基于LPC221的瓦斯检测仪的设计

引言

近年来，随着瓦斯检测技术得到大力研究和开发。为开发新一代微处理器控制的智能化瓦斯检测报警仪创造了条件。本次设计的瓦斯检测仪是采用了以ARM微处理器为核心的智能检测控制设备，它不仅采用20世纪90年代国际先进的单片机微处理技术，还具有下列特点：

①集瓦斯检测、时钟显示于一体;

② 实现了自动调零和校准;

③采用仪用放大器，可自动转换量程，提高了测量精度，测值报警准确;

④采用USB通信接口实现采集数据上传，具备通信功能;

⑤采用大容量FLASH作存储体，可存放上万检测数据;

⑥ 采用按键实现功能选择和数据输入，操作简单，便于使用;

⑦采用本安型电源，实现充电自控管理。

1 引入嵌入式实时操作系统μCIOS—II的意义

智能瓦斯检测设备集各种功能于一身，不仅要实现瓦斯浓度的数据采集、控制报警等基本功能，而且还要实时显示检测数据、随时接受键盘输入。除此之外，还要具有友好的人机界面以及上传数据等通信功能。如果采用传统的顺序结构编程思想，将很难保证数据采集的实时性要求，无法对各个对象的实时信息以足够快的速度处理并做出快速响应.

其程序设计的复杂性也将大大提高，不利于程序的后期维护和修改。而实时操作系统能对运行情况的最好和最坏等情况作出精确的估计。其实时性要比前后台系统要好得多，系统能及时响应外部异步事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。

本次从实际情况出发，选择μC/OS—II作为实时操作系统，让它管理各个应用程序，达到优化系统资源的目的。

2 硬件设计

2.1 手持瓦斯检测仪的组成和工作原理

手持瓦斯检测仪的原理框图如图1所示。

工作时，瓦斯浓度经检测单元转化为电信号，再经过运放单元的放大调理，然后送入CPU的模数转换模块;CPU根据A/D转换的结果进行逻辑分析判断，和预先设计的报警阈值进行比较，若超出阈值则进行声光报警。而后可通过键盘的操作实现检测地点的输入、检测数据的存储和系统参数的设置等功能。检测的浓度、检测时间、输入的地点、相应功能界面等数据参数通过LCD显示出来。各种数据通过键盘进行设定，并保存在FLASH中，随时可进行更改和查看。检测仪还可以通过USB通信协议和Pc机双向通信，实现历史数据的传输、浓度变化态势的分析等功能。电源单元为以上各个单元模块提供能量。

2.2 关键电路单元设计

2.2.1 检测单元

检测单元电路也就是传感器电路，由催化元件和电阻组成的桥路，实现浓度非电信号转化为电信号功能。其检测原理为：利用敏感元件(俗称黑白元件)对瓦斯的催化作用使瓦斯在元件表面上发生无焰燃烧，放出热量使元件温度上升，增加了敏感元件铂丝的电阻值，通过惠斯登电桥测量电路，可以测量其敏感元件电阻值变化量。

2.2.2 运放单元

运放单元由放大电路和量程转换电路组成，实现信号放大、调理和量程转换功能。如图2所示。

2.2.3 键盘单元

本次设计中采用专用的键盘接口芯片ZLG7290。ZLG7290采用I2C串行接口，提供键盘中断信号，方便与处理：器连接，可采用多达64个按键，可检测每个按键的连击次数，具备键盘去抖处理、双键互锁处理、连击处理和功能键处理等功能。具体的连接电路图如图3所示。

2.2.4 显示单元

显示单元是实现人机交互的一个重要手段，本次设计中采用液晶显示屏实现人机交互。本次设计使用的MG12864A点阵图形液晶模块的点像素为128×64点。黑色字，白色底，STN液晶屏，视角为6：00，内嵌控制器为ksO107/ks0108，外部显示存储器为32K字节。采用8位总线接口与微控制器连接，内部集成了负压DC—DC电路，使用负压DC—DC电路，使用单5 V电源。

2.2.5 存储单元

由于LPC2210微控制器没有片内程序存储和数据存储，根据系统的需要，必须设计存储系统。本次设计通过微控制器的外部总线接口来实现，采用SST公司的CMOS多功能FLASH器件SST39VF160，存储容量为2M字节(容量大小的计算具体详见软件部分)，l6位数据宽度(即一个字为2个字节)，工作电压为2.7—3.6 V。该芯片采用高性能的Super.

Flash技术(该技术提供了固定的擦除和编程时间)制造而成，与擦除/编程周期数无关。该芯片采用48脚TSOP封装，十分适合做手持设备的数据和程序积存器。

3 软件设计

检测仪的软件实际主要包括嵌入式实时操作系统内核设计、用户应用程序设计、通信程序3部分。

3.1 总体设计思想

软件系统引入嵌入式实时操作系统μC/OS—II，整个系统都在μC/OS—II的管理下运行。程序设计有别于传统的顺序结构的设计思想，程序虽然有主程序，但主程序并不完