基于嵌入式系统的卟啉传感器控制系统研究与设计

摘要

挥发性有机化合物是一类环境有机污染物，如醛类、酯类和有机酸类有机物。VOCs主要来源于工业生产、食品加工、机动车辆尾气。长期暴露会对人体具有致畸、致突变和致癌等作用。目前常规的检测挥发性有机化合物的手段是气相色谱与灵敏的检测器，但由于该设备操作复杂、价格昂贵、检测周期长，且无法实现在线测量，其应用受到很大限制。某些卟啉及其衍生物有强大的吸光特性，遇到挥发性有机气体会发生明显的颜色变化，成为传感器研究的理想模型化合物。卟啉传感器的专一性很强，通过构建卟啉敏感阵列，利用同一敏感阵列对多种目标物质进行同时检测，是卟啉传感器发展方向。
　　 传感器在工业生产和科学实验中有着广泛的应用。传感器和检测仪器生物医学工程科学研究中重要的组成部分。将卟啉传感器研制成为微型化，便携式，操作简便的传感器系统能够克服上述缺点，具有广泛的应用价值和前景。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术结合的产物，被广泛的应用于便携式和智能控制领域。本研究基于嵌入式系统实现卟啉传感器系统，研究内容主要涉及以下几个方面：
　　 ①光源：为了避免外界外界光源的影响，将微系统制作成暗室，并设计内部光源。由嵌入式微处理器的通用I/O口输出高低电平作为光源电路开关。在气体与微阵列反应之前将微系统内部的光源打开，以便后续步骤中气体与卟啉阵列反应过程中观察腔室内情况和图像采集。
　　 ②微泵：由于系统比较小，气道比较窄，气体不容易流通，需要使用蠕动崩将待测气体鼓进，使其与敏感物质充分反应。采用脉宽调制(PWM)实现对电机的精确控制。脉宽调制从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。
　　 ③图像采集与处理：为了获取卟啉阵列的颜色变化，采用高分辨率(130万)的CMOS图像传感器对反应过程进行定时拍摄;计算出卟啉阵列反应之前和反应之后的颜色变化后，通过与已经建立好的标准颜色库进行比较最终计算出气体的浓度。
　　 ④无线交互和数据无线传输：利用GPRS网络实现系统的远程控制和数据的无线传输。嵌入式微处理器能够将系统运行过程所有重要的信息发送到远程终端。
　　 ⑤人机交互界面：使用触摸屏作为人机交互界面，只需点击触摸屏的相关菜单项即可实现上述功能要求。
　　 本文的创造性如下：基于卟啉及其衍生物的上述性质以及嵌入式系统的特点，通过研究和开发微阵列传感器，使用嵌入式微处理器控制CMOS图像传感器将卟啉及其衍生物对气液敏感的特征信息转换成图像的形式进行分析处理，并通过GPRS无线传输到远程终端。在检测人员与气体隔离的情况下，能有效快捷的检测气体中微量有毒气体的浓度。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪 论

1.1课题研究背景和意义

1.2国内外研究现状

1.3本文研究的目的和研究内容

1.4总体设计方案

2 嵌入式硬件设计基础

2.1嵌入式系统定义

2.2嵌入式系统的特点及发展方向

2.2.1嵌入式系统的特点

2.2.2嵌入式系统应用前景

2.3 ARM概述

2.3.1 ARM体系结构

2.3.2 ARM920T

3 嵌入式软件设计基础

3.1 Linux系统简介

3.2基于Linux的系统开发

3.2.1 Linux设备驱动程序分析

3.2.2基本驱动程序模块

4 图像采集及分析

4.1开发平台简介

4.2基本驱动模块函数

4.3摄像头接口的工作原理

4.4真彩图像采集的实现

4.4.1采集流程设计

4.4.2数据整理

4.4.3进程并发控制

4.4.4图像采集程序设计

4.5多路图像采集系统

4.5.1多路图像采集的实现

4.5.2多路图像采集测试

4.6小结

5 模块设计

5.1光源模块

5.1.1光源电路设计

5.1.2软件设计

5.1.3光照功能测试

5.1.4小结

5.2电机模块

5.2.1中断

5.2.2S3C2440 PWM原理及操作

5.2.3 PWM应用程序设计

5.2.4 PWM驱动程序设计

5.2.5 PWM调试及功能测试

5.3 GPRS简介及应用

5.3.1 GPRS技术简介

5.3.2 GPRS数据传输

5.3.3 GPRS测试

5.3.4小结

5.4触摸屏模块

5.4.1触摸屏原理

5.4.2用户界面MiniGUI

5.4.3触摸屏驱动程序

5.4.4应用程序设计

5.4.5触摸屏功能测试

5.4.6小结

5.5数据存储

6 总体方案测试

6.1系统测试

7 结论与展望

7.1主要结论

7.2后续研究工作的展望

致谢

参考文献

附 录:作者在攻读硕士学位期间获得专利