基于LPC2124的CO檢測報警裝置的研究

張秀峰，王海濱

安徽理工大學電氣與信息工程學院，安徽淮南 232001

0 引言

煤炭安全是煤炭生產的生命線，不僅影響著國家經濟，更關乎礦井人員的生命。但是近幾年煤炭安全形勢嚴峻，重大事故時有發生。其中瓦斯是引發煤礦安全事故的重要因素，而且由其引發的安全事故造成的對人員傷害最大，所以瓦斯治理成為煤礦安全的重要環節。一氧化碳（CO）在瓦斯中所占的比重較大，所以一氧化碳的濃度的檢測對礦井安全至關重要。

一氧化碳傳感器根據檢測原理不同，可分為很多種，考慮到煤礦生產條件惡劣，對傳感器系統要求壽命長、操作簡單、維護方便、可靠性高。本文使用電化學ME4- CO 傳感器，相比其他傳感器功耗小、靈敏的高、設計簡單，能夠適應各種惡劣環境，所以在礦上應用較為廣泛。

1 檢測系統硬件組成

系統硬件由Philips 公司的 LPC2124 芯片、一氧化碳氣體傳感器、信號放大電路、液晶顯示、報警電路、通信轉換接口等單元組成。

由于CO 傳感器產生的電流信號比較微弱，所以要經過放大電路處理，然后轉換到處理器工作電壓范圍之內。處理器通過A/D 口對CO 傳感器的信號采樣，并且需要做濾波處理得到一氧化碳的濃度值。然后同設定值相比較，決定是否啟動聲光報警電路。最后將結果通過通信接口上傳到監測室。

2 檢測系統主要模塊設計

1）ARM7 微處理器

在本課題中硬件采用ARM7 型號是 Philips 公司的LPC2124 芯片體特性：

小型LQFP64 封裝16/32 位ARM7TDMI-S 微控制器。

8/16/32kB 片內靜態RAM。

10 位A/D 轉換器最小轉換時間2.44us，通過配置最多提供8 個模擬輸入通道。

4 路10 位D/A 轉換器，可提供不同的模擬輸出。

2 個UART 接口 、2 個高速I2C 接口、1 個16 位SPI 和SSP 接口。

多達47 個5V 的通用I/O 口（LQFP64 封裝）。

通過片內PLL 可實現最大為60MHz 的CPU 操作頻率，PLL的穩定時間為100us。

CPU 額定工作電壓時3.3 V，允許有10%的浮動。I/O 最高工作電壓5V。

2）一氧化碳傳感器ME4-CO

電化學傳感器利用被檢測氣體在其敏感電極進行氧化還原反應，在工作極輸出與氣體濃度成正比的電流，通過對電流的放大與轉換，從而達到檢測濃度的目的。本文文采用電化學一氧化碳傳感器ME4-CO，其具體參數如下：

量 程 0-1000ppm

靈敏度 (μA/ppm) 0.06±0.02

再現性 輸出信號±2%

響應時間(t 90) s ≤30

信號衰減 ≤2%

零點漂移（ppm） -5 ～10

溫度范圍（℃） -20 ～+50

溫度漂移（ppm） ≤10

最大檢測濃度（ppm） 2000

3）信號采集電路設計

電化學傳感器輸出的電流信號十分微弱，而且容易受到外界環境因素的影響。所以要經過信號放大電路將微弱的電流信號放大并轉換到處理器工作電壓范圍之內，具體的信號采集電路如圖1：

圖1 CO 濃度測量電路

上圖的電路主要包括ME4-CO 傳感器，保證其工作的恒電位電路和I/V 變換電路。考慮到傳感器輸出信號很微弱，采用高增益低噪聲的AD8572 運算放大器。其中R1、R2、C1、C2 構成恒電位電路。Q1 和R4 構成傳感器的保護電路，防止傳感元件遭受上電沖擊以及縮短啟動時間。傳感元件的工作極經過電阻R6 到運算放大器的輸入端從而將電流信號轉換為電壓信號。

4）聲光報警電路。

由于報警時功耗比較大，本文采用分時供電的方法。利用IO 口驅動三極管來控制發光二極管和蜂鳴器工作。當正常工作時顯示綠色，C0 濃度超標時，接通蜂鳴器，紅色二極管發亮同時，當傳感器故障時，則顯示黃色。

5）通信模塊

本設計采用康耐德C2000 RS232 轉以太網轉換器。C2000 N1SS 是具有高性價比且穩定可靠的串口設備聯網服務器，它提供RS232 到TCP/IP 網絡和TCP/IP 網絡到RS232 的數據透明傳輸，它可以使具有RS232 串口的設備立即具備聯入TCP/IP網絡的功能，通過局域網將數據上傳到上位機，在監控室可實時監測CO 濃度的變化，同時將數據記錄存檔。

3 結論

基于ARM7 的LPC2124 礦用CO 傳感器具有實時自數字濾波、準確度調校、實時顯示等功能。該系統能適應礦下工作條件，實時監測CO 氣體濃度的變化。同時具有能將數據上傳至監控室進行數據的記錄分析。還可根據需求靈活配置，方便以后功能擴展。

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