化工園區(qū)無(wú)機(jī)有毒氣體分析儀的設(shè)計(jì)*

蔣旭偉，虞啟凱，韓江義，楊紅鑫

（1. 南京科技職業(yè)學(xué)院智能制造學(xué)院， 南京 210048；2. 江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院， 江蘇鎮(zhèn)江 212013）

0 引言

電力、煤炭以及石油化工等工業(yè)園區(qū)容易產(chǎn)生大量易燃易爆、有毒有害氣體，是污染氣體排放的重點(diǎn)分布區(qū)域[1]。煙氣的有組織和無(wú)組織排放必須符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定，因此，對(duì)這些有害氣體進(jìn)行及時(shí)、精確地監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)是許多企業(yè)安全生產(chǎn)中的重要一環(huán)。在工業(yè)園區(qū)，如果能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的環(huán)境監(jiān)測(cè)，一方面能夠及時(shí)了解各種氣體特征污染物的濃度和排放量，從而減少偷排現(xiàn)象；另一方面能給企業(yè)工藝的改進(jìn)提供真實(shí)有效的數(shù)據(jù)來(lái)源，從而促進(jìn)節(jié)能減排[2]。由此可見(jiàn)，不論政府相關(guān)部門(mén)還是企業(yè)管理層，對(duì)環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)、預(yù)警及應(yīng)急指揮等都有較高需求。因此，如何研究并設(shè)計(jì)出適用于化工園區(qū)廠界的氣體分析儀已成為當(dāng)今環(huán)保監(jiān)測(cè)的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

通常在大氣環(huán)境檢測(cè)中，被測(cè)試的氣體是以混合氣體形式存在，成分復(fù)雜，研究出同時(shí)檢測(cè)多種有毒有害氣體的檢測(cè)儀尤為迫切[3]。但目前，我國(guó)分析儀器市場(chǎng)上有毒氣體分析儀還不常見(jiàn)，檢測(cè)組分單一，且產(chǎn)品技術(shù)更新緩慢。本文針對(duì)上述問(wèn)題，研發(fā)一款適用于化工園區(qū)的無(wú)機(jī)有毒氣體分析儀具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 儀器總體設(shè)計(jì)

1.1 功能需求

通過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)需求，對(duì)所設(shè)計(jì)的儀器提出總體功能需求，具體如下。

（1）采集功能：傳感器信號(hào)采集部分的設(shè)計(jì)盡可能靈活，用于擴(kuò)展其他有毒氣體的檢測(cè)。

（2）顯示功能：實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括氣體濃度、環(huán)境的溫濕度、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)等。出現(xiàn)多任務(wù)時(shí)儀器應(yīng)具備良好的處理能力和實(shí)時(shí)性。人機(jī)交互界面友好，支持中文界面操作，降低現(xiàn)場(chǎng)工作人員使用難度。采用觸摸屏，方便設(shè)置各種功能參數(shù)。

（3）通信功能：與現(xiàn)有設(shè)備兼容，集成可靠的RS485 通訊，可將分析儀檢測(cè)到的信息傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，同時(shí)上位機(jī)用戶也可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定和修改。

（4）預(yù)警功能：可為所檢測(cè)的有毒氣體濃度預(yù)設(shè)報(bào)警閾值，當(dāng)氣體濃度超限后，分析儀自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警裝置。

（5）記事本功能：可存放軟件設(shè)計(jì)中的變量信息，當(dāng)系統(tǒng)掉電后，分析儀所設(shè)的參數(shù)、氣體濃度、溫濕度、報(bào)警等信息可自動(dòng)保存，方便后續(xù)查詢。

（6）掉電保護(hù)功能：保證在掉電后，用戶設(shè)定的數(shù)據(jù)以及記事本中的數(shù)據(jù)不丟失。

1.2 性能指標(biāo)

本文研究的氣體分析儀應(yīng)具備如下指標(biāo)。

（1）儀器適用于化工園區(qū)排放有毒氣體頻繁的場(chǎng)所，符合工業(yè)儀表標(biāo)準(zhǔn)，精度等級(jí)不低于2.5。

（2）可同時(shí)檢測(cè)4 種無(wú)機(jī)有毒氣體，濃度測(cè)量范圍：硫化氫0～100 mg/L，氨氣0～100 mg/L，氯化氫0～20 mg/L，氟化氫0～10 mg/L。

