基于STM32和CC1101的受限空間關(guān)鍵氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng)

洪 濤，梁曉瑜

(中國(guó)計(jì)量大學(xué)計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，浙江杭州 310018)

0 引言

受限空間又稱有限空間或密閉空間，是指封閉或者部分封閉，與外界相對(duì)隔離，出入口較為狹窄，作業(yè)人員不能長(zhǎng)時(shí)間在內(nèi)工作，自然通風(fēng)不良，易造成有毒有害、易燃易爆物質(zhì)積聚或者氧含量不足的空間。受限空間因?yàn)槠渥鳂I(yè)環(huán)境情況復(fù)雜，空間狹小、通風(fēng)不暢、不利于氣體擴(kuò)散，故容易積聚有毒有害氣體，并且氧濃度與外界差別較大，容易發(fā)生中毒窒息事故。當(dāng)發(fā)生意外時(shí)，如果貿(mào)然進(jìn)入救援，或許會(huì)直接威脅到救援人員的生命安全［1］。

故本文設(shè)計(jì)了一種受限空間中氣體檢測(cè)裝置，它不僅具有實(shí)時(shí)檢測(cè)、顯示、報(bào)警等基礎(chǔ)功能，還具備數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸給外界監(jiān)控人員的功能，使得外部人員也能夠了解救援人員所處的環(huán)境信息，從而采取正確的措施應(yīng)對(duì)當(dāng)前情況，避免傷亡的擴(kuò)大。

1 電化學(xué)氣體測(cè)量原理

電化學(xué)傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖1所示

圖1 電化學(xué)傳感器結(jié)構(gòu)框圖

電化學(xué)傳感器主要由透氣膜、電極、電解液和過(guò)濾器組成。與傳感器產(chǎn)生反應(yīng)的目標(biāo)氣體透過(guò)過(guò)濾器和透氣膜到達(dá)工作電極并且在工作電極上發(fā)生氧化或還原反應(yīng)，發(fā)生電子的轉(zhuǎn)移，從而產(chǎn)生隨目標(biāo)氣體濃度成線性變化的電流［2］。為了使傳感電極電勢(shì)在長(zhǎng)時(shí)間工作中保持恒定，往往在傳感器內(nèi)部加入?yún)?/p>

考電極。

1.1 O2 電化學(xué)傳感器

O2電化學(xué)傳感器采用隔膜伽伐尼電池原理。這類傳感器由易極化的活潑金屬構(gòu)成陽(yáng)極，具有催化活性的金屬構(gòu)成陰極。

O2到達(dá)工作電極時(shí)，立即發(fā)生還原反應(yīng)，O2被還原成OH－。OH－通過(guò)電解液到達(dá)對(duì)電極，與Pb發(fā)生氧化反應(yīng)，生成pb(OH)2，同時(shí)釋放電子［3］。陰極和陽(yáng)極的反應(yīng)方程式分別如式(1)和式(2)所示。

總電池反應(yīng)如式(3)所示。

1.2 CO電化學(xué)傳感器

CO電化學(xué)傳感器的工作原理是:當(dāng)CO到達(dá)工作電極時(shí)，發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生H+，同時(shí)釋放電子。H+通過(guò)電解液到達(dá)對(duì)電極，發(fā)生氧化反應(yīng)。該過(guò)程的反應(yīng)方程式如式(4)和式(5)所示。

總電池反應(yīng)如式(6)所示。

1.3 H2S電化學(xué)傳感器

H2S電化學(xué)傳感器的工作原理是:當(dāng)H2S到達(dá)工作電極時(shí)，發(fā)生還原反應(yīng)，產(chǎn)生 H+，同時(shí)釋放電子。H+通過(guò)電解液到達(dá)對(duì)電極，發(fā)生氧化反應(yīng)。該過(guò)程的反應(yīng)方程式如式(7)和式(8)所示。

總電池反應(yīng)如式(9)所示。

上述所有過(guò)程中，電子的消耗和轉(zhuǎn)移可以產(chǎn)生電流，測(cè)量對(duì)應(yīng)電流的大小即可計(jì)算出目標(biāo)氣體的濃度。

