基于嵌入式技術(shù)的礦下管道氣體多參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)的研究與實(shí)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(cè)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)學(xué)學(xué) 生：生：XX專專 業(yè)：檢測(cè)儀器與技術(shù)業(yè)：檢測(cè)儀器與技術(shù)研究方向：煤礦安全檢測(cè)研究方向：煤礦安全檢測(cè) 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?jī)?nèi)容和研究基礎(chǔ)研究?jī)?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(jià)值工程應(yīng)用價(jià)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(fèi)國我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)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(cè)變得越來越重要。體多參數(shù)檢測(cè)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(dòng)介質(zhì)，如氣體或液體的計(jì)量問題，流量、的流動(dòng)介質(zhì)，如氣體或液體的計(jì)量問題，流量、壓

3、力的精確測(cè)量問題等。作為生產(chǎn)過程運(yùn)行狀態(tài)壓力的精確測(cè)量問題等。作為生產(chǎn)過程運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的一個(gè)重要內(nèi)容，流量以及壓力檢測(cè)技術(shù)也監(jiān)測(cè)的一個(gè)重要內(nèi)容，流量以及壓力檢測(cè)技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生。應(yīng)運(yùn)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(jìn)步，嵌入式技術(shù)的引入給氣體參數(shù)檢測(cè)行業(yè)術(shù)進(jìn)步，嵌入式技術(shù)的引入給氣體參數(shù)檢測(cè)行業(yè)帶來了新鮮血液，其系統(tǒng)集成化、自動(dòng)化程度高帶來了新鮮血液，其系統(tǒng)集成化、自動(dòng)化程度高，具有專用性強(qiáng)、功能齊全、操作簡(jiǎn)單，分析精，具有專用性強(qiáng)、功能齊全、操作簡(jiǎn)單，分析精度高，分析周期短等優(yōu)點(diǎn)，在煤礦氣體參數(shù)分析度高，分析周期短等優(yōu)點(diǎn)，在煤礦氣體參

4、數(shù)分析、礦井火災(zāi)監(jiān)測(cè)分析、安全檢查工作中的重要性、礦井火災(zāi)監(jiān)測(cè)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(diǎn)嵌入式技術(shù)的特點(diǎn)v 嵌入式技術(shù)是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)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(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)與各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合的產(chǎn)物。各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合的產(chǎn)物。v 相對(duì)于相對(duì)于ARM7，ARM Cortex-m3內(nèi)核更具有優(yōu)勢(shì)。見下表內(nèi)核更具有優(yōu)勢(shì)。見下表：(1).通過學(xué)習(xí)溫度、流量、濃度、壓力等有關(guān)的傳感器通過學(xué)習(xí)溫度、流量、濃度、壓力等有關(guān)的傳感器知識(shí)，結(jié)合嵌入式技術(shù)，改變傳統(tǒng)的單一檢測(cè)方法，

5、設(shè)知識(shí)，結(jié)合嵌入式技術(shù)，改變傳統(tǒng)的單一檢測(cè)方法，設(shè)計(jì)一種效率高、速度快、傳輸距離遠(yuǎn)的氣體多參數(shù)檢測(cè)計(jì)一種效率高、速度快、傳輸距離遠(yuǎn)的氣體多參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)并且能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確測(cè)出礦井下管道氣體的流量、系統(tǒng)并且能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確測(cè)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(jì)，可輸通過相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，以及一系列電路設(shè)計(jì)，可輸出斷電控制信號(hào)給斷電器，達(dá)到斷電控制礦下其他機(jī)電出斷電控制信號(hào)給斷電器，達(dá)到斷電控制礦下其他機(jī)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(shí)現(xiàn)管道瓦斯氣體的抽

