揮發(fā)性有機(jī)氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)（PID）的電氣研究

張浩文

（深圳安志生態(tài)環(huán)境有限公司，深圳 518000）

1 緒論

1.1 研究的背景及意義

近些年，全國的空氣污染問題集中爆發(fā)，顆粒物、煙塵、揮發(fā)性有機(jī)物等大氣污染物導(dǎo)致我國多地出現(xiàn)空氣污染，尤其以北方大部分地區(qū)最為嚴(yán)重，不僅對人們的身體健康和生存環(huán)境造成了嚴(yán)重的影響，而且妨礙了人們的工作和生活。因此，治理空氣污染問題成為生態(tài)環(huán)境部門的重要任務(wù)。

在空氣污染中，除了無機(jī)廢氣外，還有大量的有機(jī)廢氣。其中，揮發(fā)性有機(jī)化合物（Volatile Organic Compounds，簡稱“VOCs”）通常是指在101 325Pa標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，任何沸點(diǎn)低于或等于523.15K（250℃）的有機(jī)化合物。VOCs是一種復(fù)合性的組分氣體，是我國大氣環(huán)境中最主要的污染物之一。雖然VOCs在所有空氣污染物中所占比例并不高，但由于VOCs的有機(jī)特性，會嚴(yán)重影響人類身體健康；同時，VOCs也是造成空氣中PM2.5的重點(diǎn)前體物，是光化學(xué)煙霧等復(fù)合大氣污染的組成部分。工業(yè)生產(chǎn)中，VOCs的來源涉及石油化工、涂料、電子、涂裝、印刷、皮革等多種制造行業(yè)。而在這些制造行業(yè)中，VOCs的排放又體現(xiàn)出排放濃度高、廢氣排放量大、污染物種類多、持續(xù)時間長、環(huán)境影響大等特點(diǎn)，因此VOCs是空氣污染治理的重中之重。

VOCs導(dǎo)致的大氣污染已引起了我國政府的高度重視。2010年，國務(wù)院辦公廳發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)大氣污染聯(lián)防聯(lián)控工作改善區(qū)域空氣質(zhì)量指導(dǎo)意見的通知》（國辦發(fā)〔2010〕33號），強(qiáng)調(diào)了VOCs污染防治的重要性。自此，我國正式開始了針對揮發(fā)性有機(jī)物大氣污染的管控之路。

開展VOCs大氣污染的監(jiān)測（尤其是在線監(jiān)測）是環(huán)境保護(hù)監(jiān)管的手段之一，對于VOCs在線監(jiān)測設(shè)備和技術(shù)的研究尤為重要。近些年，我國開始在上海、天津、深圳等城市開展VOCs在線監(jiān)測的試點(diǎn)工作，而歐美發(fā)達(dá)國家早已將VOCs在線監(jiān)測系統(tǒng)作為大氣環(huán)境監(jiān)管方式的一種而廣泛應(yīng)用。相比之下，我國在VOCs在線監(jiān)測設(shè)備的技術(shù)研發(fā)以及應(yīng)用范圍上，與發(fā)達(dá)國家還有較大的差距。因此，提高VOCs在線監(jiān)測設(shè)備的技術(shù)有重要意義。本文旨在解析VOCs在線監(jiān)測系統(tǒng)（PID）的電路構(gòu)成，設(shè)計(jì)并組裝以光離子傳感器和STM32F103芯片為核心的PID光離子法監(jiān)測系統(tǒng)。

1.2 VOCs氣體檢測技術(shù)

VOCs監(jiān)測是對固定排放源揮發(fā)性有機(jī)物實(shí)施有效管控的重要手段。固定源VOCs在線監(jiān)測，依據(jù)監(jiān)測的內(nèi)容大致可分為兩類，一類是對VOCs排放總量的監(jiān)測；另一類是對VOCs組分的監(jiān)測。常見的測量分析技術(shù)有以下三種：

