基于STM32控制器的氣體探測(cè)器

趙 科 時(shí)維國(guó) 鞠艷杰

(1.大連交通大學(xué)電氣信息學(xué)院，遼寧 大連 116028；2.人工智能四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 自貢 643000)

石油化工企業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)普遍存在有毒和易爆氣體，因此必須設(shè)計(jì)安裝工業(yè)用智能氣體探測(cè)器，以保證危險(xiǎn)場(chǎng)合中工作人員的生命和財(cái)產(chǎn)安全。而設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)智能化氣體探測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多種類型氣體探測(cè)器的組網(wǎng)和多點(diǎn)組網(wǎng)[1]，實(shí)時(shí)對(duì)氣體濃度加以采集和控制，能方便監(jiān)控中心對(duì)大量的多通道探測(cè)器進(jìn)行有效管理，并對(duì)各地各類探測(cè)器進(jìn)行調(diào)試和配置。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)需要探測(cè)的氣體種類繁多，只需更換或增減智能探測(cè)系統(tǒng)中相應(yīng)的氣體傳感器，要求探測(cè)器能自動(dòng)識(shí)別并進(jìn)行相關(guān)的配置，由操作人員進(jìn)行簡(jiǎn)單的調(diào)零和標(biāo)定，即可正常使用，而不需要更改任何硬件電路和嵌入式軟件，從而最大程度地節(jié)約時(shí)間和成本。溫濕度對(duì)氣體傳感器的精度有較大影響，設(shè)計(jì)通過(guò)采集現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫濕度對(duì)氣體探測(cè)器進(jìn)行溫濕度補(bǔ)償和線性化處理，來(lái)提高探測(cè)器的精度。因此，對(duì)具有通用性的氣體探測(cè)器進(jìn)行設(shè)計(jì)研制具有較高的應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

筆者以STM32作為核心控制器，設(shè)計(jì)工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)有毒易爆氣體探測(cè)器，并為氣體探測(cè)器設(shè)計(jì)以太網(wǎng)接口，將多探測(cè)器組網(wǎng)，給出報(bào)警電路、存儲(chǔ)電路、人機(jī)接口電路、RS232調(diào)試電路和主程序流程，并進(jìn)行軟硬件調(diào)試。

基于以太網(wǎng)和STM32控制器的智能氣體探測(cè)器，通過(guò)外圍連接氣體傳感器、溫濕度傳感器、通信接口電路、報(bào)警電路和人機(jī)接口電路構(gòu)成系統(tǒng)的硬件電路，如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)化智能氣體探測(cè)器電路構(gòu)成

基于以太網(wǎng)和STM32控制器的智能氣體探測(cè)器的工作原理：氣體傳感器把采集到的相應(yīng)氣體濃度轉(zhuǎn)換為微弱的電信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路，送入STM32控制器片內(nèi)的ADC實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。同時(shí)由溫濕度傳感器采集環(huán)境的溫濕度信號(hào)，采用最小二乘法對(duì)氣體濃度進(jìn)行線性化處理和補(bǔ)償，提高探測(cè)器的測(cè)量精度。顯示電路實(shí)時(shí)顯示采集的氣體濃度，當(dāng)濃度超過(guò)安全上限時(shí)觸發(fā)報(bào)警，由PWM驅(qū)動(dòng)排風(fēng)或給氧系統(tǒng)。RS232調(diào)試電路用于對(duì)氣體探測(cè)器進(jìn)行本地化參數(shù)設(shè)置，并可通過(guò)超級(jí)終端進(jìn)行程序監(jiān)控和調(diào)試。以太網(wǎng)通信電路用于實(shí)現(xiàn)多種通用氣體探測(cè)器通過(guò)路由器組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)多種氣體和多區(qū)域探測(cè)，并實(shí)現(xiàn)控制中心的集中監(jiān)測(cè)與控制，現(xiàn)僅以CO氣體探測(cè)器為例介紹設(shè)計(jì)過(guò)程。

2 硬件部分

2.1 最小系統(tǒng)

