基于ARM 的甲烷檢測系統(tǒng)

周俊冬 吳佳麗 楊 義 周子鈺 閆 碩

煤礦安全生產(chǎn)至關(guān)重要，針對井下瓦斯爆炸事故頻發(fā)的問題，設(shè)計(jì)了一款基于STM32F103VET6 處理器的甲烷檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括ARM 處理器、甲烷氣體傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等，實(shí)現(xiàn)了對甲烷氣體濃度的實(shí)時監(jiān)測，超限報警功能。系統(tǒng)靈敏度高，成本低，為煤礦安全生產(chǎn)提供了可靠保障。

甲烷（CH4）是一無色無味氣體，分布廣泛，是天然氣、沼氣、油田氣及煤礦坑道氣的主要成分，屬于屬微毒類且易燃易爆，是重要的工業(yè)原料和日常生活的燃?xì)狻Σ溉閯游镆餌NA 損傷，對人淋巴姐妹染色體發(fā)生變化。皮膚接觸液化的甲烷，可致凍傷。甲烷氣體在地下很常見，是瓦斯的重要成分。瓦斯爆炸不僅會爆炸導(dǎo)致財(cái)務(wù)人員損失，而且爆炸之后會產(chǎn)生大量有毒氣體，使人中毒死亡。由于當(dāng)前的甲烷監(jiān)測仍存在一系列問題，我們設(shè)計(jì)了這個基于ARM 處理器的甲烷檢測系統(tǒng)，使其對甲烷的檢測可靠性更高，精度也有了較大提高，功耗降低這種檢測系統(tǒng)不僅能應(yīng)用于礦山，還可廣泛用于化工、電力等行業(yè)的危險氣體監(jiān)測。

基于ARM 的甲烷檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1 基于ARM 的甲烷檢測系統(tǒng)框圖

甲烷的檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)通過甲烷傳感器采集現(xiàn)場的甲烷數(shù)據(jù)信息，當(dāng)甲烷氣體經(jīng)過傳感器，產(chǎn)生電信號，該電信號再經(jīng)過運(yùn)算放大器電路的電壓信號。ARM 處理器通過A／D 轉(zhuǎn)換器采集該電壓信號即可獲取甲烷氣體的濃度值，再利用顯示屏顯示當(dāng)前現(xiàn)場的甲烷氣體的濃度。另外，通過編輯程序可設(shè)置甲烷氣體濃度報警值，當(dāng)甲烷氣體濃度大于某一設(shè)定值時，發(fā)出聲光報警，并輸出斷電信號，實(shí)現(xiàn)氣體的實(shí)時在線監(jiān)測，達(dá)到設(shè)計(jì)的功能要求：（1）傳感器數(shù)據(jù)的采集；（2）超限報警；（3）斷電控制；（4）液晶顯示。

基于ARM 的甲烷檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于ARM 的甲烷檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)是要通過對設(shè)計(jì)要求的分析，對各個功能模塊的元器件的了解，從而得出分立元件與集成塊的相應(yīng)的連接方法，以達(dá)到設(shè)計(jì)的功能要求。

STM32F103VET6 處理器

STM32F103VET6 是 基 于ARM Cortex-M3 內(nèi)核的32 位處理器，該芯片是意法半導(dǎo)體（ST）公司出品，具有杰出的功耗控制以及眾多的外設(shè)，功耗低，性能強(qiáng)，最高工作頻率為72MHz，集成嵌入式Flash 和SRAM存儲器，3 個16 位定時器，3 個USART 接口，2 通道12 位D/A 轉(zhuǎn)換器，串行單線調(diào)試（SWD）和JTAG 接口，CAN 總線通信具有較高的通信速率、高可靠性、便于連接和性價比高的優(yōu)勢。

甲烷（CH4）半導(dǎo)體氣體傳感器

該MQ-4 傳感器一種SnO2半導(dǎo)體氣體傳感器，可以在較寬的濃度范圍內(nèi)對甲烷有良好的靈敏度，具有長壽命、低成本、驅(qū)動電路簡單等優(yōu)點(diǎn)。對甲烷，天然氣具有高的靈敏度和選擇性，而且濕度對它的影響很小，具有長期的使用壽命和可靠性。既可用于家庭和工廠的可燃?xì)怏w泄漏監(jiān)測裝置，又適宜于甲烷、液化氣、氫氣的探測。

該傳感器需要施加加熱器電壓（VH）和測試電壓（VC）。VH 為傳感器提供特定的工作溫度，可用直流電源或交流電源；VC 為負(fù)載電阻RL 提供測試的電壓，由于這種傳感器具有輕微的極性，因此須用直流電源 。VRL 是傳感器串聯(lián)的負(fù)載電阻（RL）上的電壓。

圖2 甲烷傳感器基本測試電路

圖3 聲光報警電路

圖4 12864 液晶接口電路

聲光報警電路

甲烷傳感器采集現(xiàn)場的甲烷數(shù)據(jù)信息，獲取甲烷氣體的濃度值，當(dāng)環(huán)境氣體中的甲烷濃度超過預(yù)先設(shè)定的上限值時，系統(tǒng)會發(fā)出聲光報警。聲報警通過驅(qū)動蜂鳴器發(fā)聲實(shí)現(xiàn)；光報警通過燈光閃爍實(shí)現(xiàn)（LED 燈和蜂鳴器接受芯片的PD3 和PA3 的控制）。

液晶顯示電路

12864 液晶屏可顯示漢字及圖形，內(nèi)置8192 個中文漢字（16X16 點(diǎn)陣）、128 個字符（8X16 點(diǎn)陣）及64X256 點(diǎn)陣顯示RAM（GDRAM），低電壓低功耗，接口方式靈活，操作指令方便，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面。可以選擇8位并行或者4位串行操作，引腳3（VL）一般接一個103 的電位器，用于調(diào)節(jié)液晶的顯示亮度，引腳15（PSB）高電平時選擇并口，低電平時選擇串口。

圖5 基于ARM 的甲烷檢測系統(tǒng)軟件流程圖

基于ARM 的甲烷檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在MDK 開發(fā)環(huán)境下的用μ Vision4 建立MDK 工程，進(jìn)行代碼的編譯和調(diào)試，使用JLINK 仿真器仿真。

結(jié)束語

該系統(tǒng)采用ARM 系列嵌入式處理器作為核心處理芯片，實(shí)現(xiàn)實(shí)時、動態(tài)監(jiān)測甲烷濃度，并在濃度超限時進(jìn)行聲光報警，輸出斷電信號，實(shí)現(xiàn)氣體的實(shí)時在線檢測，靈敏度高，功耗低。此設(shè)計(jì)對實(shí)時監(jiān)測甲烷氣體的產(chǎn)生源、泄漏源，對于工礦安全運(yùn)行、人身安全和環(huán)境保護(hù)都有著重要的作用。不僅可以很好地預(yù)防井下安全事故的發(fā)生，還可以廣泛應(yīng)用于化工、電力等其他行業(yè)的危險氣體監(jiān)測，具有很大的實(shí)際和推廣價值。