（1）氫火焰離子化檢測（FID）。檢測原理是被測VOCs氣體在氫氣和空氣混合燃燒的高溫狀態(tài)下發(fā)生化學(xué)電離，VOCs組分在高溫條件下形成正負(fù)離子，正負(fù)離子流被收集輸出，轉(zhuǎn)化為微弱電信號，再經(jīng)放大器放大，成為可測量有一定強(qiáng)度的電信號。

FID設(shè)備不對被測氣體產(chǎn)生選擇性，但其測量曲線線性較好。但此類設(shè)備有一定的局限性：體積大、重量沉，還需要另外配備一個氫氣瓶。另外，由于FID檢測原理的不同，其設(shè)備構(gòu)成復(fù)雜、價格較高、維護(hù)繁瑣，在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用并不廣泛。

（2）氣相色譜檢測。是一種色譜柱分離技術(shù)，通常使用惰性氣體作為檢測的流動相，固定相則是采用惰性固體作為載體，表面涂上薄薄的液體或聚合物，置入色譜柱內(nèi)。當(dāng)VOCs氣體樣品與固定相載體發(fā)生相互接觸，被分離的物質(zhì)隨惰性氣體流動，待測的VOCs氣體組分被吸附劑吸附或被定影液溶解，反復(fù)吸附或溶解之后，不同的組分物質(zhì)因保留時間的不同在色譜柱上呈現(xiàn)分離現(xiàn)象。此測定方法具有選擇性好、靈敏度高、分析速度快等特點(diǎn)，能滿足VOCs檢測的基本要求。但該檢測需要使用標(biāo)準(zhǔn)品試劑進(jìn)行定性，檢測方式較繁瑣，且需要?dú)庀嗌V儀，檢測成本高昂，不適合大范圍使用和推廣。

（3）光離子化檢測（PID）。檢測原理是VOCs氣體通過采樣管路進(jìn)入檢測器內(nèi)的離子化腔室，紫外燈將該氣體離子化為正負(fù)離子形成電流信號，微弱的電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號并放大。若預(yù)先對已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體和檢測電壓之間的近似線性關(guān)系進(jìn)行多點(diǎn)濃度標(biāo)定，擬合成函數(shù)曲線，則上述電壓值可對應(yīng)氣體濃度，得到被測氣體的濃度值。與FID相比，此法對氫氣等輔助氣體沒有任何要求，且有靈敏度高（可檢測億分之一濃度）、響應(yīng)速度快（響應(yīng)時間在3s左右）、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，因此常被應(yīng)用于現(xiàn)場在線監(jiān)測和便攜式儀器，也適合環(huán)境監(jiān)測部門的應(yīng)急監(jiān)測、危險氣體預(yù)警和室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測等。但此法也有缺點(diǎn)：氣體分子是被紫外燈電離，所以能被識別的氣體電離能不會超過紫外燈提供的能量，因此該法對一些短鏈烷烴類組分響應(yīng)極低[1]。

總體來說，上述檢測方式，氣相色譜檢測和FID技術(shù)的VOCs監(jiān)測技術(shù)由于設(shè)備體積大、造價高，后期維護(hù)麻煩（需要專業(yè)人員進(jìn)行維護(hù)），很難形成大氣污染防治的網(wǎng)格化監(jiān)管布局，難以在市場上有效推廣，對企業(yè)有很大的資金壓力。而PID法VOCs檢測設(shè)備，與其他檢測方法相比，具有攜帶方便、體積小巧、量程廣（1ppb到6000ppm）、精度高、響應(yīng)速度快、能夠連續(xù)測量、顯示實(shí)時數(shù)據(jù)、安全性高等優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)使得PID法VOCs檢測設(shè)備在大氣環(huán)境質(zhì)量的污染監(jiān)管中將會發(fā)揮更大的作用。

