基于ARM單片機的CO檢測系統(tǒng)設(shè)計

內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010

一、引言

一氧化碳（CO）是常見的污染物之一，凡是碳或含碳物質(zhì)在不充燃燒時均可產(chǎn)生CO。由于CO是無色、無味的毒性氣體，其危害性易被人們忽視，因此對CO濃度進行實時、準確的檢測和報警是與人身安全、社會可持續(xù)發(fā)展切實相關(guān)的重要問題。目前CO的檢測主要集中在工業(yè)排放領(lǐng)域，對人類生產(chǎn)生活環(huán)境中CO監(jiān)測重視程度嚴重不足，其檢測精度和靈敏度達不到實際需求。

本文介紹了一種基于可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS）的實時監(jiān)測系統(tǒng)，將差分光學(xué)吸收光譜技術(shù)和ARM微處理技術(shù)相結(jié)合，克服了同類氣體檢測儀器檢測速度慢，準確度、靈敏度不高的缺點，對工業(yè)安全生產(chǎn)和日常生活安全具有十分重要的現(xiàn)實意義和工程應(yīng)用價值。

二、測量原理

TDLAS技術(shù)是基于朗伯-比爾定律（Lambert-Beer）建立起來的，當(dāng)一束光強為I0，頻率為v的激光通過某種氣體介質(zhì)時，若v與氣體特征吸收帶相重合時，便會發(fā)生吸收。其輸出光強和輸入光強滿足朗伯-比爾定律[1]，如式（1）所示：

其中，I0—待測氣體的吸收光強；

I—氣體吸收衰減后的光強；

α—吸收系數(shù)（與波長有關(guān)）；

C—待測氣體濃度；

L—光路吸收過程中的有效長度。

對式（1）進行簡單的變形，可以得到被測氣體濃度表達式為：

在α(λ)和L已知的情況下，氣體的濃度就只與光強的衰減有關(guān)，由此可計算出被測氣體濃度[2]。

三、系統(tǒng)描述

CO測量系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

由可調(diào)諧激光器發(fā)射出1.568μm波長的激光，光纖分路器將其分成兩束。其中一束通過含有一定濃度CO的氣室，稱為檢測氣室，另外一束通過沒有待測氣體的氣室，稱為參考氣室。分別將兩路光電探測器得到的信號送信號調(diào)理電路放大降噪處理，并將調(diào)理后的兩路電信號進行比值計算。然后將該信號送至微處理器STM32進行處理運算，并采用LCD顯示模塊實時顯示檢測到的濃度信息。

四、硬件系統(tǒng)

1、信號調(diào)理模塊設(shè)計

在一氧化碳測試系統(tǒng)中，探測器輸出的信號非常微弱，且噪聲干擾比較大，如何從噪聲信號中提取出精確地測量數(shù)據(jù)是本設(shè)計的難點之一。

系統(tǒng)采用具有高靈敏度和高帶寬的InGaAs雪崩光電二極管（Avalanche Photo Detector，APD） 作為光電檢測元件，以提高靈敏度。APD工作時需要施加一個反向結(jié)壓，在反向偏置電壓的作用下會引發(fā)雪崩效應(yīng)。雪崩增益可通過改變偏壓的大小進行調(diào)節(jié)，但外界施加的偏壓不易過大，以防APD被擊穿。系統(tǒng)中APD偏置電源電路采用低噪聲、固定頻率的PWM升壓轉(zhuǎn)換器MAX5026，外圍電路利用一個工作于非連續(xù)電流模式的電感來降低了高頻電壓毛刺[3]。同時偏置電路采用ADC進行數(shù)字控制，由微控制器對APD進行溫度補償，以減少溫度對探測器轉(zhuǎn)化精度的影響，從而提高了系統(tǒng)檢測靈敏度。為保證雪崩二極管響應(yīng)靈敏度，最終確定28V作為工作偏壓。偏置電路圖如圖2所示。

