专利名称：一种嵌入式有害气体检测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种气体检测系统，特别是涉及一种基于嵌入式的便携式有毒有害挥 发性有机气体检测系统。
背景技术：
工业发展带来有毒有害挥发性有机气体(VOCs )的增多，居室装修导致室内空 气污染(苯、甲苯、二甲苯、乙苯、甲醛、丙醛等挥发性有机气体)的加重，对人类的�：σ苍� 来越突出，易导致头痛、眩晕、行动迟缓、记忆力衰退等症状，当浓度超过一定界限时，可直 接对生命造成严重�：�。所以对有毒有害VOCs气体的检测显得尤为重要。目前，挥发性有机物气体检测的主要方法有气相色谱法(GC)、色谱一质谱联用技 术、滴定或者比色法，以及单一传感器直接检测技术等，在气体传感检测技术方面有很大的 提高，但存在一定的不足之处，如气相色谱法(GC)仪器昂贵、检测复杂，色谱一质谱联用技 术不易推广、误差较大，滴定或者比色法操作过程复杂、耗时较长，单一传感器直接检测选 择性较差等。
发明内容
针对现有技术中的不足之处，本发明提供了一种具有价格低廉、操作简单、灵敏度 高、实时性好、稳定性好和便携式等特点的嵌入式有害气体检测系统。本发明提供的一种嵌入式有害气体检测系统，包括用于存储待检测气体的汽 缸、气泵、照明装置、反应气室、吓啉阵列传感器、图像采集仪、触摸屏、嵌入式ARM9芯片、下 位机PIC16F877、温度传感器、湿度传感器、流量传感器和可控加热器；
所述反应气室为透明体，一端设有进气口，另一端设有出气口 ；所述卟啉阵列传感器设 置在反应气室的中部；所述反应气室内、且靠经进气口设有气体缓冲挡板；在反应气室的 横截面上、位于气体缓冲挡板和卟啉阵列传感器之间设有双层隔板I，位于卟啉阵列传感 器和出气口之间设有隔板II，所述双层隔板I和隔板II上均布数个气孔；
所述汽缸的出口通过气泵与反应气室的进气口连通，气泵由下位机PIC16F877控制； 所述流量传感器设置在气泵与反应气室连接的管路上，流量传感器的信号输经A/D转换器 转化后输入下位机PIC16F877 ；
所述温度传感器、湿度传感器和可控加热器均设置在反应气室内，且可控加热器设置 在进气口与卟啉阵列传感器之间，所述温度传感器、湿度传感器和可控加热器的信号输出 端与下位机PIC16F877连接；
所述照明装置设置在反应气室的底部，所述图像采集仪设置在反应气室的顶部，图像 采集仪的摄像头与卟啉阵列传感器的卟啉单元对应，所述照明装置由下位机PIC16F877控 制，所述图像采集仪的信号输入嵌入式ARM9芯片；
所述下位机PIC16F877通过RS232串口与嵌入式ARM9芯片连接；所述触摸屏连接在嵌 入式ARM9芯片上。
进一步，还包括尾气处理装置和两通电磁阀，所述尾气处理装置与反应气室的出 气口连接，所述两通电磁阀串接在尾气处理装置与反应气室的出气口连接的管路上，所述 两通电磁阀由下位机PIC16F877控制。进一步，还包括用于吹扫整个气路的氮气支路，氮气支路通过气阀连接在汽缸与 气泵之间的管路上。进一步，还包括用于将反应前后图像、差值图像以及数据库文件进行存储的SD 卡，所述SD卡通过SD卡接口电路和嵌入式ARM9芯片相连。进一步，还包括用于存储引导文件、Linux操作系统、应用程序的FLASH芯片，所述 FLASH芯片通过EMIF总线与嵌入式ARM9芯片相连。进一步，还包括用于暂存操作系统和应用程序、且作为数据缓冲区的SDRAM芯片， 所述SDRAM芯片通过EMIF总线与嵌入式ARM9芯片相连。再进一步，还包括设有浓度安全限值的报警�？椋霰ň？榘沧霸谙挛换� PIC16F877上，嵌入式ARM9芯片处理得到的浓度值信号输入报警�？�。与现有技术相比，本发明的一种嵌入式有害气体检测系统具有如下优点