1.3 研究的主要內(nèi)容

從VOCs氣體檢測儀器的理論研究和實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，重點(diǎn)根據(jù)PID光離子檢測原理闡述該類設(shè)備電氣設(shè)計(jì)方案。主要內(nèi)容：1）介紹VOCs在線監(jiān)測的基本原理，解析VOCs污染源在線監(jiān)測設(shè)備（PID）的系統(tǒng)組成、基本電子器件、單元模塊，并了解其工作原理和要實(shí)現(xiàn)的功能，選擇控制方案。2）基于對電氣控制電路工作原理的理解，分析控制器（單片機(jī)）所要實(shí)現(xiàn)的功能作用，講解控制系統(tǒng)框圖和各單元控制方案。對系統(tǒng)的主要電氣控制電路的核心電路單元和軟件進(jìn)行闡述，包括單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、鍵盤接口電路、聲光報警電路等。3）搭建、組裝設(shè)備并進(jìn)行調(diào)試，檢驗(yàn)儀器是否能滿足測試要求，總結(jié)所完成的主要工作。

2 在線式VOCs檢測儀的基本理論

本文設(shè)計(jì)的VOCs在線氣體檢測儀硬件系統(tǒng)，以德國生產(chǎn)的氣體傳感器、采樣泵、轉(zhuǎn)子流量計(jì)及單片機(jī)為核心部件。該系統(tǒng)能實(shí)時不斷監(jiān)測空氣中的各種有機(jī)氣體濃度并顯示，并能根據(jù)設(shè)定的閾值在濃度超標(biāo)時及時報警。為揮發(fā)性有機(jī)物的排放源企業(yè)的治理和排放起到監(jiān)測和預(yù)防作用，為生態(tài)環(huán)境部門對大氣質(zhì)量環(huán)境起到監(jiān)督和管理的作用。

2.1 PID光離子檢測法

氣體分子在強(qiáng)電場下會電離，光電離檢測器（PID）通電后紫外光射入測試腔，被測氣體進(jìn)入腔室時，電離能小于紫外線轟擊能量的氣體分子會被電離，產(chǎn)生帶不同電荷的兩個基團(tuán)，帶電基團(tuán)受電極電場吸引，定向移動形成電流，微弱的電流信號經(jīng)運(yùn)放電路被數(shù)據(jù)處理器識別。已由標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度進(jìn)行過標(biāo)定的PID檢測設(shè)備具備數(shù)據(jù)分析能力，從而通過檢測電壓就可以確定VOCs濃度。分裂的基團(tuán)經(jīng)過電極后又重新結(jié)合成氣體分子，被抽出測試腔。而空氣中的主要成分（氮?dú)?、氧氣等無機(jī)成分）的電離能大于紫外光源所提供的能量，不能被電離，自然也不會對測量產(chǎn)生干擾。

2.2 PID法VOCs在線監(jiān)測系統(tǒng)的組成

（1）采樣和預(yù)處理單元：由取樣探頭、取樣管路、過濾器和取樣泵等組成。被取樣的氣體通過過濾器過濾掉粉塵及去除水分后，送到氣體控制器單元。

（2）氣體控制器單元：由氣路切換用的電磁閥和氣體流量計(jì)等部件組成。

（3）分析處理單元：由PID光離子化檢測器和外圍的小型數(shù)據(jù)處理器組成。

（4）數(shù)據(jù)處理及控制單元：包括數(shù)據(jù)采集處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)顯示及查詢、報警電路等軟件與硬件控制系統(tǒng)。

（5）其他組成：包括儀器所需的設(shè)備機(jī)柜、安裝固定裝置和平臺等。

2.2.1 采樣和預(yù)處理單元

待測氣體從采樣口由取樣泵抽入，探頭內(nèi)含有雜質(zhì)過濾器，可以過濾掉絕大部分的固體顆粒物雜質(zhì)，過濾后的待測氣體由伴熱管線加熱，再通過冷卻器冷凝，除去氣體中的水分，冷凝水通過小管被及時抽出。預(yù)處理好的氣體就可送至分析單元進(jìn)行分析。