以32位高性能、低成本且低功耗的STM32F103ZET6控制器作為智能氣體探測(cè)系統(tǒng)的核心部件，其內(nèi)核為CortexTM-M3架構(gòu)，運(yùn)行頻率72MHz，內(nèi)置Flash和SRAM，有豐富的I/O端口和外設(shè)，包含12位ADC、高級(jí)定時(shí)器和提供時(shí)間日歷的獨(dú)立定時(shí)器RTC；還有SPI、USART通信、I2C、USB、SDIO及CAN等接口[2]，方便接口電路設(shè)計(jì)，也宜于功能擴(kuò)展。

電源電路可提供穩(wěn)定的5.0V直流電壓，經(jīng)LD1086D2M33TR轉(zhuǎn)換后可得到穩(wěn)定的3.3V直流電壓，為探測(cè)器電路提供電源。系統(tǒng)時(shí)鐘由外部8.000MHz晶振X1提供，RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘由外部32.768kHz晶振X2提供。探測(cè)器采用外部手動(dòng)復(fù)位和外部STWD100看門狗電路組成復(fù)位電路[3]，防止系統(tǒng)掉電和程序“跑飛”。

2.2 氣體傳感器電路

設(shè)計(jì)選用ME3-CO電化學(xué)式氣敏CO氣體傳感器，利用待測(cè)氣體進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的電流正比于氣體濃度的原理，通過(guò)測(cè)定該電流值來(lái)確定待測(cè)氣體的濃度[4]，適合在工業(yè)和環(huán)保領(lǐng)域?qū)τ贑O氣體濃度的檢測(cè)。

ME3-CO傳感器分辨率0.5‰，輸出信號(hào)0.06±0.015μA/ppm(1ppm=0.001‰)，容易受外界信號(hào)干擾，因此對(duì)前置信號(hào)調(diào)理電路的要求較高。

設(shè)計(jì)中，信號(hào)調(diào)理電路(圖2)采用高增益、高精度和低溫漂的運(yùn)放AD8574作為信號(hào)放大器。該電路采用兩級(jí)放大模式，前級(jí)采用反相比例放大電路，根據(jù)傳感器使用手冊(cè)推薦，負(fù)載電阻選取47Ω，將電流信號(hào)變換為電壓信號(hào)；第二級(jí)采用同相比例放大，經(jīng)兩級(jí)放大后可得輸出信號(hào)，送至STM32的ADC單元進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了氣體傳感器的信號(hào)采集。各級(jí)放大電路加入電容濾除高頻信號(hào)干擾，提高信噪比。電路正在工作時(shí)斷電后，P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Q2保證傳感器的工作電極和參考電極短路，再次得電工作時(shí)可以減少電化學(xué)傳感器的啟動(dòng)時(shí)間。

圖2 信號(hào)調(diào)理電路

2.3 溫濕度傳感器電路

溫濕度傳感器選用SHT75，采用CMOSen專利技術(shù)[5]，集成了溫濕度敏感元件、信號(hào)處理、A/D轉(zhuǎn)換、循環(huán)冗余校驗(yàn)及串行接口等電路，具有12位分辨率，0～100%RH的相對(duì)濕度測(cè)量范圍(±1.8%RH的測(cè)量精度)，-40.0～123.8℃溫度測(cè)量范圍(±0.3℃測(cè)量精度)，輸出標(biāo)定的數(shù)字信號(hào)，可以方便地利用STM32的I2C通信接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，溫濕度采集電路如圖3所示。SHT75的典型供電電壓3.3V，電源與地之間接入100nF濾波電容。SHT75平均工作電流28μA，為防止過(guò)大電流損壞器件，在數(shù)據(jù)線DATA和時(shí)鐘線SCK各串聯(lián)200Ω電阻，三態(tài)結(jié)構(gòu)的雙向串行數(shù)據(jù)DATA端接10kΩ上拉電阻。