（3）儀器預(yù)熱時(shí)間不超過(guò)5 min，且具備標(biāo)定與校準(zhǔn)功能。

（4）至少支持4 路可編程繼電器輸出用于聲光報(bào)警和氣閥控制。

（5）儀器使用過(guò)程中可存儲(chǔ)參數(shù)設(shè)置、聲光報(bào)警、維護(hù)提醒等歷史信息，且記錄條數(shù)不少于100條。

（6）液晶顯示器支持觸摸操作，界面應(yīng)包括氣體實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面、菜單選擇界面、標(biāo)定與校準(zhǔn)界面、通信界面、參數(shù)設(shè)置界面等。

2 硬件設(shè)計(jì)

該氣體分析儀以低功耗、高可靠性為切入點(diǎn)，依據(jù)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)的要求，結(jié)合氣體檢測(cè)技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)理論，選用ARM系列高性能、低功耗工業(yè)級(jí)芯片STM32F429作為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心處理單元[4]。該芯片主頻高達(dá)180 MHz，擁有豐富的ADC、DAC、USART、SPI、I2C、CAN 等片內(nèi)外設(shè)資源，為開(kāi)發(fā)帶來(lái)諸多便利。傳感器信號(hào)調(diào)理模塊選用雙通道精密集成運(yùn)放AD8572，具備功耗低、噪聲低、電流輸入偏置極低等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊采用美國(guó)Mircon 公司的M25PE80 芯片，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)年限可達(dá)20 多年。人機(jī)交互通過(guò)7 寸彩色觸摸屏GL25U070AT8048T實(shí)現(xiàn)。聲光報(bào)警通過(guò)繼電器控制外圍設(shè)備，如光路報(bào)警和蜂鳴器報(bào)警等。儀器硬件框圖如圖1所示。

圖1 硬件框圖

2.1 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

該儀器針對(duì)的4 種有毒氣體檢測(cè)均采用電化學(xué)氣體傳感器，其采用恒電位電解原理，輸出為微安級(jí)電流信號(hào)。目前，微安級(jí)電流檢測(cè)的經(jīng)典方法有運(yùn)算放大器法、場(chǎng)效應(yīng)管法、穩(wěn)壓器法、開(kāi)關(guān)電容積分法[5]。本設(shè)計(jì)以ADI公司的精密集成運(yùn)放AD8572為核心設(shè)計(jì)恒電位電路及I-V轉(zhuǎn)換電路，從而實(shí)現(xiàn)微安級(jí)電流轉(zhuǎn)換為伏級(jí)電壓。最后，再次通過(guò)運(yùn)算放大器進(jìn)行放大、濾波后，將信號(hào)傳入微控制器的ADC進(jìn)行處理。雙通道四路放大器AD8572采用5 V/2.7 V單電源供電，工作溫度范圍內(nèi)（-40～125 ℃）偏置電壓最低可達(dá)1 μA，輸入偏置電流不超過(guò)20 pA，輸入偏置漂移為0.005 μV/℃[6]。此外，該芯片的開(kāi)環(huán)增益高達(dá)130 dB，可保證信號(hào)放大更為準(zhǔn)確。信號(hào)調(diào)理電路如圖2所示。

圖2 信號(hào)調(diào)理電路

2.2 GLCD顯示電路設(shè)計(jì)

在對(duì)有毒氣體監(jiān)測(cè)的過(guò)程中，為了使現(xiàn)場(chǎng)工作人員能夠更加直觀、清晰地觀測(cè)到化工園區(qū)目標(biāo)氣體的各項(xiàng)參數(shù)，并進(jìn)行相關(guān)決策，本設(shè)計(jì)選用帶觸摸功能的GLCD彩色液晶顯示屏。該顯示器采用5 V供電，四線制的SPI通訊方式與主控芯片進(jìn)行指令交互，其中每條通訊線均需串聯(lián)電阻，以增加阻抗，防止信號(hào)過(guò)沖，其接口電路如圖3所示。

