基于STM32的气体分析仪设计

㊀２０１８年

㊀第８期仪表技术与传感器

Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ㊀Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ㊀ａｎｄ㊀Ｓｅｎｓｏｒ２０１８㊀Ｎｏ．８㊀

收稿日期：２０１８－０２－２３基于ＳＴＭ３２的气体分析仪设计

刘静超

（西京学院，陕西西安㊀７１０１２３）

㊀㊀摘要：针对传统气体分析仪存在测量精确度低㊁检测气体单一等缺点，设计了基于ＳＴＭ３２的多气体分析仪㊂该仪器把多种传感器相结合，可准确快速地检测出多种气体混合情况下各个分组气体的浓度值，并通过串口通信的方式把数据结果发送到上位机上实时显示㊂实验数据表明，该分析仪测量结果在行业要求误差（ʃ５％）范围内，达到了预期的设计要求㊂

关键词：气体分析仪；ＳＴＭ３２；实时监测；电化学传感器

中图分类号：ＴＰ２１６㊀㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：１００２－１８４１（２０１８）０８－００２８－０４

ＤｅｓｉｇｎｏｆＧａｓＡｎａｌｙｚｅｒＢａｓｅｄｏｎＳＴＭ３２

ＬＩＵＪｉｎｇ⁃ｃｈａｏ

（ＸｉｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ ａｎ７１０１２３，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇｏｆｌｏｗａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｓｉｎｇｌｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｇａｓｉｎｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｇａｓａｎａｌｙｚｅｒ，ａｍｕｌｔｉ⁃ｇａｓａｎａ⁃ｌｙｚｅｒｂａｓｅｄｏｎＳＴＭ３２ｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆａｖａｒｉｅｔｙｏｆｓｅｎｓｏｒｓ，ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｃａｎａｃｃｕｒａｔｅｌｙｄｅｔｅｃｔａｖａｒｉｅｔｙｏｆｍｉｘｅｄｃａｓｅｓｅａｃｈｇｒｏｕｐｇａｓｄｅｎｓｉｔｙ，ａｎｄｔｈｅｄａｔａｂｙｍｅａｎｓｏｆｓｅｒｉａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｅｎｔｔｏｔｈｅｕｐｐｅｒｍａｃｈｉｎｅｒｅａｌ⁃ｔｉｍｅｄｉｓ⁃ｐｌａｙ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍｕｌｔｉ⁃ｇａｓａｎａｌｙｚｅｒｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓｗｉｔｈｉｎｔｈｅｉｎｄｕｓｔｒｙｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｅｒｒｏｒ（ʃ５％）ｒａｎｇｅ，ｔｏａｃｈｉｅｖｅｔｈｅｄｅｓｉｒｅｄｄｅｓｉｇｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｇａｓａｎａｌｙｚｅｒ；ＳＴＭ３２；ｒｅａｌ⁃ｔｉｍｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｓｅｎｓｏｒ

０㊀引言

对工业生产过程中产生的废气进行成分检测，有利于改善空气质量［１］㊂本文设计的基于ＳＴＭ３２的气体分析仪，利用多种电化学传感器可以检测出多种有毒有害气体的成分㊁浓度等参数，并可把检测的数据传到上位机实时显示，便于及时掌握有毒有害气体的排放情况，有助于提高空气质量［２］㊂

１㊀系统概述

本文设计的气体分析仪是以ＳＴＭ３２为开发平台，主要利用５种电化学气体传感器检测废气中特定的５种气体的浓度值［３］，并通过数据采集电路把传感器检测到的气体浓度值转换为可被单片机处理的电信号，经过相关算法计算㊁处理，把计算结果通过串口通信的方式传输到上位机上显示，也可以在气体分析仪自带的液晶屏上观察到气体的浓度值㊂上位机可实现对气体浓度值的存储㊁历史查询等功能，系统框图如图１所示㊂

２㊀基于ＳＴＭ３２气体分析的硬件设计

本文选用ＳＴＭ３２Ｆ４０７作为系统的主控制器，其是基于Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ４内核的３２位芯片，具有体积小㊁

