基于STM32的氧含量檢測儀的研制

石俊杰 吳正平 馮小進(jìn) 吳迪云

【摘要】介紹了基于STM32的氧含量檢測儀的設(shè)計(jì)思路與實(shí)現(xiàn)過程。以STM32RCT6為控制核心，采用雙氧化鋯氧氣傳感器O2S-FR[1]實(shí)現(xiàn)氧含量的測量，設(shè)計(jì)了熱電偶的測溫補(bǔ)償電路以及氧化鋯傳感器的信號(hào)處理電路。詳細(xì)闡述了該系統(tǒng)構(gòu)成系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。氧含量數(shù)據(jù)可通過LCD顯示或通過串口上傳給上位計(jì)算機(jī)。

【關(guān)鍵詞】STM32;嵌入式;氧化鋯氧傳感器

在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)和環(huán)境等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，含氧量的分析對(duì)于生產(chǎn)過程有著重要的意義[2]。以往的微控制器實(shí)現(xiàn)測量，需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力設(shè)計(jì)外圍電路，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟硬件較為復(fù)雜、開發(fā)難度大、成本高，不利于安裝和生產(chǎn)[3]。相比基于FPGA的氧化鋯分析儀，以STM32為核心，利用片內(nèi)的可編程數(shù)字陣列和高精度模擬資源，將外圍控制電路單元集成在單片上，能大大提高項(xiàng)目開發(fā)的效率、靈活性和可靠性[4]。本設(shè)計(jì)采用ST公司的STM32作為控制核心，使用英國SST公司的動(dòng)態(tài)高精度氧化鋯氧氣傳感器作為檢測元件，具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快、量程廣、運(yùn)行可靠、校準(zhǔn)時(shí)不需要參比氣體等優(yōu)點(diǎn)。

1.氧含量檢測儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本檢測儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由上位機(jī)通過串口通信與以STM32為核心的測量模塊相連。測量部分由恒流源、LCD顯示、氧化鋯氧氣傳感器、測量電路等部分組成，STM32核心部分負(fù)責(zé)被測信號(hào)的采集、運(yùn)算、存儲(chǔ)、結(jié)果顯示、通信管理等工作。

圖1 氧含量檢測儀系統(tǒng)框圖

1.1 氧化鋯氧氣傳感器測氧原理

在650℃高溫以上，穩(wěn)定的氧化鋯（ZrO2）能夠部分電解產(chǎn)生移動(dòng)的氧離子，氧化鋯電極上通以恒定的直流源，電極的陽極就會(huì)釋放大量游離的氧離子。根據(jù)法拉第電解第一定律，氧離子與被傳送的電荷呈正比，即電化學(xué)泵吸：

（1）

式中：N為被傳送氧氣的摩爾數(shù);i為恒流;t為時(shí)間;z為氧離子的化合價(jià);F是法拉第常數(shù)（F=96485C/mol）。而當(dāng)氧化鋯兩端有氧氣壓差，就會(huì)產(chǎn)生能斯托電壓。氧壓比與能斯托電壓滿足能斯托方程[5]：

（2）

其中：kB是波爾茲曼常數(shù)（kB=1.38×10-23J/K）;T為氧化鋯元件工作溫度（℃）;e0是元電荷（e0=1.602×10-19C）;Ci是氧化鋯兩端氣體離子濃度（mol/kg）。O2S-FR型傳感器利用上述原理制成，其傳感元件由兩個(gè)氧化鋯方片組成，方片上涂有鉑電極，鉑電極起催化劑的作用，氧化鋯方片通過鉑電極隔開，形成了一個(gè)密封的傳感室，如圖3所示。其中一個(gè)氧化鋯方片連接到可逆恒流源起電化學(xué)泵吸作用，鉑電極Pump端和Common端之間通以可逆恒流源，根據(jù)恒流源的方向，氧離子通過該方片從一個(gè)電極移動(dòng)到另一個(gè)電極，這就改變了傳感室內(nèi)的壓力P2，另外一個(gè)方片隨著壓力P2的改變產(chǎn)生能斯托電壓，一個(gè)完整的泵周期就是抽空傳感器室再將其充滿所需要的時(shí)間，根據(jù)能斯托電壓的變化測量泵周期，而泵周期與氧氣濃度呈比例關(guān)系。

圖2 氧化鋯傳感器傳

圖3 傳感元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.2 片內(nèi)測量電路和信號(hào)處理電路

由式（2）可知：

（3）

常溫下空氣中的氧含量一般為20.77%，取C2為1%，由式（3）可知：

含量為1%時(shí)：

（4）

當(dāng)傳感器工作在750℃時(shí)，傳感器的靈敏度非常高，溫度每變化1℃，能斯托電壓的變化量為0.261mV。由于傳感器檢測的信號(hào)就是毫伏級(jí)的能斯托電壓，所以氧氣探頭內(nèi)部加熱絲的供電電壓要比較穩(wěn)定，以降低測量誤差。本系統(tǒng)選用L5973D作為加熱絲的供電芯片，該芯片的輸出阻抗小，帶負(fù)載能力強(qiáng)，輸出精度高，抗干擾能力較強(qiáng)，能夠提供穩(wěn)定的供電電壓。O2S-FR型傳感器是一個(gè)5端傳感器如圖3所示，端口分別為Pump、Common、Sense、GND和加熱端。L5973D的輸出引腳則直接和加熱端相連，提供穩(wěn)定的加熱電壓。而測量時(shí)，需要Pump端和Common端之間通以40μA可逆的恒定電流（如圖2所示），這個(gè)過程，然后測量Sense端和Common端不斷地對(duì)傳感器室進(jìn)行增壓和減壓，并重復(fù)的能斯托電壓V-sense作為傳感信號(hào)。

