可以检测不同矿井的数据，让检测范围大大增加，相对与传统的串口传输，传输的距离据，让检测范围大大增加，相对与传统的串口传输，传输的距离也

8、增加很多。也增加很多。v 虽然无线技术使用广泛，但在矿下复杂，恶劣的环境下，无线信虽然无线技术使用广泛，但在矿下复杂，恶劣的环境下，无线信号很难将数据信号准确无误的传送，有线传输还是目前最可靠的号很难将数据信号准确无误的传送，有线传输还是目前最可靠的传输方式传输方式。三、国内外研究现状以及发展情况三、国内外研究现状以及发展情况国内外研究现状国内外研究现状1国内国内国外国外仍旧采用传统的传感元件仍旧采用传统的传感元件功能单一，体积庞大功能单一，体积庞大传输距离短传输距离短精度很低，稳定性差精度很低，稳定性差不具备自动化处理能力不具备自动化处理能力体积小体积小重量轻重量轻操作简便操作简便符合人体工

9、程学设计符合人体工程学设计自动化程度高自动化程度高 随着半导体工艺以及嵌入式技术的发展，随着半导体工艺以及嵌入式技术的发展，多参数气体检测装置的发展方向主要有：多参数气体检测装置的发展方向主要有：(1)微小型化；(2)集成化；(3)智能化；(4)多功能化；(5)通用化；(6)网络和嵌人式互联网化。国内外发展情况国内外发展情况2四、研究内容和研究基础四、研究内容和研究基础v 系统总体架构如图系统总体架构如图1所示所示研究内容1气体流量传感器气体流量传感器 气体压力传感器气体压力传感器气体浓度传感器气体浓度传感器 气体温度传感器气体温度传感器传感器原理及其选型要求 本次设计采用本次设计采用NXP公

10、司的公司的LPC1768芯片，它采用芯片，它采用目前比较流行的目前比较流行的ARM Cortex-m3内核，作为底内核，作为底层嵌入式开发，学习其芯片架构以及如何应用。层嵌入式开发，学习其芯片架构以及如何应用。以太网以及以太网以及TCP/IP协议协议传输接口部分与中心站是通过以太网传输接口部分与中心站是通过以太网RJ45接口进接口进行数据传输的，涉及行数据传输的，涉及TCP/IP协议。本次设计主要协议。本次设计主要研究其传输层研究其传输层:TCP（传输控制协议）（传输控制协议）UDP（用户（用户数据包协议）。数据包协议）。ARM嵌入式技术嵌入式技术v 了解传感器相关原理，方便进行传感头的选型；

11、了解传感器相关原理，方便进行传感头的选型；v 熟悉基于熟悉基于cortex-m3内核的内核的LPC1768芯片功能的使用；芯片功能的使用；v 电路设计：包括前置放大、通道切换、线性隔离放大器等信号处理电路；显示电路设计：包括前置放大、通道切换、线性隔离放大器等信号处理电路；显示、红外遥控电路；、红外遥控电路；485通讯电路；频率、电流、电压信号输出电路以及数据存通讯电路；频率、电流、电压信号输出电路以及数据存储电路等。储电路等。v 红外遥控知识的积累；红外遥控知识的积累；v 了解了解232、485串口通信原理，掌握串口通信的方式与方法；串口通信原理，掌握串口通信的方式与方法； v 掌握以太网掌

12、握以太网TCP/IP通信传输层协议，实现网络通讯。通信传输层协议，实现网络通讯。 v 掌握对掌握对PCB制图（印制电路板），通过制图（印制电路板），通过Altium Designer软件能绘制样板软件能绘制样板图图研究基础2五、关键技术和工作规划五、关键技术和工作规划v 传感头、主机作为嵌入单元，嵌入在管道上作为一个整体，改变传感头、主机作为嵌入单元，嵌入在管道上作为一个整体，改变传统挂载在管道的钢架上。传统挂载在管道的钢架上。v 利用利用LPC1768单片机的单片机的RS232、RS485串口，经串口转网口串口，经串口转网口模块，将串口数据转换为网络数据，采用模块，将串口数据转换为网络数据，

13、采用TCP/IP协议，通过传协议，通过传输接口与中心站的上位机通讯，传输更加可靠。输接口与中心站的上位机通讯，传输更加可靠。v 预留电磁碟阀控制接口，此接口提供预留电磁碟阀控制接口，此接口提供420mA控制信号（或触控制信号（或触点信号），此预留接口为适应今后抽放综合控制发展方向；点信号），此预留接口为适应今后抽放综合控制发展方向；v 遥控功能，设计主机红外接收电路，可直接与遥控器进行控制；遥控功能，设计主机红外接收电路，可直接与遥控器进行控制；v 采用采用2路路18V供电，这样可以不需要专门使用电源箱，可直接从供电，这样可以不需要专门使用电源箱，可直接从检测分站取电，并提供与其它设备配接的可能性。检测分站取电，并提供与其它设备配接的可能性。关键技术1序号阶 段 及 内 容起止时间阶段成果型式1 确定课题，查阅文献，收集相关资料，信息收集、知识储备。理清思路、确定结构框架 20 xx.120 xx.2文献综述2 传感头选型，电路设计、代码设计、结构设计 20 xx.220 xx.4