基于STM32的工業(yè)有毒有害氣體檢測系統(tǒng)

劉 波，趙曉慶

（山東工商學(xué)院 信息與電子工程學(xué)院，山東 煙臺 264003）

0 引 言

伴隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，人類各方面的發(fā)展水平都有了顯著提升。但與人類發(fā)展相對應(yīng)的，是自然環(huán)境的污染越來越嚴(yán)重，最為顯著的是大氣質(zhì)量急劇惡化。環(huán)境問題已經(jīng)不單單是一個(gè)國家的責(zé)任，而是上升為全人類的責(zé)任。當(dāng)前，對大氣環(huán)境和人類身體健康產(chǎn)生嚴(yán)重危害的就是工業(yè)排放的有毒有害氣體，比如硫化氫、氨氣、總揮發(fā)性有機(jī)物等。20世紀(jì)以來，工業(yè)大發(fā)展，尤其是重工業(yè)的發(fā)展，化石燃料的燃燒排放大量有毒有害的氣體，對人類和全球環(huán)境的危害極其嚴(yán)重。人類已經(jīng)意識到問題的嚴(yán)重性，植樹造林、退耕還林、減少排放等政策正在施行，同時(shí)加強(qiáng)監(jiān)測、凈化空氣也勢在必行[1]。

本文設(shè)計(jì)了一種集H2S（硫化氫）、NH3（氨氣）、TVOC（總揮發(fā)性有機(jī)物）于一體的工業(yè)有毒有害氣體檢測系統(tǒng)，它不僅具有實(shí)時(shí)檢測、顯示、報(bào)警等基礎(chǔ)功能，還具備遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸功能，使得外部人員能夠?qū)崟r(shí)了解工業(yè)環(huán)境信息。如遇到氣體泄漏等緊急情況，能夠盡快采取相應(yīng)的處理措施，將大大減少人員傷亡和環(huán)境污染[2]。

1 總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)能夠在混合氣體中同時(shí)檢測3類氣體的濃度（H2S、NH3和TVOC）。首先，氣室收集混合氣體，氣室內(nèi)設(shè)有H2S、NH3和TVOC三類氣體傳感器，除此之外，氣室內(nèi)還設(shè)置了溫濕度傳感器，以檢測當(dāng)前環(huán)境的溫度和濕度?；旌蠚怏w與相應(yīng)氣體傳感器進(jìn)行充分接觸后，檢測的氣體濃度信號經(jīng)傳感器內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)后，產(chǎn)生與氣體濃度呈線性關(guān)系的微弱電流信號[3]，經(jīng)調(diào)理電路處理得出相應(yīng)的電壓值，送入STM32F103VET6的ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后通過OLED顯示。同時(shí)，還可以通過藍(lán)牙將檢測結(jié)果傳送到手機(jī)APP進(jìn)行分析處理。

系統(tǒng)將STM32F103VET6微處理器與傳感器和無線傳輸模塊結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種有毒有害氣體檢測裝置，主要具有以下功能：

（1）能夠精準(zhǔn)檢測H2S、NH3和TVOC等常見的工業(yè)有毒有害氣體的濃度；

（2）能夠?qū)舛刃畔@示在OLED顯示屏上；

（3）具有聲音報(bào)警功能；

（4）具有氣體濃度信息無線藍(lán)牙傳輸功能。

本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 微處理器

系統(tǒng)采用的處理器為STM32F103VET6，該芯片為32位ARM微控制器，以Cortex-M3為核心，頻率高達(dá)72 MHz，可滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性需求[4]。該芯片有3個(gè)12位ADC，3個(gè)SPI接口，2個(gè)I2C接口，5個(gè)串口，以及48 KB的SRAM和256 KB的FLASH，便于無線通信[5]。STM32F103VET6最小系統(tǒng)電路如圖2所示。

圖2 STM32F103VET6最小系統(tǒng)電路

2.2 傳感器

本設(shè)計(jì)采用電化學(xué)傳感器對H2S和NH3進(jìn)行檢測，用PID（光離子化檢測器）對TVOC進(jìn)行檢測。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，相比其他氣體檢測方式更經(jīng)濟(jì)；PID傳感器具有精度高、響應(yīng)速度快、壽命長、對檢測氣體無破壞等優(yōu)點(diǎn)[6-7]。此外，系統(tǒng)還配備了溫濕度傳感器，以便隨時(shí)監(jiān)測環(huán)境的溫度和濕度。PID傳感器電路如圖3所示，溫濕度傳感器電路如圖4所示。

