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.

Key words：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轉換器的處理，最后轉換為數(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)轉換器驅(qū)動、差分信號的可編程放大功能，在數(shù)模轉換的過程中，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。

3 測試結果分析

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。

圖2 礦用多功能智能傳感器的軟件流程圖

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－30ppm到+30ppm之內(nèi)。

4 結論

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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Design of multi-function Sensor for Coal Mine Based on ARM

ZHANG Quan－zhu，GE Yang－xiang，DENG Yong－h(huán)ong，ZHANG Wen－shan，QIAN Hui－fa
(Information and Control Technology Research Institute North China Institute of Science and Technology，Yanjiao，065201，China)

TP274

A

1672－7169(2017)03－0071－04

2017－02－19

中央高?；究蒲袠I(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