基于ARM的瓦斯抽放监控系统的多参数采集仪的设计

摘要

瓦斯抽放一方面可以保障井下作业安全，防止瓦斯爆炸，另一方面可以对瓦斯进行存储再利用，变害为宝。对瓦斯抽放过程进行监控则可以有效提升瓦斯抽放过程的安全系数。目前我国国内大部分矿井使用的瓦斯抽放监控仪器设备采用单片机做为主控制器，使用RS485总线进行通讯，处理速度低、兼容性和可靠性较差;国外的瓦斯抽放监控仪器设备主控制器大多使用DSP，采用光纤传输数据，处理速度快，但是设备功耗大，且价格昂贵。因此急需研制一种既能保障性能和精度，又能控制成本的瓦斯抽放监控设备，对瓦斯抽放管道内的各参数实时监控并能够快速可靠地上传数据。
　　本文首先提出了瓦斯抽放监控系统以及基于ARM的多参数采集仪的设计方案，并研究了瓦斯抽放监控系统测量各参数使用的传感器的工作原理和参数的测量方法。采用意法半导体公司生产的基于ARM Cortex M3的STM32F107VCT6作为主控芯片，使用EDA工具Altium Designer设计了包括主控模块、各参数采集模块、LCD显示模块、红外遥控模块、CAN通信模块、电源模块等模块在内的多参数采集仪的硬件电路;采用Keil公司的MDK-ARM作为开发平台，使用C语言编写了多参数采集仪的软件，实现了甲烷浓度测量的零点及线性温度补偿以及对流量信号的基于变采样点式FFT的频谱分析，提升了测量精度，同时完成了LCD显示、红外遥控和CAN通信等多参数采集仪的其他功能;制作了实验样机，搭建了实验平台，并进行了多参数采集仪软硬件测试和实验，和瓦斯抽放监控系统的联合测试。
　　本文设计的多参数采集仪性能良好，成本低廉，能够对煤矿井下的瓦斯抽放管道内甲烷浓度、流量、压力以及温度进行精确的测量，并能够实时显示测量参数，保障了瓦斯抽放的生产安全和生产效率。由多参数采集仪、分站和传输接口组成的瓦斯抽放监控系统内部使用CAN总线技术进行通信和上传数据，组网灵活、可靠，传输接口通过以太网与监控室上位机通信。该系统可以在各个需要瓦斯抽放的矿井进行推广应用，具有显著的经济效益和社会效益。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 瓦斯抽放监控技术的发展现状

1．1．1 瓦斯抽放监控技术国内发展现状

1．1．2 瓦斯抽放监控技术国外发展现状

1．2 课题研究的目的及意义

1．3 课题研究的主要内容

第二章 基于ARM的瓦斯抽放监控系统及多参数采集仪的设计方案

2．1 基于ARM的瓦斯抽放监控系统的设计方案

2．1．1 多参数采集仪

2．1．2 分站

2．1．3 传输接口

2．2 基于ARM的多参数采集仪的设计方案

2．3 红外甲烷传感器概述

2．3．1 红外光谱的吸收原理

2．3．2 红外甲烷传感器的工作原理及甲烷浓度测量方法

2．4 涡街流量传感器概述

2．4．1 卡门涡街

2．4．2 涡街流量传感器工作原理及流量测量方法

2．5 压电式压力传感器概述

2．5．1 惠斯通电桥

2．5．2 压电式压力传感器的工作原理及压力的测量方法

2．6 单总线式数字温度传感器概述

2．7 本章小结

第三章 多参数采集仪的硬件设计

3．1 主控模块

3．2 甲烷浓度采集模块

3．2．1 红外光源驱动电路

3．2．2 甲烷浓度信号前置放大电路

3．2．3 甲烷浓度信号滤波电路

3．2．4 甲烷浓度信号升压电路

3．3 流量采集模块

3．3．1 电荷放大电路

3．3．2 低通滤波电路

3．3．3 施密特电路

3．3．4 光电耦合电路

3．4 压力采集模块

3．5 温度采集模块

3．6 LCD显示模块

3．7 红外遥控模块

3．8 CAN通信模块

3．9 JTAG下载模块

3．10 串口通信模块

3．11 电源模块

3．12 本章小结

第四章 多参数采集仪的软件设计

4．1 Keil MDK-ARM工程的建立及配置

4．1．1 建立STM32工程

4．1．2 配置MDK-ARM

4．2 多参数采集仪的主程序设计

4．3 甲烷浓度信号采集及数据处理

4．3．1 PWM光源驱动

4．3．2 甲烷浓度信号AD转换

4．3．3 红外甲烷浓度测量的零点及线性温度补偿分析

4．3．4 温度补偿计算子程序

4．4 流量信号采集及数据处理

4．4．1 变采样点式的FFT频谱分析法

4．4．2 涡街信号预计频

4．4．3 涡街信号的采样及FFT

4．5 压力采集及数据处理

4．6 温度采集及数据处理

4．7 LCD显示

4．8 红外遥控

4．9 CAN通信

4．10 看门狗

4．11 本章小结

第五章 测试与实验

5．1 多参数采集仪的测试与实验

5．1．1 多参数采集仪测试平台

5．1．2 多参数采集仪的硬件测试

5．1．3 甲烷浓度采集测试及温度补偿测试

5．1．4 流量采集测试及频谱分析

5．1．5 CAN通信测试

5．2 瓦斯抽放监控系统测试

5．3 小结

第六章 总结与展望

6．1 论文完成的主要工作

6．2 进一步工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