圖3 GLCD接口電路

2.3 外部存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)模塊選用美國(guó)Mircon 公司的M25PE80 芯片。該芯片采用2.7～3.6 V供電，容量為8 Mbit，由16個(gè)扇區(qū)組成，每個(gè)扇區(qū)分為256頁(yè)，可提供超過(guò)105次的數(shù)據(jù)寫(xiě)入和擦除操作[7]。支持頁(yè)編程，每頁(yè)256 Byte，頁(yè)編程的典型時(shí)間為0.8 ms。芯片擦除的最小單位為1個(gè)扇區(qū)，同時(shí)支持整片擦除，整片擦除的時(shí)間為13 s。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)年限可達(dá)20年。M25PE80 支持標(biāo)準(zhǔn)四線制SPI 通訊，采用全雙工通信，數(shù)據(jù)按位傳輸，高位在前，低位在后，其硬件電路如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路

2.4 聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì)

聲光報(bào)警電路采用警示燈和蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，通過(guò)視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)讓工作人員能夠直觀地感受到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的危險(xiǎn)程度，警示作用明顯。為滿足氣體分析儀多樣化的控制要求，本文設(shè)計(jì)繼電器接口用于控制如報(bào)警、氣閥開(kāi)關(guān)等外圍設(shè)備。繼電器選用AXICOM 公司的額定電壓為12 V 的電磁繼電器。由于繼電器驅(qū)動(dòng)電流較大且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出MCU驅(qū)動(dòng)能力，需增加一個(gè)達(dá)林頓管ULN2003。電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 聲光報(bào)警電路

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)運(yùn)行與線程劃分

儀器的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化、分層設(shè)計(jì)的思想，分為硬件驅(qū)動(dòng)層、操作系統(tǒng)層和應(yīng)用層，軟件架構(gòu)如圖6所示。底層硬件驅(qū)動(dòng)層按模塊封裝成類似庫(kù)函數(shù)，提供API 給功能模塊調(diào)用，方便后期的移植和開(kāi)發(fā)。操作系統(tǒng)層主要負(fù)責(zé)任務(wù)線程的調(diào)度，降低程序開(kāi)發(fā)的難度。應(yīng)用層按系統(tǒng)的功能劃分為多個(gè)線程，并基于操作系統(tǒng)編寫(xiě)應(yīng)用程序，調(diào)用驅(qū)動(dòng)層API完成與硬件模塊的交互。

圖6 軟件架構(gòu)

軟件的功能實(shí)現(xiàn)是在RT-Thread 操作系統(tǒng)上構(gòu)建任務(wù)框架，根據(jù)功能劃分任務(wù)線程，各線程的執(zhí)行通過(guò)操作系統(tǒng)的調(diào)度器來(lái)控制。RT-Thread是一款由國(guó)人自主研發(fā)的、免費(fèi)開(kāi)源的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)。采用面向?qū)ο蟮木幊谭绞?，相比于其他OS，RTOS 更加偏向個(gè)性化定制，具備執(zhí)行效率高、占用空間小和軟件存儲(chǔ)固化等特點(diǎn)[8]。此外，RT-Thread 支持市場(chǎng)上主流的編譯工具，如keil、IAR、GCC等。主程序線程劃分如圖7所示。

圖7 主程序線程

3.2 濃度采集及算法設(shè)計(jì)

氣體濃度采集模塊使用ADC與DMA（直接存儲(chǔ)訪問(wèn)）相結(jié)合的方式，有效避免數(shù)據(jù)丟失，A/D 采樣過(guò)程如圖8 所示。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選用ADC1的第4、第5、第8、第9通道分別作為4種檢測(cè)氣體的采集通道，轉(zhuǎn)換模式選擇掃描模式。ADC將采集到的數(shù)據(jù)以16 bit右對(duì)齊方式存放在ADC_DR中，但由于寄存器的存儲(chǔ)空間有限，在進(jìn)行多通道采集時(shí)還需開(kāi)啟DMA 功能[9]。當(dāng)每個(gè)通道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束后會(huì)發(fā)送DMA 請(qǐng)求，DMA 控制器會(huì)響應(yīng)該請(qǐng)求并將轉(zhuǎn)換的結(jié)果傳輸?shù)侥康拇鎯?chǔ)地址。

