基于ARM和线阵CCD的甲烷浓度测量仪的研究

【摘要】：当前我国煤炭安全事件屡有发生,其中由瓦斯(主要成分是甲烷)爆炸引起的占到50%以上。实现煤矿甲烷气体浓度准确、快捷的检测,对于避免生产安全事故发生意义重大。 目前市场上的光干涉式甲烷测量仪精度较高,使用也较为普遍。但尚存在一些不足:采用目测测量,操作复杂,人为误差较大[1];测量数据不能自动保存;不能满足当前远程监控的发展需求。本课题在原设备基础上进行了改进,使系统能够实现非目测测量,并且能够自动校准、存储数据以及危险情况报警。对光干涉测量系统改进主要包括:设计研制了实像成像放大系统,能够为数据采集系统提供合适的干涉图样;采用NEC公司的?P D3575D线阵CCD传感器替代人眼实现干涉条纹信息采集;采用高速A/D转换器TLC5510芯片对采集到的图像信号进行数字化处理;由LPC2131完成数据的存储,干涉条纹偏移量的算法实现,人机交互以及危险报警等任务。LPC2131处理器具有功耗低、速度快、可靠性高、外设资源丰富、成本低廉等特点,能满足井下特殊环境的需求。在电路系统开发过程中,首先完成了PCB电路板的设计制作,然后利用ADS1.2 IDE开发环境和EasyJTAG仿真器实现系统的在线调试,最终完成了相应软件的开发及其调试工作,实现了测量系统信号采集和处理的功能。 经验证,该设计方案具有较强的可行性,系统设计新颖,检测方法方便快捷,总体成本低廉,便于大范围普及,具有良好的市场前景。 【关键词】：甲烷浓度测定 光干涉法 线阵 CCD ARM
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TP216.1
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 第一章 绪论8-12
• 1.1 课题背景和国内外相关研究的状况8-9
• 1.1.1 甲烷浓度测定技术研究的重要性8
• 1.1.2 甲烷浓度测定技术研究现状8-9
• 1.2 相关知识介绍9-11
• 1.2.1 图像传感器9-10
• 1.2.2 ARM10-11
• 1.2.3 A/D 转换11
• 1.3 本文的主要任务11-12
• 第二章 光干涉法测量甲烷浓度的理论分析12-20
• 2.1 基本光学原理12-14
• 2.1.1 光的反射和折射12
• 2.1.2 全反射和全反射棱镜12-13
• 2.1.3 光的干涉13-14
• 2.2 光干涉测定甲烷浓度的原理14-15
• 2.2.1 相干光的产生方法14-15
• 2.2.2 干涉条纹的成像15
• 2.3 系统光学理论分析15-20
• 2.3.1 系统光学理论推导15-18
• 2.3.2 测微玻璃测量甲烷气体浓度18-19
• 2.3.3 环境温度和气压对测量结果影响的修正19
• 2.3.4 光干涉式甲烷浓度测量仪的优缺点19-20
• 第三章 系统架构及图像信息采集模块20-50
• 3.1 系统架构设计20-21
• 3.2 光学系统改进21
• 3.3 图像信息采集模块设计21-24
• 3.3.1 μPD3575D 线阵CCD21-23
• 3.3.2 驱动电路设计23-24
• 3.4 LPC2131ARM 处理器24-25
• 3.5 ARM 处理器内部资源配置设计25-31
• 3.5.1 LPC2131 锁相环配置25-26
• 3.5.2 LPC2131 外部中断26-27
• 3.5.3 LPC2131 管脚资源的配置27-29
• 3.5.4 VIC 中断配置29-30
• 3.5.5 定时器/计数器配置30-31
• 3.6 LPC2131 相关外部电路的设计31-35
• 3.6.1 系统电源模块设计31-32
• 3.6.2 晶振电路的设计32-33
• 3.6.3 JTAG 接口电路设计33
• 3.6.4 复位电路设计33-34
• 3.6.5 LPC2131 与PC 机通信模块电路设计34-35
• 3.7 数据采集模块设计35-42
• 3.7.1 高速A/D 转换芯片TLC551035-38
• 3.7.2 数据采集模块电路设计38-39
• 3.7.3 数据采集模块测试结果39-42
• 3.8 人机对话界面模块设计42-48
• 3.8.1 CH452 驱动芯片42-46
• 3.8.2 按键和数码管显示电路设计46-48
• 3.9 系统电路原理图和PCB 图48-50
• 3.9.1 系统原理图48-49
• 3.9.2 系统PCB 图49-50
• 第四章 系统软件设计50-59
• 4.1 系统软件流程50-51
• 4.2 对LPC2131 进行编程51-52
• 4.2.1 PLL 设置51
• 4.2.2 定时器T0 设置51-52
• 4.2.3 IRQ 初始化52
• 4.3 A/D 采样52-53
• 4.4 数据预处理53-55
• 4.5 条纹间距算法55-57
• 4.6 LPC2131 与CH452 通信实现57-59
• 第五章 总结与展望59-61
• 5.1 课题总结59
• 5.2 课题展望59-61
• 参考文献61-63
• 发表论文和参加科研情况说明63-64
• 致谢64

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