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
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Ａｕｇ．２０１８㊀
加了２Ａ的熔丝ＦＵ１以及ＰＴＣ热敏电阻，如果在电源进线端短路，那么熔丝ＦＵ１首先熔断达到保护后面电路的目的，假如后续电路的各个传感器接口由于误操作而发生短路，那么ＰＴＣ热敏电路就会起作用，当误操作造成电源短路时，ＰＴＣ热敏电阻阻值迅速增加，直到增加到无穷大，从而实现隔离的作用［９］㊂当后续电路误操作解除时，ＰＴＣ热敏电阻的阻值迅速降低，此时ＰＴＣ热敏电阻相当于导线，系统恢复正常工作㊂
５Ｖ电压是由ＬＭ２２６７６ＭＲＸ转换得来的，再由ＭＡＸ８７１将５Ｖ转换为－５Ｖ㊂ＳＴＭ３２最小系统所需的３．３Ｖ是由ＬＤＯ芯片ＡＭＳ１１１７－３．３Ｖ转换得来的，具体电路图如图６所示
㊂
图６㊀系统供电电路图
３㊀软件设计
本文采用模块化的编程思路，主要包括ＳＴＭ３２Ｆ４０７最小系统程序㊁各个电化学传感器数据采集程序㊁数据处理程序㊁数据存储程序以及串口通讯程序等㊂系统通过５路气体电化学传感器分别采集Ｏ２㊁ＮＯ２㊁ＳＯ２㊁ＮＯ以及ＣＯ气体的浓度，并通过相应的数据采集电路把采集到的气体浓度值转换为可被单片机内部ＡＤ采集的电压值，最后通过串口通讯的方式把数据发送到上位机实时显示㊂系统上电后首先执行初始化操作，把装有５路气体电化学传感器的装置置于废气中，让废气通过该装置，通过外部按键控制系统的运行，软件流程图如图７所示
㊂
图７㊀系统软件流程图
４㊀实验数据对比分析
为了验证整套系统设计的可行性，以及采集数据的稳定性㊁准确性，将系统测量值与标定值进行比较㊂当系统上电后，把装有５路电化学传感器的气室打开，让标定后的５种气体混合均匀后再通过气室，把系统采集测量的值通过串口通讯的方式发送到上位机显示㊂为了验证系统的稳定以及重复性，本文分别改变５种气体的标定浓度，进行多次测量，实验对比数据如表１㊁表２㊁表３所示㊂表中１ｐｐｍ＝１０－６㊂
表１㊀标定气体浓度与系统测量结果对比１
气体标定值测量值相对误差／％
Ｏ２
１９．２％２０．１％４．７ＳＯ２５１０．４ｐｐｍ４９８ｐｐｍ２．４ＮＯ２１００．３ｐｐｍ１０４．２ｐｐｍ３．９ＮＯ２１０．２ｐｐｍ２１８．９ｐｐｍ４．１ＣＯ
３１６．５ｐｐｍ
３０９．２ｐｐｍ
２．３
表２㊀标定气体浓度与系统测量结果对比２
气体标定值测量值相对误差／％
Ｏ２２２．３％２１．７％２．７ＳＯ２５８８．９ｐｐｍ６１４．２ｐｐｍ４．３ＮＯ２１２０．４ｐｐｍ１２４．５ｐｐｍ３．４ＮＯ２４０．５ｐｐｍ２５０．１ｐｐｍ４．０ＣＯ
３５０．９ｐｐｍ
３６１．１ｐｐｍ
２．９
㊀㊀㊀㊀㊀第８期刘静超：基于ＳＴＭ３２的气体分析仪设计３１㊀㊀
表３㊀标定气体浓度与系统测量结果对比３
气体标定值测量值相对误差／％
Ｏ２３１．２％３２．５％４．２
ＳＯ２７００．３ｐｐｍ７１９．３ｐｐｍ２．７
ＮＯ２１７４．４ｐｐｍ１８２．６ｐｐｍ４．７
ＮＯ２７２．３ｐｐｍ２８１．７ｐｐｍ３．５
ＣＯ４００．８ｐｐｍ４１８．９ｐｐｍ４．５㊀㊀由上述３组测量数据可知，通过改变５种气体的初始标定值，分别进行３次测量，每组测量数据的相对误差均在ʃ５％范围之内，系统整体性能稳定，且测量精度相对较高，符合设计预期㊂
５㊀结束语