2.2.2 氣體控制器單元

無論是標(biāo)定還是實(shí)時測量，都需要保證通過分析單元的氣體流量一定。氣體控制器可由轉(zhuǎn)子流量計(jì)實(shí)現(xiàn)。

2.2.3 分析處理單元

分析處理單元的主要部件是VOCs檢測傳感器，此部分是整個氣體監(jiān)測的核心組成，包括紫外燈、高靈敏度低噪聲檢測電路和微型電離室。紫外燈用于將待測氣體分子電離成帶電基團(tuán)，電極電路再將氣體的離子態(tài)濃度大小轉(zhuǎn)變?yōu)榭奢敵龅碾娦盘枏?qiáng)度。現(xiàn)采用4PID-100傳感器：量程達(dá)到100ppm、精度5ppb、靈敏度＞15mV/ppm、可檢測揮發(fā)性氣體和電離能小于等于10.6eV的氣體、工作電壓為3.3V±0.3V、輸出電壓為2.0±0.5V。

以上特性表明，PID傳感器的線性好、精度高、工作穩(wěn)定，其性能滿足工廠VOCs氣體檢測的基本要求，適宜大部分工廠環(huán)境，適合作為VOCs在線監(jiān)測的應(yīng)用推廣。

2.2.4 數(shù)據(jù)處理及控制單元

數(shù)據(jù)處理及控制單元是在線監(jiān)測設(shè)備執(zhí)行測量全過程的控制核心，設(shè)備硬件部分都受其控制?？刂茊卧暮脡闹苯佑绊懙秸麄€系統(tǒng)的運(yùn)行以及性能優(yōu)劣。工業(yè)上常用的控制方式為：微處理器（單片機(jī)）和可編程邏輯控制器（PLC控制器）。兩者都是不錯的控制選擇方案，但本設(shè)計(jì)是要對VOCs氣體濃度進(jìn)行連續(xù)檢測。對比之下，PLC更適用于單項(xiàng)工程和重復(fù)性少的項(xiàng)目。考慮到系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能、工作環(huán)境和成本因素，選用單片機(jī)作為主控制器較為合適。儀器工作框圖如圖1所示。

圖1 工作框圖

3 VOCs氣體檢測儀的控制模塊設(shè)計(jì)

在對VOCs氣體檢測儀控制對象分析的基礎(chǔ)上，利用單片機(jī)對控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到符合要求的控制系統(tǒng)。

3.1 單片機(jī)的選型

VOCs在線氣體監(jiān)測系統(tǒng)需要一塊微控制器芯片對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并通過液晶屏顯示出來，還要外接報警電路和儲存電路以實(shí)現(xiàn)其監(jiān)測功能，這就要求芯片不僅要有強(qiáng)大的計(jì)算能力，還要有豐富的I/O端口。設(shè)計(jì)采用意法半導(dǎo)體STM32F103增強(qiáng)型微控制器作為主控制器。STM32F103芯片使用的是基于ARM 32位的Cortex-M3 CPU，工作頻率最高可達(dá)到72MHz，內(nèi)置512K字節(jié)的閃存和64K字節(jié)的SRAM，芯片有充裕的增強(qiáng)I/O端口，3個12位的ADC，而且支持引腳復(fù)用和重映射功能，具有低功耗、高性能、低成本和豐富的片上資源等眾多優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種場合。

3.2 STM32最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)，也被稱為最小應(yīng)用系統(tǒng)，對于STM32F103單片機(jī)來說，最小系統(tǒng)包括單片機(jī)、電源電路、復(fù)位電路和時鐘電路。

3.2.1 電源電路

在這里我們也用最小的調(diào)整次數(shù)nk去保證在新一輪的仿真中解算器不會增加緩沖器的數(shù)量.在式(17)～式(20)中，下限已經(jīng)固定，所以我們僅僅壓縮這些調(diào)整值向其均值逼近即可降低緩沖器調(diào)整值的大小.