1、本发明的检测系统采用卟啉阵列传感器检测的挥发性有毒有害气体浓度可达PPb 级，实现低浓度检测，适合高要求测量场合；同样，能实现PPm级高浓度检测，检测范围大；
2、本发明的检测系统实现了密闭检测反应气室在线环境条件监测，同时反应气室内通 过设置的隔板形成几级缓冲区域，从而形成了一个气流稳定、气体浓度分部均勻的环境，降 低了动力学因素对检测的影响，提高了仪器稳定性及检测精度；
2、卟啉阵列传感器采用阵列点结构的卟啉单元作为前端传感器，吓啉单元多，增加了 响应信号的信息含量，不仅保证了系统检测的精准性，还可实现多种类气体的检测；
3、采用嵌入式ARM9芯片硬件构架，减小体积，增强了系统的处理能力；采用Linux作为 开发环境，源码开放，易于移植，减小了成本；使用MiniGUI作为程序开发软件，提高了人机 界面的交互性；整体系统采用了嵌入式ARM9芯片一下位机PIC16F877模式，增加了硬件的 可扩展性和软件的可移植性，便于系统的升级；
4、本发明的检测系统体积小(体积可达25X10X6cm)、检测精度高、响应时间快，可应 用于环保、食品、化工、医药、室内装修、安全等诸多领域的挥发性有机气体检测，可实现现 场快速检测，对于环境保护和人类健康安全能起到积极的作用。
图1为嵌入式有害气体检测系统的结构示意图； 图2为嵌入式有害气体检测系统的硬件框图； 图3为反应气室模型图的结构示意图4为卟啉阵列传感器的模型图； 图5为光谱信息提取过程的示意图； 图6为系统软件主界面框图； 图7为系统软件主流程图。附图中，21—氮气支路；22—气泵；23—汽缸；24—卟啉阵列传感器；25— 触摸屏；26—照明装置；27—摄像头；29—两通电磁阀；210—下位机PIC16F877 ；4A—进气口； 41一缓冲挡板；42—一级缓冲区；43—隔板；44一二级缓冲区；45—隔 板；46—反应室；48—隔板；49一出气缓冲室；4B—出气口。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细地说明。图1为嵌入式有害气体检测系统的结构示意图，图2为嵌入式有害气体检测 系统的硬件框图，如图所示。一种嵌入式有害气体检测系统包括用于存储待检测气体的汽 缸23、气泵22、照明装置26、反应气室、吓啉阵列传感器24、图像采集仪、触摸屏25、嵌入 式ARM9芯片、下位机PIC16F877、温度传感器、湿度传感器、流量传感器、可控加热器、两通 电磁阀、尾气处理装置、用于吹扫整个气路的氮气支路21、用于存储引导文件、Linux操作 系统、应用程序的FLASH芯片、SD卡和用于暂存操作系统和应用程序、且作为数据缓冲区的 SDRAM芯片。图3为反应气室模型图的结构示意图，如图所示。反应气室为透明体，一端设有进 气口 4A，另一端设有出气口 4B。所述卟啉阵列传感器24设置在反应气室的中部。所述反 应气室内、且靠经进气口 4A侧设置有气体缓冲挡板41 ；在反应气室的横截面上、位于气体 缓冲挡板41和卟啉阵列传感器24之间设有双层隔板I (即隔板43和隔板45)，位于卟啉阵 列传感器24和出气口 4B之间设有隔板II 48，所述隔板43、隔板45和隔板II 48上均布数 个气孔。所述尾气处理装置与反应气室的出气口 4B连接，所述两通电磁阀串接在尾气处理 装置与反应气室的出气口 4B连接的管路上，所述两通电磁阀由下位机PIC16F877控制。