基于嵌入式技術(shù)的礦下管道氣體多參數(shù)檢測系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

1、基于嵌入式技術(shù)的礦下管道氣體多參數(shù)基于嵌入式技術(shù)的礦下管道氣體多參數(shù)檢測系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)檢測系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)學學 生：生：XX專專 業(yè)：檢測儀器與技術(shù)業(yè)：檢測儀器與技術(shù)研究方向：煤礦安全檢測研究方向：煤礦安全檢測 導(dǎo)導(dǎo) 師：師：XXX 教授教授20XX年X月X日主要內(nèi)容主要內(nèi)容研究內(nèi)容和研究基礎(chǔ)研究內(nèi)容和研究基礎(chǔ)課題背景以及研究目的課題背景以及研究目的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及發(fā)展情況國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及發(fā)展情況關(guān)鍵技術(shù)和工作規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)和工作規(guī)劃5134工程應(yīng)用價值工程應(yīng)用價值2一、課題背景以及研究目的一、課題背景以及研究目的v 我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消費國我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消費國，在

2、煤礦或井下作業(yè)環(huán)境中，瓦斯、一氧在煤礦或井下作業(yè)環(huán)境中，瓦斯、一氧化碳、氧氣濃度以及環(huán)境溫度的高低直接化碳、氧氣濃度以及環(huán)境溫度的高低直接影響了煤礦的安全生產(chǎn)和礦工的生命安全影響了煤礦的安全生產(chǎn)和礦工的生命安全。而且無論是瓦斯爆炸產(chǎn)生的原因還是瓦。而且無論是瓦斯爆炸產(chǎn)生的原因還是瓦斯爆炸過后的產(chǎn)物都和氣體參數(shù)有關(guān)，氣斯爆炸過后的產(chǎn)物都和氣體參數(shù)有關(guān)，氣體多參數(shù)檢測變得越來越重要。體多參數(shù)檢測變得越來越重要。課題背景課題背景1v在工業(yè)生產(chǎn)過程中，不可避免地要碰到各種各樣在工業(yè)生產(chǎn)過程中，不可避免地要碰到各種各樣的流動介質(zhì)，如氣體或液體的計量問題，流量、的流動介質(zhì)，如氣體或液體的計量問題，流量、壓

3、力的精確測量問題等。作為生產(chǎn)過程運行狀態(tài)壓力的精確測量問題等。作為生產(chǎn)過程運行狀態(tài)監(jiān)測的一個重要內(nèi)容，流量以及壓力檢測技術(shù)也監(jiān)測的一個重要內(nèi)容，流量以及壓力檢測技術(shù)也應(yīng)運而生。應(yīng)運而生。 v自自80年代中期以來，由于電子技術(shù)及微處理技年代中期以來，由于電子技術(shù)及微處理技術(shù)進步，嵌入式技術(shù)的引入給氣體參數(shù)檢測行業(yè)術(shù)進步，嵌入式技術(shù)的引入給氣體參數(shù)檢測行業(yè)帶來了新鮮血液，其系統(tǒng)集成化、自動化程度高帶來了新鮮血液，其系統(tǒng)集成化、自動化程度高，具有專用性強、功能齊全、操作簡單，分析精，具有專用性強、功能齊全、操作簡單，分析精度高，分析周期短等優(yōu)點，在煤礦氣體參數(shù)分析度高，分析周期短等優(yōu)點，在煤礦氣體參

4、數(shù)分析、礦井火災(zāi)監(jiān)測分析、安全檢查工作中的重要性、礦井火災(zāi)監(jiān)測分析、安全檢查工作中的重要性越來越明顯。越來越明顯。嵌入式技術(shù)的應(yīng)用嵌入式技術(shù)的應(yīng)用ARM嵌入式技術(shù)的特點嵌入式技術(shù)的特點v 嵌入式技術(shù)是將先進的計算機技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)與嵌入式技術(shù)是將先進的計算機技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)與各個行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合的產(chǎn)物。各個行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合的產(chǎn)物。v 相對于相對于ARM7，ARM Cortex-m3內(nèi)核更具有優(yōu)勢。見下表內(nèi)核更具有優(yōu)勢。見下表：(1).通過學習溫度、流量、濃度、壓力等有關(guān)的傳感器通過學習溫度、流量、濃度、壓力等有關(guān)的傳感器知識，結(jié)合嵌入式技術(shù)，改變傳統(tǒng)的單一檢測方法，