圖8 A/D采樣流程

在標(biāo)況下，由于氣體濃度的變化相對(duì)較緩慢，中位值平均濾波算法在氣體檢測(cè)行業(yè)中具有廣泛的適用性，該算法融合了中位值濾波和算術(shù)平均濾波的優(yōu)點(diǎn)，適用于濾除偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾造成的采樣偏差。算法流程如圖9所示，將連續(xù)采集到的n個(gè)數(shù)據(jù)，首先使用冒泡排序法將其從小到大排列，然后去掉首尾的最小值和最大值，最后將剩下的（n-2）個(gè)數(shù)取其平均值。

圖9 中位值平均算法流程

3.3 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

人機(jī)交互界面不僅能夠方便用戶直觀清晰地查看現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)，還可以通過(guò)操作界面來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)定儀器的功能。儀器借助emWin 圖形庫(kù)進(jìn)行界面開(kāi)發(fā)。emWin 是德國(guó)SEGGER 公司針對(duì)嵌入式領(lǐng)域開(kāi)發(fā)的GUI，可為任何圖形LCD 設(shè)計(jì)提供高級(jí)支持，使嵌入式圖形界面開(kāi)發(fā)變得簡(jiǎn)單快捷[10]。emWin繪制界面時(shí)無(wú)需發(fā)送專門(mén)的指令，只需調(diào)用emWin 提供的接口函數(shù)，可輸出高質(zhì)量的無(wú)鋸齒文字和圖形。界面設(shè)計(jì)框架如圖10所示。

圖10 界面設(shè)計(jì)框架

4 實(shí)驗(yàn)分析

4.1 傳感器穩(wěn)定性測(cè)試

為了測(cè)試氣體流量的大小是否會(huì)影響氣體傳感器的檢測(cè)精度進(jìn)行流量試驗(yàn)。本文以H2S 為例進(jìn)行了兩組實(shí)驗(yàn)，第一組實(shí)驗(yàn)通入47 ppm 的樣氣，通過(guò)調(diào)節(jié)流量閥使氣體以400～900 mL/min 流速流入，且以100 mL/min 的幅度遞增。第二組實(shí)驗(yàn)通入23 ppm 的標(biāo)準(zhǔn)氣，流量為900～1400 mL/min，同樣以100 mL/min 的幅度遞增。測(cè)量時(shí)，在每次調(diào)節(jié)流量后，需等待一段時(shí)間使得讀數(shù)穩(wěn)定，記錄此時(shí)的氣體濃度值。氣體流量測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 氣體流量測(cè)試數(shù)據(jù)

由上述兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)氣體流速以500 mL/min 變化時(shí)，實(shí)測(cè)濃度存在明顯波動(dòng)。綜上，氣體流量的大小會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果，為保證儀器的穩(wěn)定輸出，需要對(duì)氣體流量進(jìn)行穩(wěn)定控制。

4.2 儀器精度測(cè)試

為了檢測(cè)儀器的測(cè)量精度，本文通過(guò)對(duì)幾組已知濃度的樣氣進(jìn)行測(cè)量，分析觀測(cè)值與真實(shí)值之間的誤差，判斷儀器的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)時(shí)，保持恒溫15 ℃，通氣流量為500 mL/min，以H2S 為例，分別通入6 種不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣，每種濃度的樣氣采集10 次求平均后作為測(cè)量值，檢測(cè)結(jié)果如表2 所示。由表可知，經(jīng)多次試驗(yàn)測(cè)量，相對(duì)誤差均在±2%以內(nèi)，表明該分析儀器測(cè)時(shí)，準(zhǔn)確性較好，滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 儀器精度測(cè)試數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提供了一種基于STM32 和電化學(xué)傳感器的化工園區(qū)無(wú)機(jī)有毒氣體分析儀的設(shè)計(jì)方案，從數(shù)據(jù)采集、調(diào)理、顯示、存儲(chǔ)等環(huán)節(jié)給出軟硬件具體實(shí)現(xiàn)方案，并搭建測(cè)試平臺(tái)，進(jìn)行了傳感器穩(wěn)定性測(cè)試及儀器精確度測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：該氣體分析儀的功能完善，性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，符合設(shè)計(jì)要求，具有實(shí)用價(jià)值，為在線氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究奠定儀器基礎(chǔ)。