所述汽缸23的出口通过气阀S3和气泵22与反应气室的进气口 4A连通，气泵的 电源由下位机PIC16F877控制；所述流量传感器设置在气泵22与反应气室连接的管路上， 下位机PIC16F877通过RB0-RB4和A/D转换器与流量传感器连接。氮气支路21通过气阀 连接在汽缸23与气泵22之间的管路上。所述温度传感器、湿度传感器和可控加热器均设置在反应气室内，且可控加热器 设置在进气口 4A与卟啉阵列传感器24之间。下位机PIC16F877通过通过RB5与温度传感器 连接；下位机PIC16F877通过RD0-RD7和A/D转换器与湿度传感器连接；下位机PIC16F877 通过RC3与可控加热器连接。所述照明装置26设置在反应气室的底部，本实施例中，照明装置26采用白光(对 卟啉阵列的光谱信息不会产生影响)LED灯来提供所需光源，使光源均勻柔和的分布于卟啉 阵列传感器24部分，保证了清晰图像信息的获取。所述图像采集仪设置在反应气室的顶 部，图像采集仪的摄像头与卟啉阵列传感器24的卟啉单元对应，所述照明装置26的电源由 下位机PIC16F877控制，所述图像采集仪的信号输入嵌入式ARM9芯片。图像采集仪实现图 像光谱信息的获取，并传递给嵌入式ARM9芯片进行处理，采用USB2.0摄像头实现高质量图 像数据的获取。所述下位机PIC16F877通过RS232串口与嵌入式ARM9芯片(S3C2440)连接，实现 通信，嵌入式ARM9芯片(S3C2440)作为系统CPU，工作频率400MHZ，负责一切运算，协调和 管理其它部分工作。触摸屏25为IXD触摸屏，所述嵌入式ARM9芯片通过40线接口与触摸 屏25连接，人机交互界面，用作显示图形用户界面(包括图像采集、图像处理、存储界面，监 控参数界面，命令终端界面等)，接受用户的触摸操作。
所述SD卡通过SD卡接口电路和嵌入式ARM9芯片相连，系统工作过程中，将卟啉 阵列传感器24反应前后图像、差值图像，以及数据库文件存储在SD卡内，可通过操作对SD 里面的图像信息进行删除、转存或者处理操作。所述嵌入式ARM9芯片通过EMIF总线分别与FLASH芯片和SDRAM芯片连接，FLASH 芯片用于存储引导文件、Linux操作系统、应用程序等；所述SDRAM芯片暂存操作系统和应 用程序，作为各类数据的缓冲区。嵌入式ARM9芯片通过通过RJ45接口和网络连接线连接。所示报警�？榘沧霸谙挛换鶳IC16F877板上，嵌入式ARM9芯片处理得到的浓度值 输入报警�？榻信ǘ缺冉希背踩拗凳保ň？榻蟹涿ぞＪ褂酶们度胧接泻ζ寮觳庀低呈保缤�1所示，首先打开气阀S4，向痰气支路21 通入痰气，清理整个气路；关闭S4，打开S3，气泵22将待测气体抽入气路；将卟啉阵列传感 器24放入反应气室，进入触摸屏25界面，打开LED灯26的光源、开启摄像头27和条件监 控(温度传感器、湿度传感器、流量传感器和可控加热器)，开启两通电磁阀29。待测气体从 进气口 4A进入一级缓冲区42，由椭圆形结构的缓冲板41将气流沿周边分开，在一级缓冲区 42形成初步的缓流和均勻态势；从一级缓冲区经过均布数个气孔的隔板43进入二级缓冲 区44，实现气体的进一步勻速调节，在此区域，基本实现了气体流速缓冲和浓度均勻性；再 经过均布数个气孔的隔板45进入反应室46，整个反应室是长方形区域，里面气体浓度和速 度都达到反应要求，待测的气体与卟啉阵列传感器47充分反应，以实现信息的检测；待测 的气体和卟啉传感阵列充分反应后，经过均布数个气孔的隔板II 48进入出气缓冲室49，保 证了气流的顺畅性，不会影响前级反应室；最后从端口 4B流出，并经两通电磁阀29进入尾 气处理装置进行尾气处理。