張全柱，葛艷香，鄧永紅，張文山，錢會(huì)發(fā)

(華北科技學(xué)院 信息與控制技術(shù)研究所，北京 東燕郊 065201)

基于ARM的煤礦多功能傳感器的設(shè)計(jì)

張全柱，葛艷香，鄧永紅，張文山，錢會(huì)發(fā)

(華北科技學(xué)院 信息與控制技術(shù)研究所，北京 東燕郊 065201)

為了使傳感器滿足不同場(chǎng)合的需求和減少成本，設(shè)計(jì)了一種將多個(gè)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(chǔ)、顯示、語(yǔ)音、數(shù)據(jù)查詢、拍照、報(bào)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(cè)系統(tǒng)多由分離元件構(gòu)成，傳感器檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后直接由模塊表現(xiàn)出來(lái)，功能單一，各個(gè)模塊獨(dú)立，而且到具體測(cè)量點(diǎn)時(shí)，通道數(shù)量和類型會(huì)出現(xiàn)大于或小于監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量的情況，造成資源的浪費(fèi)或不能滿足應(yīng)用場(chǎng)合的需求[1]。為了使傳感器去適應(yīng)不同場(chǎng)合的需要和減少成本，需要設(shè)計(jì)一種多功能的傳感器。利用ARM微處理器可實(shí)現(xiàn)軟件的溫度補(bǔ)償、數(shù)模轉(zhuǎn)換通道的選擇和向上位機(jī)傳遞數(shù)據(jù)等傳統(tǒng)傳感器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能，還具有存儲(chǔ)、顯示、打印、語(yǔ)音、數(shù)據(jù)查詢、拍照、報(bào)警等新的功能。這對(duì)促進(jìn)煤礦安全監(jiān)測(cè)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(shè)計(jì)

系統(tǒng)的整體硬件結(jié)構(gòu)包括模擬量傳感器接口、數(shù)字量傳感器接口、信號(hào)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(gòu)圖如圖1所示。

開(kāi)關(guān)量和數(shù)字量的傳感器可以直接或通過(guò)隔離模塊與ARM相連接。模擬量傳感器輸出的模擬量通過(guò)編程放大電路，再經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器的處理，最后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再傳送到ARM處理器中。微處理器通過(guò)邏輯控制多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，通過(guò)選擇每個(gè)通道對(duì)應(yīng)的傳感器，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)采集不同傳感器的信號(hào)。采集到的傳感器信號(hào)通過(guò)RS485接口傳送到上位機(jī)系統(tǒng)。按鍵和LCD驅(qū)動(dòng)電路用來(lái)實(shí)現(xiàn)采集系統(tǒng)的手動(dòng)操作、數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)顯示。

在硬件設(shè)計(jì)中，選擇了基于三星供供公司最新的ARM11處理器S3C6410的OK6410評(píng)估板，OK6410評(píng)估板上集成了很多高端的接口，比如攝像頭、SD卡、液晶屏、無(wú)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(hào)外，還增加了I2C信號(hào)，用來(lái)配置攝像頭的相關(guān)參數(shù)。采用了DS18B20的高精度溫度傳感器，且可連接無(wú)線傳輸模塊，來(lái)實(shí)現(xiàn)上網(wǎng)的功能，也可以用來(lái)擴(kuò)展SD卡座。評(píng)估板配置的TV輸出接口采用2引腳標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，可支持10英寸的TFT液晶屏，音頻的輸出和麥克風(fēng)的輸入功能是通過(guò)使用AC97 I2S總線，外接WM9714音頻芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)的[2-4]。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

礦用多功能智能傳感器采用模塊化和結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)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(gè)功能模塊的功能[5]。根據(jù)多功能智能傳感器檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì),軟件部分的設(shè)計(jì)分為下位機(jī)軟件和上位機(jī)軟件部分的設(shè)計(jì)，下位機(jī)軟件程序主要完成寄存器的初始化，還包括對(duì)鍵盤(pán)、LCD程序、模數(shù)轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)、差分信號(hào)的可編程放大功能，在數(shù)模轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，還要對(duì)數(shù)據(jù)做平均值濾波和閥值濾波的操作[6-7]。在上位機(jī)數(shù)據(jù)處理中，程序用LabVIEW編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，利用LABSQL與ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)的接口，每個(gè)子程序模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感數(shù)據(jù)接收、存儲(chǔ)、訪問(wèn)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(cè)試結(jié)果分析

