基于STM32的手持式氣體檢測儀

郭小燁，王 洋

(1.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點實驗室,太原 030051； 2.儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室,太原 030051)

0 引言

在當(dāng)今社會，隨著經(jīng)濟的快速進步、國家的不斷發(fā)展，越來越多的環(huán)境污染、人造垃圾也在危害著我們的生存環(huán)境，對人們的健康造成較為嚴(yán)重的影響[1]。例如由于化工垃圾造成的可燃?xì)怏w排放、由于新房裝修造成的屋內(nèi)甲醛超標(biāo)等問題充斥著我們的生活[2]。我們可以常常從新聞中看到由于礦井由于易燃易爆氣體過多造成安全事故，場面令人不忍直視，也正是這些悲慘的畫面不斷提醒著人們關(guān)于監(jiān)測危險氣體濃度的重要性，人們也只有做到對于氣體濃度的實時監(jiān)測才能避免事故的一再發(fā)生[3]。

在安全事故時常發(fā)生的背景之下，全世界各大領(lǐng)域及高校也越來越關(guān)注氣體檢測這一領(lǐng)域，但由于各種原因，成功設(shè)計出的儀表始終存在著部分缺陷，例如檢測氣體的單一性、響應(yīng)時間較慢、檢測精度不高等問題時常出現(xiàn)，這也就激勵著全世界的科研人員不斷對這一領(lǐng)域進行開發(fā)。

隨著科技的不斷進步，儀器儀表的發(fā)展也在不斷進步，人類的日常生活及日常工作也越來越離不開智能儀器儀表的使用，同樣地，儀器儀表的不斷改進和優(yōu)化也在推動著科技的進步。在工業(yè)生產(chǎn)場合或者新裝修家居中我們常常遇到需要判斷環(huán)境內(nèi)某一氣體的含量，這也就用到了氣體檢測儀。顧名思義，氣體檢測儀能夠通過氣體傳感器檢測到對應(yīng)氣體濃度，再通過主控芯片進行信號調(diào)理及數(shù)據(jù)處理，最后實現(xiàn)氣體濃度數(shù)據(jù)的顯示和存儲，從而實現(xiàn)對于有毒、有害、易燃、易爆氣體的實時監(jiān)測[4]。

氣體檢測儀從使用方法上大致可分為四類，分別是便攜式、手持式、固定式以及在線實時式，從使用場合又可大體分為兩類，分別為家用式和工用式，家用式氣體檢測儀主要用來監(jiān)測房間內(nèi)空氣質(zhì)量，工用式主要用在煤礦、冶金、油井等產(chǎn)業(yè)，用以監(jiān)測易燃、易爆、有毒、有害氣體[5]。

在2017年以后，氣體檢測儀行業(yè)在我國發(fā)展速度加快、趨勢良好，行業(yè)領(lǐng)頭羊企業(yè)營業(yè)收入普遍能達(dá)到10億元以上，而且能保持每年三成的增長速度。從盈利狀況來看，收益率約為七成，毛利與營業(yè)收入之比能夠達(dá)到兩成以上，整體來看較為穩(wěn)定。從售價來看，各個產(chǎn)品之間的售價差距較大，最高可達(dá)20 000元左右，最低卻只有200元左右，究其主要原因是原材料的使用不同，而隨著我國對氣體監(jiān)測儀器儀表這一行業(yè)的越來越重視，技術(shù)也就會越來越完善和普及，生產(chǎn)成本便會一同縮水，產(chǎn)品的價格也會趨于穩(wěn)定和平均。

在國外氣體檢測儀市場中，主要有以下幾家生產(chǎn)商，分別是來自德國的Drager AG 公司、來自加拿大的Airtest Technologies Inc公司、來自美國的Honeywell International Inc公司等。這些國外氣體檢測儀生產(chǎn)商的產(chǎn)品按照監(jiān)測氣體不同可以分為針對易燃易爆氣體、有毒有害氣體、空氣質(zhì)量檢測、空氣氧氣含量檢測等幾類產(chǎn)品。按照供應(yīng)領(lǐng)域的不同可使用在冶金、煉油、煤礦、汽車制造、室內(nèi)等場合[6]。

對比國外氣體檢測儀領(lǐng)頭羊企業(yè)，國內(nèi)生產(chǎn)的氣體檢測儀的不足主要表現(xiàn)在技術(shù)水平不高、設(shè)備質(zhì)量低下、產(chǎn)品性能不達(dá)標(biāo)、使用年限較短、外觀不夠靈巧易用等方面，而相對的，國外生產(chǎn)的氣體檢測儀平均價格也會比國內(nèi)高十幾倍。

雖然就目前國內(nèi)氣體檢測儀生產(chǎn)市場來看，新興廠家數(shù)量每年都會快速增長，但與國外用擁有先進技術(shù)的企業(yè)始終保持著合作、代售的關(guān)系，也就是我國暫時并不能獨立生產(chǎn)出符合國際頂尖水平的氣體檢測儀，國內(nèi)對于這一方面的研究始終處于緩速前進的狀態(tài)。因此，在全國對于環(huán)境保護越來越重視、氣體檢測儀越來越離不開人們的生活和工作的情況下，就迫切需要科研工作者們加快對于國外先進技術(shù)的學(xué)習(xí)，針對國內(nèi)實際使用環(huán)境做出適合國內(nèi)市場的改進和創(chuàng)新，研制出性能穩(wěn)定、使用方便、故障率低的氣體檢測儀器儀表[7]。

針對目前國產(chǎn)氣體檢測儀最小檢測濃度過高、響應(yīng)時間過長、檢測誤差較大的問題，本文通過對于傳感器的選型、氣體濃度算法的改進，設(shè)計了一款基于STM32的手持式氣體檢測儀。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