5、設(shè)知識，結(jié)合嵌入式技術(shù)，改變傳統(tǒng)的單一檢測方法，設(shè)計一種效率高、速度快、傳輸距離遠的氣體多參數(shù)檢測計一種效率高、速度快、傳輸距離遠的氣體多參數(shù)檢測系統(tǒng)并且能夠?qū)崟r、準確測出礦井下管道氣體的流量、系統(tǒng)并且能夠?qū)崟r、準確測出礦井下管道氣體的流量、濃度、流量、壓力等參數(shù)。濃度、流量、壓力等參數(shù)。(2).通過相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，以及一系列電路設(shè)計，可輸通過相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，以及一系列電路設(shè)計，可輸出斷電控制信號給斷電器，達到斷電控制礦下其他機電出斷電控制信號給斷電器，達到斷電控制礦下其他機電設(shè)備的功能，還可以控制電磁閥來控制管道閥門的角度設(shè)備的功能，還可以控制電磁閥來控制管道閥門的角度來實現(xiàn)管道瓦斯氣體的抽

6、放。來實現(xiàn)管道瓦斯氣體的抽放。(3).將檢測數(shù)據(jù)經(jīng)傳輸接口通過以太網(wǎng)傳輸給陸地中心將檢測數(shù)據(jù)經(jīng)傳輸接口通過以太網(wǎng)傳輸給陸地中心站（上位機），利用網(wǎng)絡(luò)釋放系統(tǒng)的潛力，改變了檢測站（上位機），利用網(wǎng)絡(luò)釋放系統(tǒng)的潛力，改變了檢測技術(shù)的以往面貌，使能夠有效的遠程接收數(shù)據(jù)。技術(shù)的以往面貌，使能夠有效的遠程接收數(shù)據(jù)。研究目的研究目的2二、工程應(yīng)用價值二、工程應(yīng)用價值v 多種傳感探頭一并嵌入在管道里，使它既可以用于煤礦瓦斯抽放多種傳感探頭一并嵌入在管道里，使它既可以用于煤礦瓦斯抽放管道混合氣體參數(shù)的檢測，也可以用于天然氣、空氣等管道氣體管道混合氣體參數(shù)的檢測，也可以用于天然氣、空氣等管道氣體參數(shù)的檢測，有很

7、開闊的發(fā)展空間。參數(shù)的檢測，有很開闊的發(fā)展空間。v 采用基于嵌入式采用基于嵌入式ARM CORTEX-M3內(nèi)核的內(nèi)核的32位微處理器，其位微處理器，其接口功能齊全，預(yù)留一些其它接口方便以后檢測儀表的二次開發(fā)接口功能齊全，預(yù)留一些其它接口方便以后檢測儀表的二次開發(fā)利用。最關(guān)鍵的還是其功耗和成本低廉，更利于被市場接受。利用。最關(guān)鍵的還是其功耗和成本低廉，更利于被市場接受。v 由于加入了以太網(wǎng)，陸地中心站利用網(wǎng)絡(luò)可以檢測不同礦井的數(shù)由于加入了以太網(wǎng)，陸地中心站利用網(wǎng)絡(luò)可以檢測不同礦井的數(shù)據(jù)，讓檢測范圍大大增加，相對與傳統(tǒng)的串口傳輸，傳輸?shù)木嚯x據(jù)，讓檢測范圍大大增加，相對與傳統(tǒng)的串口傳輸，傳輸?shù)木嚯x也

8、增加很多。也增加很多。v 雖然無線技術(shù)使用廣泛，但在礦下復(fù)雜，惡劣的環(huán)境下，無線信雖然無線技術(shù)使用廣泛，但在礦下復(fù)雜，惡劣的環(huán)境下，無線信號很難將數(shù)據(jù)信號準確無誤的傳送，有線傳輸還是目前最可靠的號很難將數(shù)據(jù)信號準確無誤的傳送，有線傳輸還是目前最可靠的傳輸方式傳輸方式。三、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及發(fā)展情況三、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及發(fā)展情況國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1國內(nèi)國內(nèi)國外國外仍舊采用傳統(tǒng)的傳感元件仍舊采用傳統(tǒng)的傳感元件功能單一，體積龐大功能單一，體積龐大傳輸距離短傳輸距離短精度很低，穩(wěn)定性差精度很低，穩(wěn)定性差不具備自動化處理能力不具備自動化處理能力體積小體積小重量輕重量輕操作簡便操作簡便符合人體工

9、程學設(shè)計符合人體工程學設(shè)計自動化程度高自動化程度高 隨著半導(dǎo)體工藝以及嵌入式技術(shù)的發(fā)展，隨著半導(dǎo)體工藝以及嵌入式技術(shù)的發(fā)展，多參數(shù)氣體檢測裝置的發(fā)展方向主要有：多參數(shù)氣體檢測裝置的發(fā)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)網(wǎng)絡(luò)和嵌人式互聯(lián)網(wǎng)化。國內(nèi)外發(fā)展情況國內(nèi)外發(fā)展情況2四、研究內(nèi)容和研究基礎(chǔ)四、研究內(nèi)容和研究基礎(chǔ)v 系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示所示研究內(nèi)容1氣體流量傳感器氣體流量傳感器 氣體壓力傳感器氣體壓力傳感器氣體濃度傳感器氣體濃度傳感器 氣體溫度傳感器氣體溫度傳感器傳感器原理及其選型要求 本次設(shè)計采用本次設(shè)計采用NXP公

