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(多图) 基于S3C2410的氢气浓度监测系统设计

重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室 王利民 秦岚?? 2010年06月28日 ?? 收藏0

  引言

  零碳排放的氢燃料作为一种高效、清洁、可再生的能源,得到了国际能源界的广泛认同。氢气也在石油化工、电子工业、食品工业、航空航天工业等领域有了广泛应用。然而,氢气是一种无色无味、携带极不方便、极易泄漏的气体,在室温和标准大气压下,氢气与空气的混合比例达到4.1%~74.1%时遇明火极易爆炸。为了减小使用氢气的安全隐患,开发出一套安全、可靠、灵敏度高的氢气浓度监测系统具有十分重要的意义。

  1 系统总体结构设计

  采集到的氢传感信号经过低噪声放大电路进行放大处理,并在低通滤波器滤除信号中的高频噪声。然后,经A/D转换器送入ARM处理器S3C2410,ARM 处理器再调用应用程序对采集到的数据进行数字处理,最后实时显示浓度值,并在浓度超出限定值时做出报警处理。整个系统框图如图1所示。

系统框图

  2 系统硬件结构设计

  本系统中所选氢气传感器为瑞士Membrapor生产的H2/C-1000。它的主要指标有:测量范围O~1 000 mg/m3,最大负载2000 mg/m3,输出信号为30±10 nA每mg/m3,分辨率2 mg/m3,响应时间<45 s,温度范围-20~40℃,典型信号漂移<2%/月。可见,传感器输出的信号范围为0~40μA甚至nA级的微弱直流信号。这里首先利用I/V转换电路将微弱的电流信号转换为电压信号,再利用后级的差动放大电路将其放大到A/D能采集的电压范围。然后,将其经过二阶低通滤波处理后送入A/D转换器。最后由微处理器S3C2410处理采集到的数值信号。

  2.1 微弱信号放大电路

  根据弗里斯定理可知,I/V转换引入的外界干扰和噪声,对整个系统性能影响最显著,为此必须选用开环输入电阻高、输入偏置电流小、噪声小的精密运算放大器。这里选用斩波稳零的高精度运放ICL7650,其输入电阻为1012Ω,偏置电流为1.5 pA,输入失调电压为1μV,失调电压温度系数为0.01μV/℃,共模抑制比为130 dB。后级的差动放大选用内部具有三运放结构的仪用放大器AD620AN。它具有共模抑制比高,温度稳定性好,放大频带宽,噪声系数小、功耗低,差动输入、单端输出,电压增益由电阻RG确定,且连续可调等优点。系统的前端信号放大电路如图2所示。

系统的前端信号放大电路

  输入电流I1进入放大器ICL7650的反向端,输出电压正比于输入电流,电压U1=I1R2。为防止产生高频振荡,在电阻R2上并接了电容C1。R1为 ICL7650的限流保护电阻。经过I/V转换后的电压信号U1和R4上所分得的电压一起,作为差动输入进入仪用放大器AD620AN,它的放大倍数仅由电阻RG(即R6)决定,增益公式为G=(49.4 kΩ/R6)+1。由于R4上所得的电压为一恒定值,而U1会随着输入信号的变化而变化,那么AD620AN的输出端电压信号U2即包含了一定的基底电压和被测信号量,对其进行滤波采样后,进行处理,可以从中分离出需要补偿的基底电压,得到实际的被测信号。由于基底电压是缓变的直流信号,在一定的时间 (min级)内为定值,因此可以忽略处理时间(ms级),保证实时动态补偿。电路中的R3和R5与G2组成低通滤波电路,可以防止高频噪声进入放大器,减小噪声干扰。

  2.2 滤波电路

  经过放大后的直流信号附有噪声干扰,对于传感器信号滤波最常用的是RC有源模拟滤波器,即用运算放大器和电阻、电容构成,具有结构简单、调整方便、成本低的特点。因此采用由2个2阶巴特沃斯有源滤波电路级联构成的截止频率为50 Hz的4阶巴特沃斯低通滤波器。

  2.3 ADC与微处理器接口电路

  氢气传感器输出信号频率一般都远小于1 kHz。根据香农采样定理可知,采样频率至少要大于信号最高频率的2倍。另外,为了满足最小2 mg/m3的分辨率,这里采用美国ADI公司推出的一款高速低功耗串行12位8 通道A/D转换器AD7888。它是单电源工作,电压VDD范围为2.7~5.25 V。AD7888有2.5 V的片内基准电压,也可以使用外部基准电压,范围从1.2 V到VDD。模拟输入电压从O到VREF,采样频率可高达125 kHz,可与多种串行接口(SPI/QSPI/MICROWIRE/DSP)兼容。


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S3C2410? 浓度监测? 微弱信号? 调理电路?

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