基于ARM的三氟甲磺酸氣體泄漏檢測儀的研發(fā)

翟奇

摘要：為提高在應用三氟甲磺酸的工作環(huán)境下的安全管理強度和環(huán)境監(jiān)控力度，設(shè)計了一個以STM32F103VET6微控制器為核心的便攜式氣體檢測儀。使用空氣質(zhì)量傳感器與空氣溫濕度傳感器共同約束檢測三氟甲磺酸氣體泄漏，設(shè)計了間接的方法檢測該物質(zhì)。主要介紹了檢測儀的數(shù)據(jù)采集電路，電源電路等及系統(tǒng)主程序，數(shù)據(jù)采集與濾波子程序等，完成硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)的設(shè)計。

關(guān)鍵詞：三氟甲磺酸；ARM；軟件設(shè)計；硬件設(shè)計；氣體檢測

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）33-0248-02

1 背景

三氟甲磺酸是一種超強有機酸，近年來廣泛應用于醫(yī)藥，塑料產(chǎn)業(yè)，電子化工等方面。三氟甲磺酸在生產(chǎn)使用過程中難免會發(fā)生泄漏，而它易揮發(fā)，有強腐蝕性質(zhì)，暴露在空氣中對工作人員將造成極大的傷害與威脅。對揮發(fā)出來的三氟甲磺酸氣體盡行快速，準確的檢測。能有效降低工作人員的危險，同時提高工作效率。但目前，國內(nèi)并沒有專業(yè)的傳感器探頭供檢測該種物質(zhì)泄漏。因此，迫切需要設(shè)計一款價格合理，操作簡單，易攜帶的現(xiàn)場三氟甲磺酸氣體泄漏檢測儀。

2 三氟甲磺酸檢測儀總體方案

氣體檢測儀是利用傳感器元件與調(diào)理電路相結(jié)合從而得到目標氣體濃度相關(guān)數(shù)據(jù)的儀器，為保證其應用過程中的準確性和實時性，同步配置有顯示裝置和報警裝置。氣體檢測儀基本組成是氣體傳感器，MUC控制模塊，信號處理模塊，電源模塊，警報模塊等。應用STM32處理器作為該次設(shè)計檢測儀器的關(guān)鍵元件，在有限的條件下，盡量減少其功耗，保證其續(xù)航能力。設(shè)計采用空氣質(zhì)量傳感器與溫度傳感器傳感器，空氣質(zhì)量傳感器將采集到的電信號經(jīng)過調(diào)理電路放大處理，傳送給數(shù)模轉(zhuǎn)換，將傳感器采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，得到的數(shù)字信號與預先設(shè)計好的報警閾值比較，大于設(shè)定值時顯示警報信號。一個氣體檢測的基本結(jié)構(gòu)組成由圖1所示。

3 三氟甲磺酸氣體檢測硬件設(shè)計

3.1 氣體信號采集電路設(shè)計

氣體信號采集用兩種傳感器約束，空氣質(zhì)量傳感器TGS2600，濕度傳感器DHT11。由于三氟甲磺酸在空氣中暴露回揮發(fā)白煙，且吸濕性很強，所以判定該物質(zhì)泄漏時，首先空氣質(zhì)量傳感器采集到濃度變化，并且空氣濕度發(fā)生變化時，檢測儀報警。

3.1.1 空氣質(zhì)量傳感器

系統(tǒng)采用TGS2600空氣質(zhì)量傳感器，是半導體傳感器。如果空氣中存在檢測氣體，該氣體的濃度越高傳感器的電導率也會越高。其采集到的輸出電流信號微弱，控制芯片STM32F103無法識別判斷氣體濃度， 需要信號調(diào)理電路將信號放大到A/D轉(zhuǎn)換器能夠處理的范圍。

3.1.2 空氣濕度傳感器

DHT11與STM32之間的通訊方式采用單總線通訊，簡單方便，僅一個I/O口就可實現(xiàn)通訊。傳感器內(nèi)部濕度和溫度數(shù)據(jù)40Bit的數(shù)據(jù)一次性傳給單片機，DHT11的功耗很低，若在5V的工作電壓下，平均最大電流只有0.5毫安。