功耗

图１㊀系统框图

低和外设多等优点［４］㊂其主频高达１６８ＭＨｚ，且内置ＰＦＵ和ＤＳＰ单元，使得其在浮点数方面的运算能力显著增强㊂本文选用电化学式气体传感器来检测废气中各种气体的浓度，它是利用不同气体的不同化学性质，当这些气体与传感器中电解液接触后，产生化学反应，同时传感器输出微弱的电流信号，利用相关检测电路把电流信号转换为电压信号，根据产生的电压信号的大小来辨别各种气体的浓度值㊂根据ＮＯ２㊁ＳＯ２㊁Ｏ２㊁ＮＯ㊁ＣＯ５种气体的电极数不同，分别设计了二电极㊁三电极和四电极传感器信号采集电路［５］㊂２．１㊀二电极传感器信号采集电路

Ｏ２的浓度需要用二电极气体传感器来测量，其传感器结构非常简单，其与空气直接接触就可以工作［６］㊂当空气中的氧气与传感器中的电解液接触后，传感器会输出微弱的电流信号，经采样电阻后把传感

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㊀第８期刘静超：基于ＳＴＭ３２的气体分析仪设计

２９㊀㊀

器输出的电流信号转换为电压信号，根据转换后电压信号的大小来判断氧气的浓度㊂具体电路图如图２所示

㊂

图２㊀Ｏ２电化学传感器数据采集电路图

由于传感器输出的信号很微弱，利用高精度采样电阻采样后得到的电压也很微弱，约在ｍＶ级㊂因此需要对此信号进行放大后才能送入ＡＤ采样，本文选用高精度的运算放大器ＡＤ８１７对此信号进行放大，Ｕ９构成的电压跟随器是为了保证氧气传感器ＪＰ１的１脚电位稳定㊂

２．２㊀三电极传感器信号采集电路

本系统中利用三电极传感器来测量废气中ＳＯ２㊁

ＮＯ２㊁ＮＯ气体的浓度，３个电极分别为Ｓ㊁Ｃ㊁Ｒ㊂由于三电极传感器输出的电流在０ ２００μＡ之间，采用电阻通常选在１００Ω左右，因此转换后输出的电压很微弱，单片机内部的ＡＤ无法直接采集

［７］

㊂因此需要对

传感器输出的信号进行放大，以ＳＯ２浓度采集电路为例，首先利用高精度采样电阻Ｒ２１把ＳＯ２传感器输出的电流信号转换成电压信号，再由放大器Ｕ１０对微弱电压信号进行适当放大㊁滤波㊂为了保证传感器较高的测量精度以及响应速度，需要保证传感器感应电极Ｃ电动势的稳定，本文通过Ｕ１１与Ｓ和Ｃ形成的负反馈来实现的㊂具体电路图如图３所示

㊂

图３㊀三电极电化学传感器数据采集电路图

２．３㊀四电极传感器信号采集电路

ＣＯ浓度是采用四电极传感器测得，其与三电极

传感器相比多了一个辅助电极Ａ，该电极可以使传感器的测量精度更高，减小外界环境因素对测量结果的影响㊂当废气中含有的ＣＯ与一氧化碳电化学传感器接触时，ＣＯ与传感器中的电解液发生化学反应，气体的浓度值就是电化学传感器中感应电极Ｓ与辅助电极Ａ两者的电位差，具体电路图如图４所示

㊂

图４㊀四电极电化学传感器数据采集电路图

Ｕ１３与Ｕ１４主要是把传感器输出的微弱电流信

号转换为电压信号，再由运算放大器Ｕ１５组成的差分电路对输出的电压进行适当调理㊁放大，使最终输出的电压不超过单片机引脚所能承受的电压㊂２．４㊀串口传输电路

本系统采用ＲＳ４８５串口通信的方式将数据发送到上位机中，其特点是传输速率快㊁传输距离远［８］㊂图５为ＲＳ４８５串口通信电路图，采用ＭＡＸ３４８５芯片进行数据通信㊂芯片供电范围３ ３．６Ｖ，功耗低，在图５引脚６和引脚７间连接了一个电阻，主要是实现阻抗匹配的作用，以达到吸收总线上反射信号的目的，

引脚２㊁３主要是控制芯片接收／发送数据的模式

㊂图５㊀ＲＳ４８５串口通信电路图

２．５㊀电源电路

本系统采用２４Ｖ蓄电池供电，需要３．３Ｖ给

ＳＴＭ３２Ｆ４０７最小系统供电，ʃ５Ｖ给运算放大器供电㊂为了达到对电源的双重保护，在２４Ｖ电源的进线端增