2 總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)使用STM32F103RCT6微處理器，與電化學(xué)傳感器和CC1101無(wú)線傳輸模塊結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種受限空間氣體檢測(cè)裝置，主要具有以下功能:(1)能夠檢測(cè)CO、H2S這兩種常見(jiàn)的受限空間有毒氣體濃度和O2的濃度;(2)能夠?qū)舛刃畔@示在液晶顯示屏上;(3)具有聲音報(bào)警功能;(4)具有氣體濃度信息無(wú)線傳輸功能。本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)主要由2部分組成，分別是救援人員攜帶的檢測(cè)裝置，和置于外部的監(jiān)測(cè)裝置。檢測(cè)裝置主要包括:單片機(jī)的最小系統(tǒng)，電化學(xué)傳感器，信號(hào)處理芯片，TFTLCD液晶顯示屏，發(fā)光二極管和蜂鳴器。原理如下:當(dāng)電化學(xué)傳感器感知到外界的有害氣體后，會(huì)輸出隨氣體濃度變化的電流信號(hào)，電流信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理芯片后轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，電壓信號(hào)被單片機(jī)采集并經(jīng)過(guò)內(nèi)部的12位ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)計(jì)算后在液晶顯示屏上顯示，如果超過(guò)報(bào)警濃度則進(jìn)行聲光報(bào)警。與此同時(shí)，將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸芯片傳輸?shù)酵獠康谋O(jiān)測(cè)系統(tǒng)，方便外部人員實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且外部監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也具備報(bào)警功能。

3 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 微處理器

系統(tǒng)采用的2個(gè)微處理器都是STM32F103RCT6芯片，該芯片是32位ARM微控制器，以Cortex－M3為核心，速度高達(dá)72 MHz，滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性需求。并且該芯片具有3個(gè)12位ADC，3個(gè)SPI接口，2個(gè)I2C接口，5個(gè)串口，48 KB的SRAM和256 KB的FLASH，方便與LMP91000信號(hào)處理芯片和CC1101無(wú)線傳輸芯片進(jìn)行通信［4］。微處理器與晶振、復(fù)位電路、電源和程序燒錄口構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)。

3.2 電化學(xué)傳感器

目前市場(chǎng)上檢測(cè)有毒氣體的檢測(cè)儀器大多數(shù)都使用電化學(xué)傳感器。電化學(xué)傳感器具有良好的重復(fù)性、準(zhǔn)確性和分辨率，精度高、功耗低，并且比大多數(shù)其他氣體檢測(cè)技術(shù)更經(jīng)濟(jì)［5］。本設(shè)計(jì)使用4系氧氣傳感器 AAY80－390R 和4CO－500、4H2S－100傳感器。O2電化學(xué)傳感器是雙引腳傳感器，分別是對(duì)電極(C)和工作電極(W)。CO和H2S電化學(xué)傳感器是三引腳傳感器，分別是對(duì)電極、工作電極和參考電極(R)。電化學(xué)氣體傳感器可輸出隨濃度成線性變化的電流信號(hào)。

3.3 信號(hào)處理芯片

由于電化學(xué)傳感器輸出的是電流信號(hào)，需要把它轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，所以需要進(jìn)行信號(hào)處理。電化學(xué)傳感器具有經(jīng)典的調(diào)理電路，如圖3所示。

圖3 電化學(xué)傳感器經(jīng)典調(diào)理電路

但是該調(diào)理電路需要改變反饋電阻來(lái)適應(yīng)不同傳感器的電壓輸出，使得電路的統(tǒng)一性不高，并且過(guò)于復(fù)雜［6］。故本系統(tǒng)采用了LMP91000芯片作為電化學(xué)傳感器的輸出信號(hào)處理核心。LMP91000芯片是一款可編程模擬前端(AFE)，專門適用于微功耗電化學(xué)感測(cè)應(yīng)用。該芯片的引腳配置如圖4所示。

圖4 芯片引腳配置

該芯片中主要有5個(gè)寄存器，分別是狀態(tài)寄存器、保護(hù)寄存器、TIA控制寄存器、參考控制寄存器和模式控制寄存器，配置這些寄存器可以設(shè)置各種參數(shù)。

LMP91000與微處理器是通過(guò)I2C協(xié)議進(jìn)行通信。當(dāng)有多個(gè) LMP91000與微控制器連接時(shí)，將所有LMP91000的SCL和SDA引腳都與微控制器的同一對(duì)SCL和SDA引腳連接，各芯片的MENB引腳與微控制器不同的I/O口連接，通過(guò)控制MENB的高低電平，從而控制微控制器與LMP91000通訊。圖5顯示了當(dāng)多個(gè)LMP91000連接到I2C總線上的典型連接方式。