3.2 電源電路設(shè)計

電源模塊是整個平臺系統(tǒng)最基礎(chǔ)同時也是最重要的模塊，沒有電源供應是不可能工作檢測氣體的。該設(shè)計系統(tǒng)使用3.7V單節(jié)2000mA 錳酸鋰電池，使用兩節(jié)錳酸鋰電池并聯(lián)形成 4000mAh/3.7V。電池組充電最高電壓為4.2V，該設(shè)計電池組為本安型，設(shè)計一個F1為750mA保險，保護鋰電池，短路時斷開電路。

3.3 RS485通訊電路設(shè)計

通訊電路采用RS485通訊方式，與外部設(shè)備進行連接。在傳統(tǒng)的電路上進行改進，可自動收發(fā)信息SP3485是符合RS-485串行協(xié)議的+3.3V低功耗半雙工收發(fā)器.設(shè)計采用自動收發(fā)的RS485，RO接單片機的RXD引腳，RE與DE接單片機的CTRL引腳，DI接TXD引腳。TXD發(fā)1，AB發(fā)1；TXD發(fā)0，AB發(fā)0。在接收數(shù)據(jù)的過程中，TXD引腳一直保持高電平，當TXD是高電平時，RE是低電平，此時調(diào)理成接收狀態(tài)，485芯片的RO引腳（接RXD的引腳）就會反應AB傳輸過來的數(shù)據(jù)。

4 三氟甲磺酸氣體檢測軟件設(shè)計

三氟甲磺酸氣體泄漏檢測儀的軟件編程使用C語言，對應硬件的模塊化設(shè)計，對功能劃分，軟件編寫同樣采用模塊化設(shè)計。氣體檢測儀主程序流程如圖所示。系統(tǒng)處于關(guān)機狀態(tài)，長按3s開機，檢測儀進行程序初始化，然后開始隨后開始進行三氟甲磺酸氣體泄漏檢測，將傳感器采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)調(diào)理電路數(shù)據(jù)處理后進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，之后送入單片機處理將信息顯示到OLED屏上。此時將采集到的濃度信息與系統(tǒng)設(shè)定好的報警值對此，如超過則聲光報警，同時可通過485通訊方式將報警信息傳輸給周圍設(shè)備，及時采取措施。過程中掃描是否有按鍵按下，有則執(zhí)行相應子程序，沒有則繼續(xù)進行主程序循環(huán)，檢測氣體濃度信息。可定期對鋰電池進行掃描，查看電池電壓使用情況，欠壓時及時報警充電。軟件流程圖見圖2所示。

4.1 數(shù)字濾波

該設(shè)計采用中位值平均濾波算法，一般情況下，氣體濃度的變化比較緩慢，因此在氣體檢測行業(yè)中，中位平均值波方法是一種較為普遍的方法。此次使用的中位值平均濾波算法是兼顧了中位值濾波法和算術(shù)平均濾波法各自的優(yōu)勢，基本不會受到采集時偶然出現(xiàn)脈沖干擾，避免部分電信號的定時干擾，保證了過程中采樣值的準確性本，對周期干擾有良好的抑制作用，缺點是計算速度較慢。

首先將傳感器收集到的N個數(shù)據(jù)A={X1，X2，X3……XN-2，XN-1，XN}按從小到大的順序進行排列，再從中去掉首尾的最大值和最小值，對剩下的數(shù)據(jù)求平均值。即得濾波后的值為：

5 試驗

該設(shè)計基于ARM的三氟甲磺酸的硬件電路設(shè)計達到設(shè)計要求，測量值可反應出氣體泄漏，并能實時反饋給單片機。所測量的結(jié)果如匯總見表1所示。

根據(jù)其物理性質(zhì)檢測三氟甲磺酸氣體泄漏，主要有兩個條件為約束，在檢測到氣體濃度變化的同時，空氣中濕度必然發(fā)生變化。在不同濃度下空氣濕度的測試結(jié)果見表2所示。很明顯看出，當氣體泄漏濃度增加，空氣中濕度減少，濃度越高，濕度變化越明顯。

6 結(jié)束語

介紹了檢測儀的硬件電路與軟件設(shè)計，包含傳感器信號采集電路、通訊電路、系統(tǒng)的主程序和子程序，對接收到的傳感器非線性信號，進行處理，設(shè)計合理的數(shù)據(jù)處理算法得出準確的氣體濃度值及報警信號。完成試驗設(shè)計與調(diào)試，實現(xiàn)在線實時檢測，用以解決三氟甲磺酸氣體泄漏的工程問題，以此對特殊氣體檢測提供思路。

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