基于ARM9的嵌入式气体检测系统硬件平台的设计及研究

论文摘要

工业发展所带来的污染越来越严重,尤其是以气体污染对人类的健康危害最为严重。同时,室内装修等引起的“室内空气污染”给人们带来的疾病正引起各个国家的高度重视。空气污染对人体健康危害很大,易引起呼吸道疾病,例如高浓的度污染可造成急性中毒或者死亡,长时期的低浓度污染会导致慢性支气管炎、肺癌、肺气肿及支气管哮喘等病症,有些污染物还损害肺的血色素的输氧机能和换气机能。因此对有毒有害气体进行定期、快速、有效的检测显得极为重要。本文在综合分析了国内外气体传感检测技术的基础之上,根据化学阵列传感指纹特性原理,利用嵌入式ARM-Linux技术,提出了一种能实现快速、痕量、高准确性检测的便携式有毒有害气体检测仪。本文设计的气体检测仪是密闭式气体检测系统,气体采集模块将待测有毒有害气体泵入反应气室,通过触摸界面控制摄像头采集其和气室中化学传感阵列芯片的反应图像信息,经过S3C2440处理后,获取待测毒气的信息并进行显示和可选择性存储。本文主要研究了检测系统的软硬件设计部分,完成了以下几个方面的研究工作:1.根据毒气检测的实际需求,基于模块化的设计思路,采用上下位机结合的方式,设计了检测仪整体硬件电路。上位机以嵌入式ARM9（S3C2440A）为核心,设计了图像采集模块、LCD触摸显示模块、存储模块、串行通信模块及电源模块等;下位机以PIC16F877为MCU核心,设计了气体采样模块、条件监控模块、光照模块、通信模块等。通过上下位机的协作完成毒气的检测。2.完成了嵌入式ARM-Linux开发平台搭建和开发环境的建立,引导程序编写及内核裁剪,设计了驱动程序及部分的应用软件;在MPLAB 8.0环境下完成下位机驱动程序的编写和调试。3.完成上下位机的联机调试,根据毒气检测仪的技术指标和硬件设备外部特性,采用AUTOCAD设计该仪器的组装模型图,并实际完成了设备组装和调试。4.对检测设备进行了部分典型气体的检测,掌握了仪器的使用方法和实验条件的调控,积累了经验,通过大量的实验,验证了仪器的有效性。5.运用气体检测设备对庚醛、氨气、苯、对二甲苯、氯气、二氧化硫等进行了测试,并对图像数据进行了分析,证明了检测结果的有效识别性。最后总结了自己的研究工作,并提出气体检测设备下一步可完善之处。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 气体检测技术现状
• 1.3 气体传感器现状
• 1.4 嵌入式技术
• 1.4.1 嵌入式系统概念及特征
• 1.4.2 嵌入式简介
• 1.4.3 嵌入式处理器
• 1.4.4 嵌入式操作系统
• 1.5 本文所做主要工作
• 1.5.1 课题学术及实用意义
• 1.5.2 本文所做主要工作
• 2 检测系统硬件平台开发设计
• 2.1 系统硬件总体设计
• 2.2 嵌入式上位机系统
• 2.2.1 嵌入式处理器选型
• 2.2.2 最小化系统设计
• 2.2.3 图像采集模块
• 2.2.4 图像显示模块
• 2.2.5 图像存储模块
• 2.2.6 串行通信模块
• 2.2.7 电源模块设计
• 2.3 微控制下位机系统
• 2.3.1 气路采样模块
• 2.3.2 条件监控模块
• 2.3.3 光照模块设计
• 2.3.4 通信模块设计
• 2.3.5 散热模块设计
• 2.4 本章小结
• 3 检测系统软件开发设计
• 3.1 嵌入式上位机系统
• 3.1.1 开发环境建立
• 3.1.2 引导程序分析
• 3.1.3 Linux 内核移植
• 3.1.4 设备驱动程序设计
• 3.1.5 USB 摄像头驱动程序
• 3.1.6 LCD 触摸屏程序
• 3.1.7 SD 驱动程序
• 3.1.8 UART 串口驱动程序
• 3.2 单片机下位机系统
• 3.2.1 下位机控制流程
• 3.2.2 气泵调速驱动
• 3.2.3 温度监控驱动
• 3.2.4 湿度、流量监控驱动
• 3.3 本章小结
• 4 系统调试与测评
• 4.1 系统测试方案
• 4.1.1 系统测试平台
• 4.1.2 系统各模块测试
• 4.1.3 系统组装测试
• 4.2 系统总体测试
• 4.3 数据分析
• 4.4 本章小结
• 5 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A：作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录
• B：专利申请
• C：参加的科研项目