2.氧含量檢測儀的軟件設(shè)計(jì)

STM32平臺(tái)上的軟件設(shè)計(jì)是在Keil集成開發(fā)環(huán)境中硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，主要由主程序、傳感器信號(hào)檢測和處理程序、中斷服務(wù)程序、串口通信程序和LCD12864屏顯示程序組成，經(jīng)過一系列的編譯、鏈接最后生成十六進(jìn)制文件，下載到芯片中[7]。在整個(gè)測量程序開始工作前，先進(jìn)行顯示屏的初始化并顯示等待界面，然后進(jìn)行各個(gè)元件的初始化，待傳感器加熱到一定溫度后才能啟動(dòng)各個(gè)元器件同時(shí)開啟泵電流進(jìn)行測量。根據(jù)設(shè)計(jì)流程調(diào)用元器件的子程序，計(jì)算氧含量。如果氧含量達(dá)到報(bào)警值，則發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并停止泵電流，以免泵電流頻繁換向損壞傳感器。最后將氧含量的值在LCD顯示屏上顯示出來。在各個(gè)元件啟動(dòng)的同時(shí)，允許定時(shí)器全局中斷。測量時(shí)，當(dāng)傳感信號(hào)的幅值達(dá)到預(yù)定值時(shí)，即完成一次抽空傳感器室的時(shí)候，就要改變恒流源的方向使傳感器室增壓。由于能斯托電壓具有較強(qiáng)的溫度依賴性，故測量泵周期時(shí)要考慮氧化鋯方片在通以恒流源時(shí)空間電荷層的影響，要盡可能地消除溫度依賴性。故在測量時(shí)選取預(yù)定的能斯托電壓值作為恒流源翻轉(zhuǎn)的參考值，為了減少泵電流轉(zhuǎn)向點(diǎn)的空間電荷層的影響，選擇的預(yù)定參考值要遠(yuǎn)離翻轉(zhuǎn)點(diǎn)的能斯托電壓值。圖4是用數(shù)字示波器測得的經(jīng)過放大后的能斯托電壓波形圖，能斯托電壓從V1上升到V5時(shí)，40μA電流從Pump端流向Common端，電化學(xué)泵開始抽空傳感器室。相反，能斯托電壓從V5下降到V1的過程中電流反向，傳感器室開始增壓，能斯托電壓開始下降，V1和V5就是電化學(xué)泵電流翻轉(zhuǎn)時(shí)的能斯托電壓值。設(shè)計(jì)中采用傳感器廠商推薦的能斯托電壓值，V1到V5的推薦值分別為40mV、45mV、64mV、85mV和90mV。任意選取一段完整的波形，將能斯托電壓從V2上升到V3，從V3上升到V4的時(shí)間分別記為T1、T2，從V4下降到V3以及從V3下降到V2的時(shí)間分別記為T4、T5。本設(shè)計(jì)采用兩個(gè)通用定時(shí)器Timer1和Timer2，對(duì)T1、T2、T5和T4進(jìn)行定時(shí)計(jì)數(shù)，由于計(jì)數(shù)值有一定的波動(dòng)，在此采用限幅平均濾波算法消除計(jì)數(shù)值對(duì)測量結(jié)果產(chǎn)生的不穩(wěn)定因素，即將每次采到的數(shù)據(jù)先進(jìn)行限幅處理，再送入隊(duì)列進(jìn)行平均濾波處理。利用處理后的時(shí)間值就可以計(jì)算出改進(jìn)周期td=（T1-T2）+（T5-T4），再結(jié)合換算關(guān)系推算出傳感器所處環(huán)境下的氧分壓。氧分壓和改進(jìn)周期的關(guān)系如下：

其中：O2為氧分壓;Td（Ave）為校準(zhǔn)環(huán)境中的平均td;O2（Per）為校準(zhǔn)環(huán)境中的氧分壓。

為保證儀器的長時(shí)間運(yùn)行，設(shè)計(jì)中加入了看門狗防止程序跑飛，如果檢測到的氧含量達(dá)到報(bào)警值，在內(nèi)部設(shè)計(jì)的報(bào)警電路能夠馬上發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒操作者采取相應(yīng)的措施。

圖4 傳感端的能斯托電壓

圖5 氧含量檢測儀

3.結(jié)語

基于嵌入式系統(tǒng)級(jí)芯片STM32的氧含量檢測儀與普通的微控制器設(shè)計(jì)的氧含量檢測儀相比，其豐富的片上資源使得外圍擴(kuò)展器件少，降低了故障率。不僅節(jié)約了成本，縮短了開發(fā)周期，還大大擴(kuò)寬了產(chǎn)品的升級(jí)空間。并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了標(biāo)定，氧含量修正方程具有良好的線性。經(jīng)過長時(shí)間的運(yùn)作，該儀器能夠正確顯示如圖5所示，輸出的信號(hào)也正常。相信以嵌入式系統(tǒng)級(jí)芯片STM32為控制核心的控制方案一定能以其良好的靈活性和可擴(kuò)展性被廣泛應(yīng)用該于農(nóng)業(yè)蔬菜大棚、煙道氧含量分析等領(lǐng)域[6]。

參考文獻(xiàn)

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[5]童詩白.模擬電路基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社（4版），1988.

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作者簡介：石俊杰（1987—），男，湖北黃石人，碩士，主要研究方向：微弱信號(hào)檢測技術(shù)。