基于S3C2410的氢气浓度监测系统设计

　　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。　　

　　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。　　

　　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。