通过图像采集仪采集卟啉阵列传感器24反应前后图像信息，输 入嵌入式ARM9芯片完成图像处理、由触摸屏25显示结果，SD卡存储信息，报警�？榈背� 安全限值时，报警�？榻蟹涿ぞ辉诖似诩洌挛换鶳IC16F877协作嵌入式ARM9芯片完 成环境参数的监控和设备的控制等。图4为卟啉阵列传感器的模型图，阵列点采用6X6等间距布局方式，每个点使用 一种金属卟啉，代表一个卟啉单元。卟啉单元和气体反应会呈现不同的颜色变化，每种颜色 变化可用三色基信息(RGB)表达，最终可实现检测气体的6X6X3的组合信息表示方式，能 详细的表征气体的特征信息，进行有效的识别，准确率高。图5为光谱信息提取过程的示意图，A为卟啉传感阵列芯片反应前各卟啉单元信 息，B为反应后各卟啉单元信息；对反应前后图像进行网格划分、信息提取、编码、显示，最 终得到各自的模板图，然后作差得到差谱信息图C，即气体反应特征信息图谱。图6为系统软件主界面框图，包括系统操作、系统控制、图像操作、帮助板块。所述 系统操作�？椋ㄏ低车墓乇铡⒅仄舨僮鳎墒迪窒低车娜聿僮鳎凰鱿低晨刂疲ㄆ� 控制和照明控制，实现人为对检测过程的控制；所述图像操作，包括图像采集、图像处理、图 像浏览和图像存储，其中，图像采集界面除了实现光谱信息的采集以外，还能实时显示环境 监测信息(温度、湿度、流量)，图像处理界面包含图像信息处理，图像浏览和图像存储是对 既有图像信息进行人为的图像查看和转存等操作；帮助板块，包括了检测系统版本必要信 息说明和操作步骤介绍。图7为系统软件主流程图，系统上电后，加载引导程序，初始化外围设备，解压文 件系统和应用程序，启动进入人机交互界面(触摸屏)。通过操作打开气泵、通入痰气，清洁气路系统；经过软件系统设定(通气时间30s)，达到初始标准状态；将待测气体通入气路系 统，打开环境监测设备，检测气体环境参数(温度、湿度、流量)并进行微控达到合适的状态， 达到标准状态；反应室中放置卟啉阵列传感器，打开图像采集仪，获取各时间段图像信息； 采集结束，保存图像信息，关闭外设(电机、光源等)，下位机进入低功耗模式；上位机进行图 像处理、特征信息提取、匹配识别，结果显示并及时预警；气路废气处理通入痰气将气路 中残留的有毒有害气体进行清除(时间30s)；继续进行实验，否则结束。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较 佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技 术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本 发明的权利要求范围当中。
权利要求
一种嵌入式有害气体检测系统，其特征在于包括用于存储待检测气体的汽缸(23)、气泵(22)、照明装置(26)、反应气室、卟啉阵列传感器(24)、图像采集仪、触摸屏(25)、嵌入式ARM9芯片、下位机PIC16F877(210)、温度传感器、湿度传感器、流量传感器和可控加热器；所述反应气室为透明体，一端设有进气口(4A)，另一端设有出气口(4B)；所述卟啉阵列传感器(24)设置在反应气室的中部；所述反应气室内、且靠经进气口(4A)设有气体缓冲挡板(41)；在反应气室的横截面上、位于气体缓冲挡板(41)和卟啉阵列传感器(24)之间设有双层隔板Ⅰ，位于卟啉阵列传感器(24)和出气口(4B)之间设有隔板Ⅱ(48)，所述双层隔板Ⅰ和隔板Ⅱ(48)上均布数个气孔；所述汽缸(23