穩(wěn)定的電源是單片機(jī)正常工作的基礎(chǔ)，由于STM32F103單片機(jī)工作電壓為2.0～3.6V，傳感器的正常工作電壓為3.3V±0.3V，選擇3.3V作為芯片電路的供電電壓。直流電源將市電220V轉(zhuǎn)化為12V，再經(jīng)過降壓型直流電源變換器芯片XL2596輸出5V電壓，如圖2所示。輸出的電壓要供給單片機(jī)使用還需要進(jìn)一步降壓，故通過使用AMS1117-3.3V芯片將變整流濾波輸出的5V直流電壓轉(zhuǎn)化成至3.3V工作電壓。

圖2 12V降為5V電路圖

AMS1117-3.3V芯片是一個電壓調(diào)整器，固定輸出3.3V的穩(wěn)壓精度為1%，片內(nèi)提供過載過熱保護(hù)，適用于電池電源設(shè)備或小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。為了提高電路的穩(wěn)定性，在AMS1117-3.3V芯片電壓的輸入輸出端都增加了電容器，電源電路原理圖如圖3所示。

圖3 5V降為3.3V電路圖

圖3是三端穩(wěn)壓電路，從左至右依次是輸入、接地、輸出。輸入端的兩個電容C2和C3的作用是將輸入電壓整流，由前述可知輸入電壓已經(jīng)是+5V直流電了，C2和C3的作用就是防止斷電后出現(xiàn)電壓倒置，因此通常輸入電容的容量應(yīng)大于輸出電容。輸出端的兩個電容C4和C5作用是將輸出電壓濾波，能夠抑制自激振蕩，避免輸出振蕩波形[2]。

3.2.2 復(fù)位電路

對于一個單片機(jī)系統(tǒng)而言，復(fù)位電路必不可少。復(fù)位電路可以讓所有元器件恢復(fù)到初始狀態(tài)，使系統(tǒng)重新開始工作。對于STM32，只要能夠給RESET引腳加上低電平電壓單片機(jī)即可實(shí)現(xiàn)復(fù)位，主流的系統(tǒng)復(fù)位的方式有上電復(fù)位和按鍵手動復(fù)位。本設(shè)計(jì)采用手動復(fù)位方式，需要時可以手動復(fù)位重啟。此復(fù)位電路一般由復(fù)位按鍵、電阻、電容組成，將電阻和電容串聯(lián)，大小選用典型值10kΩ和0.1μF。電路穩(wěn)態(tài)時電容兩端電壓為3.3V，復(fù)位按鍵接在RESET引腳和地線之間，并聯(lián)在電容上即可實(shí)現(xiàn)。

3.2.3 時鐘電路

最小系統(tǒng)中另一個必不可少的是時鐘電路，此電路關(guān)系到單片機(jī)是否能正常工作，在STM32F103中，有5個時鐘源，分別為HSI、HSE、LSI、LSE、PLL。為了保證工作穩(wěn)定，需要用外部晶振。只需要布置外部高速時鐘（HSE）和外部低速時鐘（LSE）兩個外部晶振，一個是HES晶振，一般用來做PLL信號頻率加倍功用，大小是8兆赫茲，另一個也就是單片機(jī)經(jīng)常使用的低頻率的晶振，32.768kHz晶振，用于為單片機(jī)提供時鐘。圖4為時鐘電路，圖4（a）為高速外部時鐘圖、圖4（b）為低速外部時鐘。

圖4 時鐘電路

3.3 氣體采樣電路

氣體傳感器只能將氣體濃度轉(zhuǎn)化為電壓大小（模擬量），但是由于單片機(jī)并不能直接處理模擬信號，所以需要有模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，傳感器輸出的模擬電壓量通過一個簡單的電容濾波電路就能接入模數(shù)轉(zhuǎn)換接口。

前面已經(jīng)提到，STM32的單片機(jī)都自帶模數(shù)轉(zhuǎn)換通道，這些ADC可以直接使用。STM32F103單片機(jī)中有3個12位的ADC，12位能夠響應(yīng)最小的電壓變化量，由上述傳感器元件的靈敏度可知，當(dāng)監(jiān)測到的氣體中的VOC濃度變化為1ppm時，相應(yīng)的傳感器變化量大于15mV。如此一來，單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道完全能夠滿足精確度，并在濃度變化僅有1ppm時也能給出響應(yīng)，在傳感器線性良好的工作區(qū)內(nèi)甚至可以達(dá)到0.5ppm的精度。