本文研制了一种基于ＳＴＭ３２的气体分析仪，该系统利用不同气体的化学性质不同，运用多种电化学传感器可检测出混合气体中对应气体的浓度，通过相应数据处理电路可把５种电化学传感器采集到的气体浓度转换为可被采集处理的电压信号，最后利用ＳＴＭ３２内部的ＡＤ转换器对这些信号进行采集处理，最终把计算结果通过串口通讯的方式发送到上位机实时显示㊂实际测量结果表明，该系统具有稳定性㊁精度高等优点，实验测量相对误差在ʃ５％范围之内，符合设计预期㊂
参考文献：
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［４］㊀陈燕．基于ＡＲＭ的矿用便携式多气体检测仪的研制［Ｄ］．西安：西安科技大学，２０１３．
［５］㊀张鹏鹏，俞阿龙，孙诗裕，等．多传感器数据融合在矿井安全监测中的应用［Ｊ］．工矿自动化，２０１５，４１（１２）：５－８．［６］㊀尚合明．ＣＯ气体分析仪的研究与设计［Ｄ］．武汉：华中科技大学，２０１６．
［７］㊀王帅．多组分气体检测与识别技术进展［Ｊ］．重庆工学院学报，２００７，２１（３）：７８－８１．
［８］㊀王媛彬，马宪民．煤矿外因火灾早期探测方法研究［Ｊ］．工矿自动化，２０１５，４１（９）：６３－６６．
［９］㊀陈宣扬．可燃气体检测报警技术研究［Ｄ］．杭州：浙江工业大学，２０１１．
作者简介：刘静超（１９８５ ），硕士，讲师，主要研究领域为嵌入式系统研究㊁计算机应用研究㊂
Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｌｉｕｊｉｎｇｃｈａｏ＠ｘｉｊｉｎｇ．ｅｄｕ．ｃｎ
（上接第２７页）本文对程序进行改进优化，通过采用滑动窗口消抖的方式接收数据，解决了数据传输过程中丢数㊁失真的问题，满足集成光波导陀螺样机测试过程中需利用长距离电缆线（＞１０ｍ）进行数据传输的实验需求，保证了整个系统测试的成功㊂
５㊀结束语
本文设计了基于ＲＳ４２２通信协议的集成光波导陀螺（ＲＩＯＧ）样机测试系统，针对强电磁波干扰环境下长距离电缆线（＞１０ｍ）上产生的周期性噪声影响陀螺测试数据稳定传输的问题，采用了滑动窗口消抖的数据接收方式对叠加在有效信号电平上的电磁噪声进行消抖处理㊂通过实验证实，设计的消抖处理方式能完全消除噪声的干扰，保证数据传输稳定㊂
参考文献：
［１］㊀郑永秋，安盼龙，张蔚云，等．模拟环路实现谐振式光纤陀螺的频率锁定［Ｊ］．光通信技术，２０１４，３８（１０）：１４－１７．［２］㊀王俊超，王恒亮．基于ＦＰＧＡ的参数可调ＲＳ４２２接口电路设计实现［Ｊ］．电子科技，２０１５，２８（２）：１３４－１３８．［３］㊀杨婷，张成飞，郑永秋，等．谐振式光学陀螺数字陀螺信号的提取技术［Ｊ］．光通信技术，２０１６，４０（１２）：１－４．［４］㊀姚灵芝，马慧莲，金仲和．基于单片ＦＰＡＧ的谐振式光纤陀螺数字系统设计与实现［Ｊ］．传感技术学报，２０１１，２４
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［１１］㊀舒林锋．低压差分信号接口系统的设计［Ｄ］．武汉：武汉科技大学，２００７．
［１２］㊀杨会成，卓芝强．单片机与ＰＣ机串行数据通信的工程实践［Ｊ］．微型机与应用，２００３，２２（５）：２２－２５．
作者简介：王红宇（１９９１ ），硕士研究生，主要研究方向为电路与系统㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｗ２９１８２３０６４＠１２６．ｃｏｍ
孟立凡（１９５６ ），教授，博士，主要研究方向为现代
传感器理论与技术㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｍｅｎｇｌｉｆａｎ＠ｎｕｃ．ｅｄｕ．ｃｎ。