圖3 溫濕度采集電路

2.4 以太網(wǎng)接口電路

STM32以太網(wǎng)接口模塊支持IEEE802.3協(xié)議的MII和RMII兩種標(biāo)準(zhǔn)接口，可靈活配置。設(shè)計(jì)中選用RMII接口。以太網(wǎng)接口電路如圖4所示，以太網(wǎng)接口收發(fā)器選用DP83848單路10/100Mbit/s以太網(wǎng)收發(fā)器[6]，該器件功耗很低，具有智能電源關(guān)閉能量檢測(cè)模式。收發(fā)器輸出端連接HX1198NL網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器，實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸、阻抗匹配、雜波抑制及高電壓隔離等，提高系統(tǒng)的安全性。器件SLVU2.8-4使輸出具有更好的EMC性能，網(wǎng)絡(luò)輸出連接器選用工業(yè)級(jí)M12以太網(wǎng)連接器，使接口連接更加可靠，該接口電路具有較高的抗干擾能力，適合惡劣工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中信息的可靠傳輸。

圖4 以太網(wǎng)接口電路

2.5 其他電路

RS232調(diào)試電路用于對(duì)探測(cè)器進(jìn)行程序下載，用超級(jí)終端進(jìn)行程序監(jiān)控。調(diào)試電路的收發(fā)器選用帶隔離電源的ADM3251，對(duì)收發(fā)信號(hào)進(jìn)行共模保護(hù)，使數(shù)據(jù)傳輸可靠，提高了抗干擾能力。

報(bào)警電路實(shí)現(xiàn)探測(cè)器運(yùn)行錯(cuò)誤報(bào)警、氣體濃度超上限報(bào)警及氣體濃度低下限自動(dòng)解除報(bào)警等功能。STM32控制器輸出PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警，并進(jìn)行緊急處理，如驅(qū)動(dòng)排風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)以降低氣體濃度。

STM32內(nèi)置512KByte閃存，但由于氣體探測(cè)器程序量較大，記錄數(shù)據(jù)較多，故采用SST25VF106存儲(chǔ)器擴(kuò)展外部存儲(chǔ)空間，該存儲(chǔ)器容量16MByte，經(jīng)由SPI接口連接到STM32控制器。

鍵盤電路采用薄膜開(kāi)關(guān)面板，主要用于數(shù)據(jù)輸入和人機(jī)對(duì)話。各按鍵采用上拉電阻連接到STM32的GPIO口。無(wú)按鍵按下時(shí)各端口保持高電平，有按鍵按下時(shí)對(duì)應(yīng)鍵變?yōu)榈碗娖?，GPIO通過(guò)識(shí)別各按鍵碼及其狀態(tài)來(lái)執(zhí)行相應(yīng)的操作。

顯示電路采用TFT-LCD顯示屏，分辨率320×240，16位真彩，顯示屏色彩控制器為ILI9325，16位并行數(shù)據(jù)接口，自帶觸摸功能控制器TH2046。顯示屏接線端與STM32控制器的FSMC端口相連，通過(guò)FSMC端口靈活配置與LCD控制器的連接[7]。顯示屏顯示當(dāng)前氣體濃度、采集時(shí)間及溫濕度等信息，實(shí)現(xiàn)了一屏多顯的功能。

3 軟件部分

氣體探測(cè)器系統(tǒng)程序利用STM32的固件庫(kù)在Keil μVision4環(huán)境下用C語(yǔ)言進(jìn)行模塊化編程[8]，主要包括系統(tǒng)初始化、按鍵中斷、數(shù)據(jù)采集線性化與濾波、報(bào)警輸出、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與顯示輸出、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信及RS232調(diào)試等程序。報(bào)警輸出程序用于驅(qū)動(dòng)氣體濃度值超出上限后的報(bào)警并及時(shí)驅(qū)動(dòng)應(yīng)急處理，以及低于下限時(shí)的報(bào)警解除。RS232調(diào)試程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)探測(cè)器的初始配置和程序調(diào)試功能。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信程序?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)收發(fā)和網(wǎng)絡(luò)共享，可以發(fā)送探測(cè)器的狀態(tài)及存儲(chǔ)記錄等信號(hào)到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，也可以接收遠(yuǎn)程控制中心對(duì)網(wǎng)絡(luò)探測(cè)器的調(diào)試及參數(shù)配置等，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控。