)的出口通过气泵(22)与反应气室的进气口(4A)连通，气泵由下位机PIC16F877(210)控制；所述流量传感器设置在气泵(22)与反应气室连接的管路上，流量传感器的信号输经A/D转换器转化后输入下位机PIC16F877(210)；所述温度传感器、湿度传感器和可控加热器均设置在反应气室内，且可控加热器设置在进气口(4A)与卟啉阵列传感器(24)之间，所述温度传感器、湿度传感器和可控加热器的信号输出端与下位机PIC16F877(210)连接；所述照明装置(26)设置在反应气室的底部，所述图像采集仪设置在反应气室的顶部，图像采集仪的摄像头与卟啉阵列传感器(24)的卟啉单元对应，所述照明装置(26)由下位机PIC16F877(210)控制，所述图像采集仪的信号输入嵌入式ARM9芯片；所述下位机PIC16F877(210)通过RS232串口与嵌入式ARM9芯片连接；所述触摸屏(25)连接在嵌入式ARM9芯片上。
2.根据权利要求1所述的一种嵌入式有害气体检测系统，其特征在于还包括尾气处 理装置和两通电磁阀，所述尾气处理装置与反应气室的出气口(4B)连接，所述两通电磁阀 串接在尾气处理装置与反应气室的出气口(4B)连接的管路上，所述两通电磁阀由下位机 PIC16F877 (210)控制。
3.根据权利要求1所述的一种嵌入式有害气体检测系统，其特征在于还包括用于吹 扫整个气路的氮气支路(21)，氮气支路(21)通过气阀连接在汽缸(23)与气泵(22)之间的 管路上。
4.根据权利要求1所述的一种嵌入式有害气体检测系统，其特征在于还包括用于将 反应前后图像、差值图像以及数据库文件进行存储的SD卡，所述SD卡通过SD卡接口电路 和嵌入式ARM9芯片相连。
5.根据权利要求1所述的一种嵌入式有害气体检测系统，其特征在于还包括用于存 储引导文件、Linux操作系统、应用程序的FLASH芯片，所述FLASH芯片通过EMIF总线与嵌 入式ARM9芯片相连。
6.根据权利要求1所述的一种嵌入式有害气体检测系统，其特征在于还包括用于暂 存操作系统和应用程序、且作为数据缓冲区的SDRAM芯片，所述SDRAM芯片通过EMIF总线 与嵌入式ARM9芯片相连。
7.根据权利要求1所述的一种嵌入式有害气体检测系统，其特征在于还包括设有浓 度安全限值的报警�？椋霰ň？榘沧霸谙挛换鶳IC16F877 (210)上，嵌入式ARM9芯 片处理得到的浓度值信号输入报警�？�。
全文摘要
本发明公开了一种嵌入式有害气体检测系统，包括用于存储待检测气体的汽缸；反应气室；串接在汽缸与反应气室之间的气泵和流量传感器；设在反应气室的底部的照明装置；设在反应气室的顶部的图像采集仪；通过RS232串口连接的嵌入式ARM9芯片和下位机PIC16F877；连接在嵌入式ARM9芯片上的触摸屏；设在反应气室内的卟啉阵列传感器、温度传感器、湿度传感器和可控加热器。本发明利用卟啉阵列传感器和气体接触后出现不同颜色反应的原理，通过系统对光谱信息的提取、处理和匹配识别，最后得到待检气体的信息，并进行显示和及时的预警，适合工业作业、化工、食品、环保、室内装修、安全等领域的有毒有害挥发性有机气体检测。
文档编号G01N21/27GK101975751SQ20101050566
公开日2011年2月16日 申请日期2010年10月13日 优先权日2010年10月13日
发明者侯长军, 刘静静, 李江杰, 柏兴洪, 汪德暖, 罗小刚, 霍丹群 申请人:重庆大学
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