本設(shè)計(jì)中，氣體傳感器輸出的是較大的電壓信號，濃度達(dá)到量程100ppm時有最大2.5V的電壓信號，芯片的ADC參考電壓可調(diào)，通過 外接引腳設(shè)置，也就是說當(dāng)VCC和VDDA同時接入3.3V穩(wěn)壓源后，參考電壓最大為3.3V，最小為2.4V。這種情況下選擇2.5V的電壓作為基準(zhǔn)電壓。如圖5所示，Pin1、Pin3分別是電源輸入、接地腳，Pin2是電壓信號輸出口，由于前述已提到傳感器能輸出較大的電壓信號，故傳感器信號不需要再額外成倍放大，經(jīng)過運(yùn)放穩(wěn)壓，增強(qiáng)帶載能力即可。

圖5 氣體采樣電路

3.4 按鍵電路

按鍵作為輸入設(shè)備是單片機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，也是最常用的人機(jī)交互方案之一。設(shè)備開/關(guān)機(jī)、復(fù)位（此處電路不包含復(fù)位鍵，復(fù)位鍵單獨(dú)設(shè)立）、查看數(shù)據(jù)、設(shè)置報警值、氣體標(biāo)定等所有功能的轉(zhuǎn)換，基本都需要借助人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)。鍵盤可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)成矩陣式鍵盤或獨(dú)立鍵盤。考慮到STM32單片機(jī)I/O口充裕以及減少浪費(fèi)，選用4個獨(dú)立式功能按鍵來實(shí)現(xiàn)輸入模塊。四個按鍵分別是功能模式鍵（MODE）、向上鍵（UP）、向下鍵（DOWN）和確認(rèn)鍵（ENTER）。

由于STM32端口直接作為輸入口，沒有內(nèi)置上拉電阻，所以加入四個上拉電阻（一般選用10kΩ大?。㏒1到S4，系統(tǒng)上電后，若沒有按鍵被按下，則四個I/O口通過上拉電阻連到高電平，輸入處理器的即為高電平；相反若有按鍵被按下，對應(yīng)的I/O口就會接地，輸入被拉低為低電平，從而CPU就能判斷是否有按鍵被按下以及確定按下的是哪一個按鍵。

3.5 串口通信模塊

單片機(jī)處理得到的濃度等數(shù)據(jù)信息，不僅要在液晶屏上顯示，還需顯示在電腦屏幕上。這就需要與PC端進(jìn)行通信。

串行通信接口作為單片機(jī)與其他設(shè)備傳送信息的標(biāo)準(zhǔn)接口，是實(shí)現(xiàn)氣體實(shí)時濃度在其他終端顯示的重要通訊接口。STM32F103內(nèi)置了3個通用同步/異步收發(fā)器（USART1、USART2和USART3），和2個通用異步收發(fā)器（UART4和UART5）。但由于筆記本電腦通常不帶串口，要通過USB總線實(shí)現(xiàn)與電腦的通信，可通過各種USB轉(zhuǎn)串口芯片，將電腦端的USB接口轉(zhuǎn)為RS232串口，這樣就可以與STM32上的USART1接口通過一根USB線進(jìn)行通信。

現(xiàn)采用CH340芯片實(shí)現(xiàn)接口轉(zhuǎn)換。CH340芯片由5V電壓供電，V3引腳接0.01μF電源退耦電容。芯片內(nèi)部有電源上電復(fù)位，由于具有USB的上拉電阻，所以CH340的5腳和6腳（D+和D-）可以直接接入USB端口。芯片需要時鐘信號，加入一個外部振蕩器在7和8引腳間，頻率大小為12MHz即可。

3.6 報警模塊

報警電路不像其他電路只要上電就一直工作或待機(jī)，這部分電路只有在檢測到當(dāng)前VOCs氣體濃度超過設(shè)定值時才開始工作。濃度超標(biāo)時單片機(jī)給通用口低電平，PNP三極管基極低電平，集射兩級導(dǎo)通，使蜂鳴器開始工作；發(fā)光二極管端口低電平開始工作，可通過程序使端口高低電平交替，并采用一定的延時，實(shí)現(xiàn)二極管的交替閃爍。電路圖如圖6所示。