系統(tǒng)主程序流程如圖5所示，主程序先進(jìn)行初始化，對(duì)STM32控制器的GPIO端口進(jìn)行配置并初始化調(diào)試串口USART、氣體傳感器、溫濕度傳感器和以太網(wǎng)接口，之后等待鍵盤輸入?yún)?shù)或使用默認(rèn)參數(shù)進(jìn)入采集、顯示和以太網(wǎng)傳輸循環(huán)過(guò)程，根據(jù)不同功能標(biāo)志位的變化進(jìn)行相應(yīng)模塊的處理。

圖5 主程序流程

由于篇幅所限，只列出采用STM32的ADC1執(zhí)行AD轉(zhuǎn)換的操作步驟。

首先，開(kāi)啟PA口時(shí)鐘和ADC1時(shí)鐘，設(shè)置PA1為模擬輸入。用RCC_APB2PeriphClockCmd函數(shù)使能GPIOA和ADC時(shí)鐘，使用GPIO_Init函數(shù)設(shè)置PA1的輸入方式。

然后，復(fù)位ADC1，設(shè)置ADC1分頻因子。開(kāi)啟ADC1時(shí)鐘后，通過(guò)ADC_DeInit(ADC1)函數(shù)復(fù)位ADC1，將ADC1的全部寄存器重設(shè)為缺省值后，用RCC_CFGR設(shè)置ADC1的分頻因子。

之后，初始化ADC1參數(shù)，設(shè)置ADC1的工作模式及規(guī)則序列等相關(guān)信息。其程序代碼如下：

ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;

ADC_InitStructure.ADC_Mode=ADC_Mode_Independent;//ADC工作模式為獨(dú)立模式

ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode=DISABLE;//ADC單通道模式

ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode=DISABLE;//ADC單次轉(zhuǎn)換模式

ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv=ADC_ExternalTrigConv_None;//轉(zhuǎn)換由軟件觸發(fā)啟動(dòng)

ADC_InitStructure.ADC_DataAlign=ADC_DataAlign_Right;//ADC數(shù)據(jù)右對(duì)齊

ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel=1;//順序進(jìn)行規(guī)則轉(zhuǎn)換的ADC通道數(shù)目為1

ADC_Init(ADC1，&ADC_InitStructure);//根據(jù)指定的參數(shù)初始化外設(shè)ADC1

此后，使能ADC1并校準(zhǔn)。設(shè)置完ADC1參數(shù)后必須使能AD轉(zhuǎn)換器，執(zhí)行復(fù)位校準(zhǔn)和AD校準(zhǔn)，其程序代碼為：

ADC_Cmd(ADC1，ENABLE);//使能指定的ADC1

ADC_ResetCalibration(ADC1);//執(zhí)行復(fù)位校準(zhǔn)

ADC_StartCalibration(ADC1);//開(kāi)始指定ADC1的校準(zhǔn)狀態(tài)

最后，讀取ADC值。軟件開(kāi)啟ADC轉(zhuǎn)換程序代碼如下：

ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1，ENABLE);//使能ADC1軟件轉(zhuǎn)換啟動(dòng)功能

ADC_GetConversionValue(ADC1);//獲取ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)

while(!ADC_GetFlagStatus(ADC1，ADC_FLAG_EOC));//等待轉(zhuǎn)換結(jié)束

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)測(cè)試，基于STM32的智能氣體探測(cè)器能夠準(zhǔn)確采集并監(jiān)控環(huán)境氣體濃度，并通過(guò)以太網(wǎng)準(zhǔn)確地與監(jiān)控中心進(jìn)行雙向通信。該探測(cè)器工作穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，并且具有通用性，更換不同的三端氣體傳感器即可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同氣體濃度的探測(cè)，也可以將多種氣體探測(cè)器通過(guò)以太網(wǎng)接口連接實(shí)現(xiàn)多氣體多區(qū)域氣體的探測(cè)，基本實(shí)現(xiàn)了氣體探測(cè)器采集的通用性和網(wǎng)絡(luò)化。利用STM32作為探測(cè)器的控制器，充分發(fā)揮了其內(nèi)核優(yōu)點(diǎn)，溫濕度傳感器對(duì)氣體濃度進(jìn)行補(bǔ)償和線性化處理后，氣體探測(cè)器有了更高的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和快速響應(yīng)性。

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