圖5 多個(gè)LMP91000與I2C總線的連接

電化學(xué)傳感器與LMP91000的電路連接如圖6(a)和6(b)所示。

圖6 電化學(xué)傳感器連接圖

圖6 中的SDA與SCL用作I2C通信的接口。MENB是使能引腳，VOUT輸出的是電壓信號(hào)并輸入到單片機(jī)的ADC接口進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。AGND和DGND通過(guò)0 Ω的電阻相連，實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)接地。

3.4 液晶顯示屏

本系統(tǒng)采用的是ALIENTEK TFTLCD模塊，用來(lái)顯示氣體濃度數(shù)據(jù)。電路連接圖如圖7所示［7］。

圖7 TFTLCD模塊連接圖

3.5 聲光報(bào)警電路

聲光報(bào)警電路連接圖如圖8所示。

圖8 聲光報(bào)警電路

當(dāng)周圍濃度超過(guò)預(yù)設(shè)濃度時(shí)，PA8輸出高電平，三極管的基級(jí)電壓大于開(kāi)啟電壓，使三極管導(dǎo)通，故發(fā)光二極管和蜂鳴器都工作［8］。

3.6 無(wú)線傳輸芯片

現(xiàn)在無(wú)線傳輸?shù)募夹g(shù)有Wi－Fi，藍(lán)牙，Zigbee和自定義(如433M)。相比之下，433M的傳輸距離遠(yuǎn)，復(fù)雜性不高，可靠性高，傳輸速率快，設(shè)備成本低，繞射性好［9］，十分適用于在受限空間中的數(shù)據(jù)傳輸。故本文采用的是CC1101無(wú)線傳輸芯片。

CC1101是一款低成本的1 GHz以下的射頻收發(fā)器，專為超低功耗無(wú)線應(yīng)用設(shè)計(jì)。該芯片主要用于315 MHz，433 MHz，868 MHz 和 915 MHz 的 ISM 和SRD頻段，特別適和于針對(duì)通信設(shè)備的無(wú)線應(yīng)用。本系統(tǒng)使用工業(yè)級(jí)CC1101無(wú)線模塊，具有標(biāo)準(zhǔn)SMA天線接口，實(shí)物圖如圖9所示。

圖9 工業(yè)級(jí)CC1101模塊

CC1101的內(nèi)部寄存器繁多，但是用Smart R F Studio 7軟件配置寄存器，可以大大簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)流程。微處理器通過(guò)I/O口模擬4線SPI接口(CS，MOIS，MISO，SCK)時(shí)序來(lái)控制CC1101芯片進(jìn)行通訊。

3.7 電源電路

本裝置的單片機(jī)、信號(hào)處理芯片和液晶模塊均使用3.3 V供電。故采用AMS1117－3.3V芯片將干電池電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V電壓［10］。電源電路圖如圖10所示。

圖10 電源電路圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 主程序

主程序主要包括系統(tǒng)初始化，氣體信息濃度采集，信號(hào)處理，無(wú)線收發(fā)，液晶顯示，超標(biāo)報(bào)警等子程序。具體流程圖如圖11所示。

4.2 信號(hào)處理芯片程序

LMP91000的程序流程圖如圖12所示。

系統(tǒng)通電后，先對(duì)LMP91000初始化，讀取其狀態(tài)寄存器，若為1，則準(zhǔn)備接受I2C命令。芯片啟動(dòng)后，把鎖定寄存器置0，使能寫入TIACN和REFCN寄存器。然后配置各個(gè)寄存器，設(shè)置負(fù)增益阻抗、反饋電阻、內(nèi)部零點(diǎn)、偏置、參考源和操作模式，最后鎖定寄存器置1，禁止寫入TIACN和REFCN寄存器。配置完成后從芯片的VOUT引腳讀取轉(zhuǎn)換后的電壓值。其中電壓值與電化學(xué)傳感器的輸出電流關(guān)系如下:

圖11 主程序流程圖

圖12 LMP91000程序流程圖

式中:Vref_div為內(nèi)部零點(diǎn)選擇后的參考電壓;Vout為輸出電壓;RTIA為負(fù)增益阻抗;Iwe為電化學(xué)傳感器輸出電流。

4.3 無(wú)線傳輸程序

數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸需要用到2個(gè)無(wú)線模塊。一個(gè)負(fù)責(zé)在受限空間內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，一個(gè)負(fù)責(zé)在外部接收數(shù)據(jù)。通信開(kāi)始時(shí)，先對(duì)CC1101進(jìn)行復(fù)位，再編寫SPI寫寄存器、SPI連續(xù)寫配置寄存器、SPI寫命令等函數(shù)對(duì)CC1101進(jìn)行設(shè)置和操作，包括數(shù)據(jù)包處理，發(fā)送功率設(shè)置，調(diào)制方式等。