圖6 聲光報警電路

報警分為聲報警和光報警，考慮到功能上可以實(shí)現(xiàn)一級預(yù)警（光報警）和二級預(yù)警（聲光報警），也為防止互相干擾，蜂鳴器和二極管接入不同的端口，由軟件控制。當(dāng)然，如需功率更大的報警裝置，可使用更高電壓更大功率的蜂鳴器和發(fā)光二極管，通過繼電器來實(shí)現(xiàn)弱電控制強(qiáng)電。當(dāng)被檢測氣體濃度超標(biāo)時，系統(tǒng)自動報警。

3.7 軟件（VOCs在線監(jiān)測排放濃度評估系統(tǒng)）

根據(jù)VOCs在線監(jiān)測功能需求編制了相應(yīng)的系統(tǒng)軟件，其設(shè)計(jì)為：系統(tǒng)24h不間斷工作，氣體采集模塊的傳感器探頭采集待測氣體所含的VOCs濃度、并將濃度信號送入單片機(jī)進(jìn)行處理，并將濃度值送LCD液晶顯示。當(dāng)濃度值超出預(yù)設(shè)閾值時自動切斷報警；否則，啟動電路正常工作。該系統(tǒng)不僅能顯示濃度，而且能生成報表。主程序流程圖和功能界面圖如圖7和圖8所示。

圖7 主程序流程

圖8 用戶界面

4 系統(tǒng)組裝及調(diào)試

4.1 系統(tǒng)的組裝

系統(tǒng)的硬件按照設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)搭建和組裝。市電通過三線接入進(jìn)線端子，需經(jīng)過浪涌保護(hù)器和空氣開關(guān)組成的保護(hù)電路，送入直流電源、繼電器和強(qiáng)電接線端子，采樣氣泵、抽水泵和繼電器直接接入220V，采樣氣泵由于長時間高轉(zhuǎn)速工作，為方便檢修和故障排查，需單獨(dú)設(shè)置一個空氣開關(guān)。繼電器控制信號由單片機(jī)控制模塊接入，輸出控制聲光報警。直流電源將220V交流電轉(zhuǎn)化為12V直流電，送入弱電接線端子，此12V直流電壓再供給傳感器穩(wěn)壓電路和單片機(jī)電源電路。

4.2 系統(tǒng)的調(diào)試

系統(tǒng)的硬件平臺搭建好后，需進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。系統(tǒng)調(diào)試就是要看系統(tǒng)是否能實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能，硬件調(diào)試分為電源電路調(diào)試和STM32F103最小系統(tǒng)電路調(diào)試兩大部分，為了保證檢測數(shù)據(jù)質(zhì)量的準(zhǔn)確性，調(diào)試還須包含儀器的標(biāo)定。

4.2.1 電源電路調(diào)試

由于系統(tǒng)是220V接入，如果未檢查線路就進(jìn)行上電操作，輕則會損壞芯片或元器件，重則可能燒壞整個系統(tǒng)甚至造成人員受傷。為避免危險和不必要的損失，系統(tǒng)通電前需要對線路板進(jìn)行接線檢查，過程繁瑣但十分必要。檢查主要從以下方面入手：1）首先檢查接入電纜，不同接線端子對應(yīng)不同顏色線纜，用萬用表測量各線路確保不會短路。2）其次檢查弱電部分，此部分要注意接線，用萬用表測量防止短路，否則可能燒壞元器件導(dǎo)致設(shè)備不能正常工作。

系統(tǒng)中有四種不同電源的電壓：220V交流電和+12V、+5V、+3.3V直流電。在完全通電前，可以先通電測試這些電源芯片是否能穩(wěn)壓輸出。穩(wěn)定的電壓是系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。

4.2.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路調(diào)試

STM32F103芯片是系統(tǒng)的主控制器，芯片組成的最小系統(tǒng)如果不能正常工作，將影響整個設(shè)計(jì)。最小系統(tǒng)包括電源電路、時鐘電路和復(fù)位電路。電源電路檢查后，只需用示波器測試時鐘是否穩(wěn)定。時鐘穩(wěn)定，單片機(jī)才能正常工作。