在這里選擇粉塵和CO2的測(cè)量進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行的演示，對(duì)傳感器所測(cè)得的粉塵濃度進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，如表1所示；將測(cè)得的數(shù)據(jù)再進(jìn)行線性擬合，如圖3所示，算出濃度理論值和粉塵濃度測(cè)量值之間的線性相關(guān)系數(shù)，粉塵濃度的理論值是通過(guò)標(biāo)定的粉塵濃度傳感器來(lái)確定的，看測(cè)得的濃度值和電壓是否存在一定的線性的關(guān)系。計(jì)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(shè)置。當(dāng)濃度超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)，蜂鳴器報(bào)警。

表1 粉塵濃度檢測(cè)測(cè)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(cè)試濃度偏差控制在±5 mg/m3之內(nèi)，這樣的誤差范圍達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

把上述表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合得圖3，其中濃度理論值和粉塵濃度測(cè)量值之間的線性相關(guān)系數(shù)為 0.999 ，線性度e為-0.6% ～1.4%。由此可見(jiàn)，該系統(tǒng)的濃度測(cè)量值和電壓是存在一定的線性的關(guān)系，說(shuō)明該傳感器設(shè)計(jì)合理，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

從C02濃度標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定中設(shè)置0到1500 ppm內(nèi)的7個(gè)典型的濃度值,各自用了標(biāo)準(zhǔn)的空氣質(zhì)量檢測(cè)儀器和設(shè)計(jì)的智能傳感器進(jìn)行C02濃度的檢測(cè),釆樣的測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 CO2濃度檢測(cè)測(cè)試數(shù)據(jù)

如圖4所示,C02測(cè)量的數(shù)據(jù)值和標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)值曲線大致是重合的,對(duì)不同檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分析,設(shè)計(jì)的多功能智能傳感器測(cè)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(wú)疑是當(dāng)前傳感器技術(shù)發(fā)展中一個(gè)全新的研究方向，目前有許多學(xué)者正在積極從事于該領(lǐng)域的研究工作[9]。而設(shè)計(jì)的多功能智能傳感器它是基于ARM系統(tǒng)的，可以即時(shí)檢測(cè)粉塵和瓦斯的濃度，溫度和濕度，把傳統(tǒng)的單一的檢測(cè)功能轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)多個(gè)物理量的測(cè)量，并且具有存儲(chǔ)、顯示、打印、語(yǔ)音、數(shù)據(jù)查詢、拍照、報(bào)警等新的功能，滿足現(xiàn)在礦井對(duì)儀器的智能化要求，對(duì)礦井的安全檢測(cè)具有非常大的意義。

圖3 粉塵濃度標(biāo)準(zhǔn)值與測(cè)量值的對(duì)比曲線圖

圖4 CO2濃度標(biāo)準(zhǔn)值與測(cè)量值的對(duì)比曲線圖

[1] 陳杰.煤礦防爆電氣設(shè)備存在的重點(diǎn)問(wèn)題及對(duì)策[J].煤炭科學(xué)技術(shù).2010，38(3):83-86.

[2] 鄧毅.面向礦山物聯(lián)網(wǎng)的多功能智能頭盔軟件關(guān)鍵技術(shù)研究[D].浙江大學(xué)，2014：46-50.

[3] 朱麗飛.粉塵濃度與溫濕度嵌入式檢測(cè)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D].武漢理工大學(xué)，2012：22-27.

[4] 汪麗.基于物聯(lián)網(wǎng)和GPRS的智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)[D].杭州電子科技大學(xué)，2013：26-29 .

[5] 甘永梅.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2005(2):45-47.

[6] 張衛(wèi)國(guó).新型礦用隔爆雙回路真空磁力起動(dòng)器的應(yīng)用[J].煤礦機(jī)電.2005(6)：39-41.

[7] 趙樂(lè)平.紅外吸收粉塵傳感器的設(shè)計(jì)[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2012：47-52.

[8] 張武東，等.淺析薄煤層采煤狀況及發(fā)展方向[J].礦山機(jī)械.2011,39(2)：23-26.

[9] 國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局事故調(diào)查司.煤礦粉塵監(jiān)測(cè)必讀[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2006.

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?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助(3142017044)

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