無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送與接收流程圖分別如圖13(a)和圖13(b)所示。

圖13 無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送與接收流程圖

無(wú)線發(fā)送部分代碼:

void halRfSendPacket(INT8U*txBuffer，INT8U size){

halSpiWriteBurstReg(CC1101_TXFIFO，txBuffer，size);

halSpiStrobe(CC1101_STX);

while(!GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC，GPIO_Pin_GD0));

while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC，GPIO_Pin_GD0));

halSpiStrobe(CC1101_SFTX);}

無(wú)線接收部分代碼:

INT8U halRfReceivePacket(INT8U*rxBuffer，INT8U*length){

INT8U status［2］;

INT8U packetLength;

INT8U i=(*length)*4;

halSpiStrobe(CC1101_SRX);

Delay(5);

while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA，GPIO_Pin_GD0)){

Delay(2);

－－i;

if(i＜1)

return 0;}

if((halSpiReadStatus(CC1101_RXBYTES)＆BYTES_IN_RXFIFO)){

packetLength=halSpiReadReg(CC1101_RXFIFO);

if(packetLength＜=*length){

halSpiReadBurstReg(CC1101_RXFIFO，rxBuffer，packetLength);

*length=packetLength;

halSpiReadBurstReg(CC1101_RXFIFO，status，2);

halSpiStrobe(CC1101_SFRX);

return(status［1］＆ CRC_OK);}

else{

*length=packetLength;

halSpiStrobe(CC1101_SFRX);

return 0;}}

else

return 0;}

5 實(shí)驗(yàn)與分析

5.1 硬件調(diào)試

本系統(tǒng)的硬件電路使用Altium Designer軟件繪制，并且用該軟件繼而繪制好PCB原理圖，交給生產(chǎn)工廠進(jìn)行制作。為了方便調(diào)試，將3個(gè)電化學(xué)傳感器插入針腳安裝在印刷電路板的背面。焊接元器件后，用萬(wàn)用表確保硬件電路沒(méi)有問(wèn)題情況下，再進(jìn)行程序的燒錄和調(diào)試。氣體檢測(cè)部分的實(shí)物圖如圖14(a)和圖14(b)所示。

圖14 PCB實(shí)物圖

本系統(tǒng)的電化學(xué)傳感器在測(cè)量前先經(jīng)過(guò)48 h的老化處理，并且預(yù)熱后通過(guò)流量計(jì)送入99.999%的純氮?dú)庑?zhǔn)零點(diǎn)。圖15是放在潔凈大氣中液晶顯示屏的顯示界面。

5.2 誤差測(cè)試

將不同濃度的待測(cè)氣體通過(guò)標(biāo)定嘴送給傳感器，待檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到的濃度數(shù)值穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)。測(cè)試的數(shù)據(jù)表明，進(jìn)行檢測(cè)的各待測(cè)氣體濃度數(shù)值均在合理的誤差范圍內(nèi)。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

圖15 潔凈大氣中液晶顯示界面

表1 誤差測(cè)試數(shù)據(jù)表

5.3 穩(wěn)定性測(cè)試

由于3種氣體的穩(wěn)定性原理相似，所以僅以O(shè)2為例作為該裝置穩(wěn)定性的測(cè)試。將裝置置于潔凈大氣中(O2濃度為20.90%)，每隔2 h記錄1次數(shù)據(jù)，共記錄5次。測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 氧氣穩(wěn)定性測(cè)試數(shù)據(jù)表 %

如表2所示，5次測(cè)量中最小值是20.70%，最大值是21.09%，穩(wěn)定度為0.39%，符合穩(wěn)定性要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的受限空間氣體檢測(cè)裝置可以實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵氣體的檢測(cè)，無(wú)線傳輸，液晶屏顯示，超標(biāo)報(bào)警等功能。與傳統(tǒng)的電化學(xué)傳感器檢測(cè)電路相比，使用LMP91000芯片進(jìn)行信號(hào)處理，大大降低了電路的復(fù)雜性，提高了系統(tǒng)的可靠性與測(cè)量精度。施救人員身上的檢測(cè)裝置可以通過(guò)433 MHz頻段的無(wú)線傳輸，第一時(shí)間傳輸?shù)酵獠康谋O(jiān)測(cè)人員的終端上，可以使救援團(tuán)隊(duì)及時(shí)了解當(dāng)前情況，從而采取相應(yīng)的措施，在受限空間救援中有一定的實(shí)用性。