4.2.3 PID標(biāo)定

PID標(biāo)定是保證檢測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的一項(xiàng)重要工作。包括零點(diǎn)標(biāo)定和量程標(biāo)定。

零點(diǎn)標(biāo)定：可使用純氮?dú)饣蚣兛諝鈽?biāo)定儀器的量程零點(diǎn)。

量程標(biāo)定：使用異丁烯標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行0～100%的全量程標(biāo)定。異丁烯（C4H8）的分子量56，將ppm換算成mg/m3，換算公式為：

式中：A是要得到的濃度（mg/m3）值；M為相對分子質(zhì)量；E為ppm數(shù)。

所以100ppm的異丁烯換算后為250mg/m3。

由于PID檢測器的量程是0～100ppm，標(biāo)定時選擇空白氣體以及濃度為10ppm、20ppm、50ppm、70ppm和100ppm的異丁烯標(biāo)準(zhǔn)氣體分別通入儀器，記錄該標(biāo)準(zhǔn)氣體的濃度值的對應(yīng)AD值，輸入該濃度值就可完成對儀器的標(biāo)定。且標(biāo)定的次數(shù)越多，以后測得的數(shù)據(jù)會越準(zhǔn)確。標(biāo)定濃度與對應(yīng)的AD值記錄如下表所示。

標(biāo)氣濃度標(biāo)定校準(zhǔn)表

4.2.4 測試

分別通以50ppm的標(biāo)準(zhǔn)氣體和超過量程濃度為415.2mg/m3（≥125mg/m3）的混合VOCs氣體，結(jié)果為通入50ppm的標(biāo)準(zhǔn)氣體，其測試結(jié)果顯示為50.8ppm；通入超過量程的標(biāo)準(zhǔn)氣體，其結(jié)果為監(jiān)測設(shè)備開始聲光報警。

4.2.5 測試誤差及標(biāo)準(zhǔn)限值

50ppm的標(biāo)準(zhǔn)氣體經(jīng)測試結(jié)果為50.8ppm。根據(jù)《揮發(fā)性有機(jī)化合物光離子化檢測儀校準(zhǔn)規(guī)范》（JJF 1172—2007）要求，示值誤差△e=（A-As）/R×100%，應(yīng)小于±10%FS（FS為全量程）。計(jì)算本儀器的示值誤差為：

故該設(shè)備示值誤差的測試結(jié)果符合《揮發(fā)性有機(jī)化合物光離子化檢測儀校準(zhǔn)規(guī)范》（JJF 1172—2007）要求。

測試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)采用以PID光離子傳感器和STM32F103芯片為核心的監(jiān)測系統(tǒng)基本可滿足光離子化檢測器（PID）的技術(shù)要求。

5 結(jié)語

（1）通過研究VOCs氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)（PID）的構(gòu)成及電氣原理，包括電器元件應(yīng)用和控制模塊硬件、設(shè)計(jì)硬件電路和結(jié)構(gòu)，以期完成對VOCs氣體濃度的采集、數(shù)據(jù)精確顯示和超標(biāo)報警。

（2）利用PID檢測原理和單片機(jī)控制，查閱相關(guān)資料和手冊，闡述了采用4PID-100傳感器和STM32F103作為控制器搭建氣體監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)能夠檢測電離能小于10.6eV的氣體濃度并顯示。通過量程標(biāo)定與氣體測試，顯示的氣體濃度與實(shí)際標(biāo)定的氣體濃度相差較小，其示值誤差的測試結(jié)果符合《揮發(fā)性有機(jī)化合物光離子化檢測儀校準(zhǔn)規(guī)范》（JJF 1172—2007）要求。

（3）對VOCs在線監(jiān)測系統(tǒng)（PID）進(jìn)行電路解析，希望能為PID電路設(shè)計(jì)者及研發(fā)生產(chǎn)人員一定的幫助，以提高我國VOCs在線監(jiān)測設(shè)備的技術(shù)水平。