探測器的輸出為電流信號，為了方便信號處理將電流信號通過外接接地電阻進行I/V轉(zhuǎn)換。由于探測器輸出的信號比較微小，因此需對電壓信號進行濾波和放大處理，系統(tǒng)選用德州儀器公司制作的低噪聲單電源精密運算放大器OPA376。為了滿足A/D轉(zhuǎn)換的要求還需對信號進行二次放大，二次放大芯片選用低成本、低功耗、高精度儀表放大器AD620。AD620需要雙電源供電，系統(tǒng)選用ICL7660芯片來獲取-5V電源信號。另外，高精度微功率電壓參考芯片LM4040為放大電路提供高精度參考電壓。調(diào)理電路的原理圖如圖3所示。

為了消除光路干擾，提高檢測靈敏度，系統(tǒng)將經(jīng)信號調(diào)理后的兩路信號進行比值計算，選用集成芯片AD734實現(xiàn)兩路差分信號的比值計算，它特有的直接除法模式大大降低了電路噪聲的產(chǎn)生。AD734電源供電為±15V，系統(tǒng)選用TPS61080升壓芯片來實現(xiàn)。除法器電路及±15V電源如圖4所示。

2、微處理器

除法器輸出的信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送微處理器，為了提高系統(tǒng)信號處理速度，中央處理器選用具有超低功耗ARMCortex-M3內(nèi)核的32位微控制器STM32F103RBT6。A/D轉(zhuǎn)換完成后，MCU對氣體進行濃度的反演計算。計算出的濃度結(jié)果以串口USART的方式發(fā)送至LCD顯示，同時，在檢測到的氣體濃度超過系統(tǒng)設(shè)定的額定值時將會由蜂鳴器發(fā)出報警信號[4]。系統(tǒng)采用ASM1117對ARM芯片進行供電，通信接口選用RS232串口通信[5]。顯示模塊采用TFTLCD，液晶顯示模塊共顯示兩行，分別為測試時間和CO氣體濃度。STM32外圍電路框圖如圖5所示。

五、軟件系統(tǒng)

選用Keil公司的uVision4作為編程軟件，使用J-link硬件仿真器對軟件系統(tǒng)仿真調(diào)試，其仿真速度和功能就其他調(diào)試器而言都有很大的優(yōu)越性。系統(tǒng)主流程圖如圖6所示。主程序中包含時鐘、中斷、顯示、按鍵等各個模塊的初始化，完成之后，單片機進如低功耗模式。當(dāng)有中斷信號時，MCU進入正常工作模式，將采集來的信號進行相關(guān)運算，并判斷計算濃度值是否超出報警值，若超出設(shè)定值進行聲光報警，最后通過計算得出結(jié)果送給液晶顯示。

六、實驗結(jié)果

本設(shè)計采用查詢表的方式在LCD上顯示CO濃度。采用主成分回歸分析法建立數(shù)學(xué)模型對CO濃度進行預(yù)測分析，建立查詢表，在實際測量中通過測量電壓值，單片機就會自動根據(jù)查詢表找到對應(yīng)的濃度值[6]。從安全性考慮，系統(tǒng)只配置了0～10%的10種氣體濃度，測得的CO氣體濃度平均相對誤差為2.735%。實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)有較好的檢測靈敏度，性能良好適用性強。系統(tǒng)在室溫（T=24±2℃）條件下其測試結(jié)果如表1所示。

表1 CO濃度測量結(jié)果

七、結(jié)束語

針對傳統(tǒng)一氧化碳氣體檢測技術(shù)靈敏度差、響應(yīng)時間慢的問題，設(shè)計了一種新型的CO檢測系統(tǒng)。參比氣室的加入消除了由外界環(huán)境帶來對的干擾。同時系統(tǒng)選用靈敏度高響應(yīng)速度快的雪崩二極管做光電探測器，通過高精度濾波放大電路對攜帶CO濃度信息的電信號進行信號調(diào)理和高速32位ARM單片機作為中央處理器，大大的提高了系統(tǒng)性能，具有檢測速度快，測量精度高，便攜性強等優(yōu)點。比較適用于環(huán)境監(jiān)測、防災(zāi)減災(zāi)等領(lǐng)域。

采用GM82009可調(diào)諧激光光源模塊作為光源，使用UC-INSTRUMENTS提供的應(yīng)用軟件對激光器的輸出參數(shù)控制可以輸出多種不同波長的光。改變檢測波長該系統(tǒng)也可方便的應(yīng)用于CO2、CH4、H2S等其它氣體的測量，具有很好的適用性。