基于ARM的煙氣分析儀的研制與開發(fā)

為了滿足我國日益嚴(yán)格的煙氣排放監(jiān)測要求，基于自身在電力環(huán)保領(lǐng)域的技術(shù)積累和豐富經(jīng)驗，國電科學(xué)技術(shù)研究院（國電環(huán)境保護研究院）于2009年11月2日對固定污染源煙氣（SO2、NOX、煙塵）排放DOAS法直接測量技術(shù)研究及系統(tǒng)研制項目予以正式立項，目的在于研制出可廣泛應(yīng)用于火力發(fā)電廠、各種工業(yè)窯爐鍋爐、垃圾焚燒廠等場合的更高性能的煙氣濃度直接測量儀器。煙氣分析儀就是在這樣的背景下產(chǎn)生的，它的基本構(gòu)成就是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是計算機在工業(yè)控制系統(tǒng)中為普遍的應(yīng)用系統(tǒng)。在生產(chǎn)工程中，應(yīng)用這一系統(tǒng)可對生產(chǎn)現(xiàn)場的工藝參數(shù)進行采集、監(jiān)視和記錄，為提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本提供信息和手段。在科學(xué)研究中，應(yīng)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可獲得的動態(tài)信息，是研究瞬間物理工程的有力工具，也是獲取科學(xué)奧秘的重要手段之一。總之，不論在哪個應(yīng)用領(lǐng)域中，數(shù)據(jù)采集與處理越及時，工作效率就越高，取得的經(jīng)濟效益就越大。

1 煙氣分析儀原理

本系統(tǒng)分為下位機和上位機兩部分。

下位機主要完成信號的采集與傳輸功能；上位機主要完成信號的分析處理與存儲功能。

下位機需要采集溫度、濕度、濃度等各種量。傳感器的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號為4-20MA的電流信號。通過A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號。經(jīng)過ARM處理器LPC2103的分析處理，在液晶屏上顯示。通過RS232串行接口與上位機進行通信[1]。

上位機通過RS232接口接收下位機傳來的數(shù)據(jù)，通過VB編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理與存儲功能。

系統(tǒng)框圖如圖1所示：

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

煙氣分析儀的硬件包括處理器模塊、溫度測量模塊、濕度測量模塊、濃度測量模塊、液晶顯示模塊。

本設(shè)計采用的處理器為ARM7系列的LPC2103，它是一個支持實時仿真的16/32位ARM7 TDMI-S CPU的微控制器，并帶有8kB，16kB或32kB嵌入的高速Flash存儲器。128位寬度的存儲器接口和*的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在大時鐘速率下運行。較小的封裝和很低的功耗使LPC2103特別適用于訪問控制和POS機等小型應(yīng)用中[2]。

本系統(tǒng)所用的液晶顯示屏CM12864-2是一種圖形點陣液晶顯示器，它主要由行驅(qū)動器/列驅(qū)動器及128×64全點陣液晶顯示器組成。可完成圖形顯示，也可以顯示8×4個（16×16點陣）漢字。

本系統(tǒng)所用的濕度傳感器DHT11是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有*的可靠性與的穩(wěn)定性。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20米以上，使其成為各類應(yīng)用甚至為苛刻的應(yīng)用場合的佳選擇。產(chǎn)品為4針單排引腳封裝[3]。

本系統(tǒng)所用的熱電偶是一種感溫元件，是一種儀表。它直接測量溫度，并把溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電動勢信號，通過電氣儀表（二次儀表）轉(zhuǎn)換成被測介質(zhì)的溫度[4]。

K型熱電偶可以直接測量各種生產(chǎn)中從0℃到1300℃范圍的液體蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體的表面溫度。K型熱電偶通常由感溫元件、安裝固定裝置和接線盒等主要部件組成。

煙氣濃度傳感器輸入的是標(biāo)準(zhǔn)的4-20MA電流信號，通過A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件流程圖如圖2所示：

在測量時，LPC2103發(fā)送一次開始信號后，DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，等待主機開始信號結(jié)束后，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號，送出40bit的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次信號采集，用戶可選擇讀取部分?jǐn)?shù)據(jù)。從模式下，DHT11接收到開始信號觸發(fā)一次溫濕度采集，如果沒有接收到主機發(fā)送開始信號，DHT11不會主動進行溫濕度采集。采集數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)換到低速模式。

進行溫度和濕度的測量時，由傳感器輸入的標(biāo)準(zhǔn)4-20MA電流信號，通過150歐姆的電阻，轉(zhuǎn)變?yōu)?.6-3V的電壓信號。LPC2103通過A/D轉(zhuǎn)換功能轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號。

下位機與上位機通信通過RS232串行接口進行連接。上位機采用VB進行編程。

在VB6.0編程環(huán)境下，新建工程并引用MSComm控件，在窗體中添加所需控件，構(gòu)建一個合理的收發(fā)界面。在窗體中還需要添加以下幾個基本控件[5]：

1）MSComm控件，主要用于軟件對串口的訪問。

2）定時器控件，用于使PC機定時向下位機發(fā)送命令，使其定時回傳實時數(shù)據(jù)。

3）非周期命令發(fā)送按鈕，用于非周期性指令的傳送啟動。

4）數(shù)據(jù)保存按鈕，用于將采集到數(shù)據(jù)保存為文本文件，便于數(shù)據(jù)處理。

5）用于接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)的文本框。

利用MSComm控件實現(xiàn)計算機通信的關(guān)鍵是理解并正確設(shè)置MSComm控件眾多屬性和方法。以下是MSComm控件的常用屬性和方法：

Commport：設(shè)置或返回串口號，類型short。

Settings：以字符串的形式設(shè)置或返回串口通信參數(shù)。

Portopen：設(shè)置或返回串口狀態(tài)。

InputMode：設(shè)置或返回接收數(shù)據(jù)的類型。

Inputlen：設(shè)置或返回一次從接收緩沖區(qū)中讀取字節(jié)數(shù)，類型short。

Input：從接收緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)并清空該緩沖區(qū)，該屬性設(shè)計時無效，運行時只讀。

Output：向發(fā)送緩沖區(qū)發(fā)送數(shù)據(jù)，該屬性設(shè)計時無效，運行時只讀。

Rthreshold：當(dāng)接收緩沖區(qū)中字符數(shù)達到該值時，MSComm控件設(shè)置Commevent屬性為ComEvRe-ceive，并產(chǎn)生OnComm事件。

Sthreshold：當(dāng)發(fā)送緩沖區(qū)中字符數(shù)小于該值時，MSComm控件設(shè)置Commevent屬性為ComEvSend，并產(chǎn)生OnComm事件。若Sthreshold屬性設(shè)置為0，則不產(chǎn)生OnComm事件。

CommEvent：串口事件，該屬性設(shè)計時無效，運行時只讀。一旦串口發(fā)生通信事件或產(chǎn)生錯誤，依據(jù)產(chǎn)生的事件和錯誤，MSComm控件為CommEvent屬性賦不同的代碼，同時產(chǎn)生OnComm事件。用戶程序就可在OnComm事件處理程序中針對不同的代碼，進行相應(yīng)的處理。

4 總結(jié)

本文設(shè)計的基于ARM的煙氣分析儀，采用高速嵌入式CPU做為核心模塊，具有很高的模塊化程度和可擴展性，并極大地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與性。該系統(tǒng)已調(diào)試通過，運行正常。適用于火力發(fā)電廠、各種工業(yè)窯爐鍋爐、垃圾焚燒廠等場合的更高性能的煙氣濃度直接測量等領(lǐng)域，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。