圖3 PID傳感器電路

圖4 溫濕度傳感器電路

2.3 電源模塊

本裝置采用外接電源和電池雙供電，電源輸入電壓為24 V，電源輸入電路如圖5所示，傳感器電源電路如圖6所示。

圖5 24 V電源輸入電路

圖6 傳感器電源電路

2.4 通信模塊

通信模塊電路WH-BLE103通過超低功耗藍(lán)牙4.2模塊完成與上位機(jī)的通信，利用藍(lán)牙通信將數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和分析。WH-BLE103模塊電路如圖7所示。

圖7 藍(lán)牙模塊電路

2.5 顯示模塊

設(shè)備通過OLED顯示，具有良好的人機(jī)交互界面。隨著顯示技術(shù)的發(fā)展，人們對信息顯示方式的要求也不再局限于數(shù)字，還包括字符、漢字和圖片等。OLED顯示屏因功耗低、顯示內(nèi)容豐富而得到廣泛使用。本設(shè)計(jì)選擇一款128×64的點(diǎn)陣OLED，其電路如圖8所示。

圖8 OLED顯示電路

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序

主程序主要包括系統(tǒng)初始化、傳感器采集、信號處理、無線收發(fā)、液晶顯示、超標(biāo)報(bào)警等子程序。系統(tǒng)采集氣體并檢測H2S、NH3、TVOC的濃度，通過對比分析后，由OLED屏顯示檢測值，并通過藍(lán)牙傳輸，將數(shù)據(jù)信息發(fā)送至手機(jī)APP，方便人們隨時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)。系統(tǒng)主程序流程如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)主程序流程

3.2 通信模塊軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用藍(lán)牙連接上位機(jī)與設(shè)備，上位機(jī)與設(shè)備之間的通信協(xié)議命名為JMQ102，能夠傳輸?shù)拿铑愋蜑椋耗Ｊ皆O(shè)置、發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、讀取校準(zhǔn)參數(shù)、參數(shù)寫入設(shè)備、重置相應(yīng)傳感器參數(shù)、讀取設(shè)備信息、修改設(shè)備信息、主動發(fā)送環(huán)境參數(shù)、主動發(fā)送設(shè)備時(shí)間以及時(shí)間同步。JMQ102校準(zhǔn)通信協(xié)議如圖10所示。

圖10 JMQ102校準(zhǔn)通信協(xié)議

4 實(shí)驗(yàn)與分析

4.1 硬件調(diào)試

本系統(tǒng)的硬件電路和PCB原理圖使用Altium Designer軟件繪制[8]。為方便調(diào)試，將3個(gè)傳感器安裝在電路板上，焊接元器件后，用萬用表測試，在確保硬件電路正常的情況下，燒錄程序并調(diào)試[9]。氣體檢測部分的實(shí)物如圖11所示。

圖11 測試實(shí)物

4.2 手機(jī)APP

測試人員可在手機(jī)APP上設(shè)置相應(yīng)參數(shù)并獲取各氣體的濃度信息，隨時(shí)了解工業(yè)環(huán)境氣體濃度并及時(shí)做出響應(yīng)。手機(jī)APP信息界面如圖12所示。

圖12 APP信息界面

4.3 儀器測試

選擇的測試環(huán)境溫度為20 ℃，濕度為50%RH。將不同濃度的待測氣體通過氣室送給傳感器，待檢測系統(tǒng)檢測到的濃度數(shù)值穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)。測試數(shù)據(jù)表明，進(jìn)行檢測的各待測氣體濃度數(shù)值均處于合理的誤差范圍內(nèi)。測試結(jié)果見表1所列。

表1 測試誤差數(shù)據(jù)表

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的工業(yè)有毒有害氣體檢測裝置可以實(shí)現(xiàn)多種氣體的檢測與精準(zhǔn)監(jiān)測，與傳統(tǒng)的氣體檢測裝置相比，該裝置集H2S、NH3、TVOC傳感器于一體，測量精度高，操控方便，還可無線傳輸數(shù)據(jù)，大大提高了系統(tǒng)的工作效率。在工業(yè)園區(qū)開放環(huán)境中，系統(tǒng)內(nèi)部的藍(lán)牙模塊可第一時(shí)間將實(shí)時(shí)信息傳輸?shù)奖O(jiān)測人員終端，一旦有氣體泄漏，可以立即采取相應(yīng)措施，減少人員傷亡與環(huán)境污染[10]。