6、放。來實(shí)現(xiàn)管道瓦斯氣體的抽放。(3).將檢測(cè)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(cè)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(jī)），利用網(wǎng)絡(luò)釋放系統(tǒng)的潛力，改變了檢測(cè)站（上位機(jī)），利用網(wǎng)絡(luò)釋放系統(tǒng)的潛力，改變了檢測(cè)技術(shù)的以往面貌，使能夠有效的遠(yuǎn)程接收數(shù)據(jù)。技術(shù)的以往面貌，使能夠有效的遠(yuǎn)程接收數(shù)據(jù)。研究目的研究目的2二、工程應(yīng)用價(jià)值二、工程應(yīng)用價(jià)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(cè)，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(cè)，也可以用于天然氣、空氣等管道氣體參數(shù)的檢測(cè)，有很

7、開闊的發(fā)展空間。參數(shù)的檢測(cè)，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(cè)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(cè)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(chǎng)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(chǎng)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(cè)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(cè)不同礦井的數(shù)據(jù)，讓檢測(cè)范圍大大增加，相對(duì)與傳統(tǒng)的串口傳輸，傳輸?shù)木嚯x據(jù)，讓檢測(cè)范圍大大增加，相對(duì)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(hào)很難將數(shù)據(jù)信號(hào)準(zhǔn)確無誤的傳送，有線傳輸還是目前最可靠的號(hào)很難將數(shù)據(jù)信號(hào)準(zhǔn)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(dòng)化處理能力不具備自動(dòng)化處理能力體積小體積小重量輕重量輕操作簡(jiǎn)便操作簡(jiǎn)便符合人體工

9、程學(xué)設(shè)計(jì)符合人體工程學(xué)設(shè)計(jì)自動(dòng)化程度高自動(dòng)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(cè)裝置的發(fā)展方向主要有：多參數(shù)氣體檢測(cè)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?jī)?nèi)容和研究基礎(chǔ)四、研究?jī)?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?jī)?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(jì)采用本次設(shè)計(jì)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(xué)習(xí)其芯片架構(gòu)以及如何應(yīng)用。層嵌入式開發(fā)，學(xué)習(xí)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(jìn)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，涉及行?shù)據(jù)傳輸?shù)模婕癟CP/IP協(xié)議。本次設(shè)計(jì)主要協(xié)議。本次設(shè)計(jì)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(jìn)行傳感頭的選型；

11、了解傳感器相關(guān)原理，方便進(jìn)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(jì)：包括前置放大、通道切換、線性隔離放大器等信號(hào)處理電路；顯示電路設(shè)計(jì)：包括前置放大、通道切換、線性隔離放大器等信號(hào)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(hào)輸出電路以及數(shù)據(jù)存通訊電路；頻率、電流、電壓信號(hào)輸出電路以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路等。儲(chǔ)電路等。v 紅外遙控知識(shí)的積累；紅外遙控知識(shí)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(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊。通信傳輸層協(xié)議，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊。 v 掌握對(duì)掌握對(duì)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(jī)作為嵌入單元，嵌入在管道上作為一個(gè)整體，改變傳感頭、主機(jī)作為嵌入單元，嵌入在管道上作為一個(gè)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(jī)的單片機(jī)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(jī)通訊，傳輸更加可靠。輸接口與中心站的上位機(jī)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(hào)（或觸控制信號(hào)（或觸點(diǎn)信號(hào)），此預(yù)留接口為適應(yīng)今后抽放綜合控制發(fā)展方向；點(diǎn)信號(hào)），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(jì)主機(jī)紅外接收電路，可直接與遙控器進(jìn)行控制；遙控功能，設(shè)計(jì)主機(jī)紅外接收電路，可直接與遙控器進(jìn)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(cè)分站取電，并提供與其它設(shè)備配接的可能性。檢測(cè)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(hào)階 段 及 內(nèi) 容起止時(shí)間階段成果型式1 確定課題，查閱文獻(xiàn)，收集相關(guān)資料，信息收集、知識(shí)儲(chǔ)備。理清思路、確定結(jié)構(gòu)框架 20 xx.120 xx.2文獻(xiàn)綜述2 傳感頭選型，電路設(shè)計(jì)、代碼設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 20 xx.220 xx.4