基于ARM 的甲烷检测系统
2015-01-02周俊冬吴佳丽周子钰
周俊冬 吴佳丽 杨 义 周子钰 闫 硕
煤矿安全生产至关重要，针对井下瓦斯爆炸事故频发的问题，设计了一款基于STM32F103VET6 处理器的甲烷检测系统，该系统包括ARM 处理器、甲烷气体传感器、模数转换器等，实现了对甲烷气体浓度的实时监测，超限报警功能。系统灵敏度高，成本低，为煤矿安全生产提供了可靠保障。
甲烷（CH4）是一无色无味气体，分布广泛，是天然气、沼气、油田气及煤矿坑道气的主要成分，属于属微毒类且易燃易爆，是重要的工业原料和日常生活的燃气。对哺乳动物引起DNA 损伤，对人淋巴姐妹染色体发生变化。皮肤接触液化的甲烷，可致冻伤。甲烷气体在地下很常见，是瓦斯的重要成分。瓦斯爆炸不仅会爆炸导致财务人员损失，而且爆炸之后会产生大量有毒气体，使人中毒死亡。由于当前的甲烷监测仍存在一系列问题，我们设计了这个基于ARM 处理器的甲烷检测系统，使其对甲烷的检测可靠性更高，精度也有了较大提高，功耗降低这种检测系统不仅能应用于矿山，还可广泛用于化工、电力等行业的危险气体监测。
基于ARM 的甲烷检测系统设计
图1 基于ARM 的甲烷检测系统框图
甲烷的检测系统设计包括系统的硬件设计，系统的软件设计。本系统通过甲烷传感器采集现场的甲烷数据信息，当甲烷气体经过传感器，产生电信号，该电信号再经过运算放大器电路的电压信号。ARM 处理器通过A／D 转换器采集该电压信号即可获取甲烷气体的浓度值，再利用显示屏显示当前现场的甲烷气体的浓度。另外，通过编辑程序可设置甲烷气体浓度报警值，当甲烷气体浓度大于某一设定值时，发出声光报警，并输出断电信号，实现气体的实时在线监测，达到设计的功能要求：（1）传感器数据的采集；（2）超限报警；（3）断电控制；（4）液晶显示。
基于ARM 的甲烷检测系统硬件设计
基于ARM 的甲烷检测系统的硬件设计是要通过对设计要求的分析，对各个功能模块的元器件的了解，从而得出分立元件与集成块的相应的连接方法，以达到设计的功能要求。
STM32F103VET6 处理器
STM32F103VET6 是 基 于ARM Cortex-M3 内核的32 位处理器，该芯片是意法半导体（ST）公司出品，具有杰出的功耗控制以及众多的外设，功耗低，性能强，最高工作频率为72MHz，集成嵌入式Flash 和SRAM存储器，3 个16 位定时器，3 个USART 接口，2 通道12 位D/A 转换器，串行单线调试（SWD）和JTAG 接口，CAN 总线通信具有较高的通信速率、高可靠性、便于连接和性价比高的优势。
甲烷（CH4）半导体气体传感器
该MQ-4 传感器一种SnO2半导体气体传感器，可以在较宽的浓度范围内对甲烷有良好的灵敏度，具有长寿命、低成本、驱动电路简单等优点。对甲烷，天然气具有高的灵敏度和选择性，而且湿度对它的影响很小，具有长期的使用寿命和可靠性。既可用于家庭和工厂的可燃气体泄漏监测装置，又适宜于甲烷、液化气、氢气的探测。
该传感器需要施加加热器电压（VH）和测试电压（VC）。VH 为传感器提供特定的工作温度，可用直流电源或交流电源；VC 为负载电阻RL 提供测试的电压，由于这种传感器具有轻微的极性，因此须用直流电源 。VRL 是传感器串联的负载电阻（RL）上的电压。
图2 甲烷传感器基本测试电路
图3 声光报警电路
图4 12864 液晶接口电路
声光报警电路
甲烷传感器采集现场的甲烷数据信息，获取甲烷气体的浓度值，当环境气体中的甲烷浓度超过预先设定的上限值时，系统会发出声光报警。声报警通过驱动蜂鸣器发声实现；光报警通过灯光闪烁实现（LED 灯和蜂鸣器接受芯片的PD3 和PA3 的控制）。
液晶显示电路
12864 液晶屏可显示汉字及图形，内置8192 个中文汉字（16X16 点阵）、128 个字符（8X16 点阵）及64X256 点阵显示RAM（GDRAM），低电压低功耗，接口方式灵活，操作指令方便，可构成全中文人机交互图形界面。可以选择8位并行或者4位串行操作，引脚3（VL）一般接一个103 的电位器，用于调节液晶的显示亮度，引脚15（PSB）高电平时选择并口，低电平时选择串口。
图5 基于ARM 的甲烷检测系统软件流程图
基于ARM 的甲烷检测系统软件设计
在MDK 开发环境下的用μ Vision4 建立MDK 工程，进行代码的编译和调试，使用JLINK 仿真器仿真。
结束语
该系统采用ARM 系列嵌入式处理器作为核心处理芯片，实现实时、动态监测甲烷浓度，并在浓度超限时进行声光报警，输出断电信号，实现气体的实时在线检测，灵敏度高，功耗低。此设计对实时监测甲烷气体的产生源、泄漏源，对于工矿安全运行、人身安全和环境保护都有着重要的作用。不仅可以很好地预防井下安全事故的发生，还可以广泛应用于化工、电力等其他行业的危险气体监测，具有很大的实际和推广价值。
