井下便携式多参数检测仪的硬件实现

论文摘要

在煤矿开采中，每年都有瓦斯爆炸灾难性事故发生，造成巨大的生命和财产损失，因此煤矿安全生产的呼声也日益强烈。为了避免事故的发生，必须对煤矿井下的环境参数进行预警性检测。目前，市场上现有的气体检测设备大部分都是针对某种气体浓度进行检测，性能比较单一。如果要对煤矿井下多个参数检测，就需要多个检测设备同时工作，这样就加大了成本，而且使用不方便。所以就需要有一款能将多种信息参数检测集成在一起的检测仪表来提高煤矿井下环境参数检测效率。本课题研究的井下便携式多参数检测仪就满足了这一需要。本系统主要对CH4、CO、H2S和O2气体浓度以及环境温度、湿度等六个参数进行检测，并采用FPGA作为主处理器，和高稳定的气敏传感器组成技术核心，增加了温、湿度传感器辅助测量环境中的温度和湿度。并研究了针对于气敏传感器的温度补偿算法，通过该算法对气敏传感器的温度漂移进行补偿修正。通过对混合气体浓度进行分析，当混合气体浓度超出报警阈值时，系统会自动发出声光警示。仪表的主要模块包括：气体传感器、温湿度传感器、传感器信号调理电路、A/D转换模块、FPGA核心处理模块、LCD显示模块、键盘控制模块、报警模块、电源模块、数据存储模块等。在本文中，主要对系统的硬件设计作了详细的介绍，针对系统高精度、低功耗的设计要求对元器件进行了精心的选型，并对各个模块硬件电路进行了研究分析。通过实验对系统进行了测试，通过对测试结果进行分析，特别是对系统误差进行理论分析，验证了检测仪的基本功能。虽然测试结果有些误差，但不影响仪表的整体性能，需要进一步优化。最后指出了系统目前存在的不足之处，并对下一步的研究指明了方向。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 井下便携式多参数检测仪概述
• 1.2 井下便携式多参数检测仪的国内外发展现状
• 1.3 井下便携式多参数检测仪研究的现实意义和应用前景
• 1.4 本论文的主要工作
• 2 井下便携式多参数检测仪性能要求及原理
• 2.1 研究要求
• 2.1.1 井下便携式多参数检测仪的功能
• 2.1.2 井下便携式多参数检测仪实现框图
• 2.2 开发原理
• 2.2.1 气体传感器的工作原理
• 2.2.2 温度传感器的工作原理
• 2.2.3 湿度传感器的工作原理
• 2.3 传感器选型
• 2.3.1 甲烷传感器
• 2.3.2 氧气传感器
• 2.3.3 一氧化碳传感器
• 2.3.4 硫化氢传感器
• 2.3.5 温湿度传感器
• 2.4 温度补偿算法
• 3 井下便携式多参数检测仪的硬件设计
• 3.1 硬件系统框图
• 3.2 主控芯片选型
• 3.2.1 FPGA 简介
• 3.2.2 Cyclone II 系列芯片 EP2C8Q208C8N 简介
• 3.3 电源电路
• 3.4 复位电路
• 3.5 气体传感器信号调理电路
• 3.5.1 CO 传感器信号调理电路
• 2传感器信号调理电路'>3.5.2 O₂传感器信号调理电路
• 2S 传感器信号调理电路'>3.5.3 H₂S 传感器信号调理电路
• 4传感器信号调理电路'>3.5.4 CH₄传感器信号调理电路
• 3.5.5 温湿度检测电路
• 3.6 键盘设计
• 3.7 LCD 液晶显示
• 3.8 A/D 转换
• 3.8.1 A/D 转换参考电源
• 3.8.2 A/D 转换电路
• 3.9 数据存储
• 3.10 报警电路
• 3.11 时钟电路
• 4 软件简介
• 4.1 软件整体框图
• 4.2 主程序流程图
• 4.3 数据处理流程图
• 4.4 A/D 处理流程图
• 5 系统抗干扰设计及功能验证
• 5.1 系统的抗干扰设计
• 5.1.1 模拟地与数字地处理
• 5.1.2 电源去藕
• 5.1.3 布线策略
• 5.2 隔爆设计
• 5.3 硬件测试及功能验证
• 5.3.1 硬件静态测试
• 5.3.2 上电测试
• 5.3.3 整机功能性测试
• 5.3.4 温度补偿算法实验验证
• 5.3.5 系统误差分析
• 6 结论
• 6.1 总结
• 6.2 存在问题和进一步开发
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表文章
• 致谢