張秀峰，王海濱

安徽理工大學電氣與信息工程學院，安徽淮南 232001

0 引言

煤炭安全是煤炭生產(chǎn)的生命線，不僅影響著國家經(jīng)濟，更關(guān)乎礦井人員的生命。但是近幾年煤炭安全形勢嚴峻，重大事故時有發(fā)生。其中瓦斯是引發(fā)煤礦安全事故的重要因素，而且由其引發(fā)的安全事故造成的對人員傷害最大，所以瓦斯治理成為煤礦安全的重要環(huán)節(jié)。一氧化碳（CO）在瓦斯中所占的比重較大，所以一氧化碳的濃度的檢測對礦井安全至關(guān)重要。

一氧化碳傳感器根據(jù)檢測原理不同，可分為很多種，考慮到煤礦生產(chǎn)條件惡劣，對傳感器系統(tǒng)要求壽命長、操作簡單、維護方便、可靠性高。本文使用電化學ME4- CO 傳感器，相比其他傳感器功耗小、靈敏的高、設計簡單，能夠適應各種惡劣環(huán)境，所以在礦上應用較為廣泛。

1 檢測系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)硬件由Philips 公司的 LPC2124 芯片、一氧化碳氣體傳感器、信號放大電路、液晶顯示、報警電路、通信轉(zhuǎn)換接口等單元組成。

由于CO 傳感器產(chǎn)生的電流信號比較微弱，所以要經(jīng)過放大電路處理，然后轉(zhuǎn)換到處理器工作電壓范圍之內(nèi)。處理器通過A/D 口對CO 傳感器的信號采樣，并且需要做濾波處理得到一氧化碳的濃度值。然后同設定值相比較，決定是否啟動聲光報警電路。最后將結(jié)果通過通信接口上傳到監(jiān)測室。

2 檢測系統(tǒng)主要模塊設計

1）ARM7 微處理器

在本課題中硬件采用ARM7 型號是 Philips 公司的LPC2124 芯片體特性：

小型LQFP64 封裝16/32 位ARM7TDMI-S 微控制器。

8/16/32kB 片內(nèi)靜態(tài)RAM。

10 位A/D 轉(zhuǎn)換器最小轉(zhuǎn)換時間2.44us，通過配置最多提供8 個模擬輸入通道。

4 路10 位D/A 轉(zhuǎn)換器，可提供不同的模擬輸出。

2 個UART 接口 、2 個高速I2C 接口、1 個16 位SPI 和SSP 接口。

多達47 個5V 的通用I/O 口（LQFP64 封裝）。

通過片內(nèi)PLL 可實現(xiàn)最大為60MHz 的CPU 操作頻率，PLL的穩(wěn)定時間為100us。

CPU 額定工作電壓時3.3 V，允許有10%的浮動。I/O 最高工作電壓5V。

2）一氧化碳傳感器ME4-CO

電化學傳感器利用被檢測氣體在其敏感電極進行氧化還原反應，在工作極輸出與氣體濃度成正比的電流，通過對電流的放大與轉(zhuǎn)換，從而達到檢測濃度的目的。本文文采用電化學一氧化碳傳感器ME4-CO，其具體參數(shù)如下：

量 程 0-1000ppm

靈敏度 (μA/ppm) 0.06±0.02

再現(xiàn)性 輸出信號±2%

響應時間(t 90) s ≤30

信號衰減 ≤2%

零點漂移（ppm） -5 ～10

溫度范圍（℃） -20 ～+50

溫度漂移（ppm） ≤10

最大檢測濃度（ppm） 2000

3）信號采集電路設計

電化學傳感器輸出的電流信號十分微弱，而且容易受到外界環(huán)境因素的影響。所以要經(jīng)過信號放大電路將微弱的電流信號放大并轉(zhuǎn)換到處理器工作電壓范圍之內(nèi)，具體的信號采集電路如圖1：

圖1 CO 濃度測量電路

上圖的電路主要包括ME4-CO 傳感器，保證其工作的恒電位電路和I/V 變換電路。考慮到傳感器輸出信號很微弱，采用高增益低噪聲的AD8572 運算放大器。其中R1、R2、C1、C2 構(gòu)成恒電位電路。Q1 和R4 構(gòu)成傳感器的保護電路，防止傳感元件遭受上電沖擊以及縮短啟動時間。傳感元件的工作極經(jīng)過電阻R6 到運算放大器的輸入端從而將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。

4）聲光報警電路。

由于報警時功耗比較大，本文采用分時供電的方法。利用IO 口驅(qū)動三極管來控制發(fā)光二極管和蜂鳴器工作。當正常工作時顯示綠色，C0 濃度超標時，接通蜂鳴器，紅色二極管發(fā)亮同時，當傳感器故障時，則顯示黃色。

5）通信模塊

本設計采用康耐德C2000 RS232 轉(zhuǎn)以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器。C2000 N1SS 是具有高性價比且穩(wěn)定可靠的串口設備聯(lián)網(wǎng)服務器，它提供RS232 到TCP/IP 網(wǎng)絡和TCP/IP 網(wǎng)絡到RS232 的數(shù)據(jù)透明傳輸，它可以使具有RS232 串口的設備立即具備聯(lián)入TCP/IP網(wǎng)絡的功能，通過局域網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳到上位機，在監(jiān)控室可實時監(jiān)測CO 濃度的變化，同時將數(shù)據(jù)記錄存檔。

3 結(jié)論

基于ARM7 的LPC2124 礦用CO 傳感器具有實時自數(shù)字濾波、準確度調(diào)校、實時顯示等功能。該系統(tǒng)能適應礦下工作條件，實時監(jiān)測CO 氣體濃度的變化。同時具有能將數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控室進行數(shù)據(jù)的記錄分析。還可根據(jù)需求靈活配置，方便以后功能擴展。

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