10、司的公司的LPC1768芯片，它采用芯片，它采用目前比較流行的目前比較流行的ARM Cortex-m3內(nèi)核，作為底內(nèi)核，作為底層嵌入式開發(fā)，學習其芯片架構(gòu)以及如何應(yīng)用。層嵌入式開發(fā)，學習其芯片架構(gòu)以及如何應(yīng)用。以太網(wǎng)以及以太網(wǎng)以及TCP/IP協(xié)議協(xié)議傳輸接口部分與中心站是通過以太網(wǎng)傳輸接口部分與中心站是通過以太網(wǎng)RJ45接口進接口進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，涉及行?shù)據(jù)傳輸?shù)?，涉及TCP/IP協(xié)議。本次設(shè)計主要協(xié)議。本次設(shè)計主要研究其傳輸層研究其傳輸層:TCP（傳輸控制協(xié)議）（傳輸控制協(xié)議）UDP（用戶（用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議）。數(shù)據(jù)包協(xié)議）。ARM嵌入式技術(shù)嵌入式技術(shù)v 了解傳感器相關(guān)原理，方便進行傳感頭的選型；

11、了解傳感器相關(guān)原理，方便進行傳感頭的選型；v 熟悉基于熟悉基于cortex-m3內(nèi)核的內(nèi)核的LPC1768芯片功能的使用；芯片功能的使用；v 電路設(shè)計：包括前置放大、通道切換、線性隔離放大器等信號處理電路；顯示電路設(shè)計：包括前置放大、通道切換、線性隔離放大器等信號處理電路；顯示、紅外遙控電路；、紅外遙控電路；485通訊電路；頻率、電流、電壓信號輸出電路以及數(shù)據(jù)存通訊電路；頻率、電流、電壓信號輸出電路以及數(shù)據(jù)存儲電路等。儲電路等。v 紅外遙控知識的積累；紅外遙控知識的積累；v 了解了解232、485串口通信原理，掌握串口通信的方式與方法；串口通信原理，掌握串口通信的方式與方法； v 掌握以太網(wǎng)掌

12、握以太網(wǎng)TCP/IP通信傳輸層協(xié)議，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊。通信傳輸層協(xié)議，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊。 v 掌握對掌握對PCB制圖（印制電路板），通過制圖（印制電路板），通過Altium Designer軟件能繪制樣板軟件能繪制樣板圖圖研究基礎(chǔ)2五、關(guān)鍵技術(shù)和工作規(guī)劃五、關(guān)鍵技術(shù)和工作規(guī)劃v 傳感頭、主機作為嵌入單元，嵌入在管道上作為一個整體，改變傳感頭、主機作為嵌入單元，嵌入在管道上作為一個整體，改變傳統(tǒng)掛載在管道的鋼架上。傳統(tǒng)掛載在管道的鋼架上。v 利用利用LPC1768單片機的單片機的RS232、RS485串口，經(jīng)串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口串口，經(jīng)串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口模塊，將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，采用模塊，將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，

13、采用TCP/IP協(xié)議，通過傳協(xié)議，通過傳輸接口與中心站的上位機通訊，傳輸更加可靠。輸接口與中心站的上位機通訊，傳輸更加可靠。v 預(yù)留電磁碟閥控制接口，此接口提供預(yù)留電磁碟閥控制接口，此接口提供420mA控制信號（或觸控制信號（或觸點信號），此預(yù)留接口為適應(yīng)今后抽放綜合控制發(fā)展方向；點信號），此預(yù)留接口為適應(yīng)今后抽放綜合控制發(fā)展方向；v 遙控功能，設(shè)計主機紅外接收電路，可直接與遙控器進行控制；遙控功能，設(shè)計主機紅外接收電路，可直接與遙控器進行控制；v 采用采用2路路18V供電，這樣可以不需要專門使用電源箱，可直接從供電，這樣可以不需要專門使用電源箱，可直接從檢測分站取電，并提供與其它設(shè)備配接的可能性。檢測分站取電，并提供與其它設(shè)備配接的可能性。關(guān)鍵技術(shù)1序號階 段 及 內(nèi) 容起止時間階段成果型式1 確定課題，查閱文獻，收集相關(guān)資料，信息收集、知識儲備。理清思路、確定結(jié)構(gòu)框架 20 xx.120 xx.2文獻綜述2 傳感頭選型，電路設(shè)計、代碼設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計 20 xx.220 xx.4