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基于ARM和线阵CCD的甲烷浓度测量仪的研究

作 者: 赵景科
导 师: 张瑞峰
学 校: 天津大学
专 业: 电磁场与微波技术
关键词: 甲烷浓度测定 光干涉法 线阵 CCD ARM
分类号: TP216.1
类 型: 硕士论文
年 份: 2010年
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内容摘要


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。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
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 ARM  10-11
    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CCD  21-23
    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TLC5510  35-38
    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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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化元件、部件 > 自动检测仪器、仪表 > 自动测量仪表
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