整個系統(tǒng)以STM32芯片為核心處理器，由主控模塊、傳感模塊、信號采集模塊、存儲模塊、電源模塊、人機交互等部分構(gòu)成了整個系統(tǒng)，并在外部設(shè)計了充電口、數(shù)據(jù)采集口、上位機連接口。氣體檢測儀系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 氣體檢測儀系統(tǒng)框圖

1.2 系統(tǒng)工作原理

首先，被測氣體通過擴散式氣體檢測儀預(yù)留的擴散口流入氣體檢測儀內(nèi)部，通過與氣體傳感器充分接觸，將檢測到的氣體濃度信息通過處理傳輸至STM32核心處理器，另外通過溫度、濕度、氣壓傳感器將溫度、濕度、氣壓信號通過IIC接口傳輸至STM32中進行處理，同時，氣體檢測儀外部也預(yù)留了其他傳感器的接口。經(jīng)過處理的信號再通過LCD液晶顯示器顯示出被測氣體、溫濕度和氣壓的具體參數(shù)。另外，可以通過外部按鍵輸入和液晶顯示兩部分完成人機交互功能，實現(xiàn)人工操作和測量結(jié)果的顯示。檢測儀配有USB接口方便利用該接口對進行數(shù)據(jù)的提取和查看，還留有充電接口方便氣體檢測儀的續(xù)航使用。

2 系統(tǒng)設(shè)計要求

2.1 系統(tǒng)功能要求

室內(nèi)有機氣態(tài)物質(zhì)的英文縮寫是VOC(Volatile Organic Compounds)，而TVOC是對各種各樣的VOC總和的統(tǒng)稱，這種氣體作為室內(nèi)空氣質(zhì)量最嚴(yán)重的一種，VOC由于其在大氣壓下的易揮發(fā)性，其氣體對人體有較強的刺激性，甚至有致癌的嚴(yán)重后果。因此，本系統(tǒng)設(shè)計的氣體檢測儀目的在于監(jiān)測室內(nèi)VOC氣體濃度，經(jīng)過數(shù)據(jù)的采集和處理，將其顯示在LCD屏幕上，并將采集到的數(shù)據(jù)進行存儲[8]。

2.2 氣體檢測儀設(shè)計要求

1)監(jiān)測環(huán)境：根據(jù)室內(nèi)空氣監(jiān)測的采樣要求可知，采樣點應(yīng)避免接近通風(fēng)口，距離墻壁的距離應(yīng)大于半米，高度應(yīng)與人類的平均呼吸高度一致，約為1～1.5 m左右；

2)監(jiān)測對象：一定范圍內(nèi)的VOC氣體；

3)檢測誤差：≤5%FS；

4)響應(yīng)時間：≤20 s；

5)氣體最小檢測濃度：根據(jù)國家頒布的《住宅設(shè)計規(guī)定》，室內(nèi)建筑中TVOC的含量需≤0.5 mg/m3(≈386.7 ppb)，因此設(shè)計氣體檢測儀的最小檢測濃度需小于100 ppb；

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)組成部分

本系統(tǒng)的設(shè)計初衷是能夠設(shè)計出一種能夠同時監(jiān)測室內(nèi)VOC氣體濃度含量、溫濕度、氣壓的多功能手持式氣體檢測儀，同時通過LED屏幕將各個參數(shù)顯示出來，從而供用戶判斷室內(nèi)空氣質(zhì)量是否符合要求。

本系統(tǒng)主要包括以下幾個主要模塊，分別為主控模塊、傳感模塊、存儲模塊、電源模塊、人機交互模塊、顯示模塊。主控模塊以STM32芯片作為核心處理器，設(shè)計以其為核心的最簡電路，同時也包含復(fù)位電路和晶振部分；傳感模塊主要包括氣體濃度傳感器及其傳感模塊電路，方便其將數(shù)字信號通過IIC接口傳輸至核心處理器；存儲模塊通過EEPROM存儲器將監(jiān)測到的氣體濃度、溫濕度、氣壓數(shù)據(jù)保存下來，可通過預(yù)留的USB接口進行查看；電源模塊通過可充電的鋰電池對整個系統(tǒng)供電，并通過電壓轉(zhuǎn)換芯片將電源電壓調(diào)整至各個模塊額定使用電壓；人機交互模塊和顯示模塊可通過按鍵查看氣體檢測儀的實時數(shù)據(jù)，同時通過LCD液晶顯示屏實現(xiàn)氣體濃度的可視化，實現(xiàn)包括閾值調(diào)整、報警取消等功能。

3.2 主控模塊

對于核心處理器的選型，本系統(tǒng)選擇了STM32F103C6T6，這是一款32位性能較高的微控制單元，其中集成了72 MHZ的ARM Cortex M3內(nèi)核，這款核心處理器一共具有48個引腳，程序內(nèi)存的閃存容量為32 KB，隨機存儲內(nèi)存大小有6 KB，擁有37個增強型通用I/O端口和兩條能夠與APB總線相連的外設(shè)。該核心處理器提供了兩個十二位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、3個16位定時器和一個PWM定時器，有兩個IIC接口，典型工作電壓為2.0 V至3.3 V[9]。

在繪制微控制器硬件電路時，在8和9引腳、23和24引腳、35和36引腳、47和48引腳之間，也就是電源和地之間都分別連接了一個大小為100 nF的電容，以此來屏蔽高頻的交流信號，使得引腳連接的電源電壓更為穩(wěn)定。芯片進行復(fù)位操作之后從哪個位置運行程序取決于“BOOT0”和“BOOT1”兩個引腳復(fù)位時的電平高低，這兩個引腳需要下拉一個大小為10 k的電阻，以此避免核心處理器燒壞。

總的來說這款微處理器該芯片性能強大、運行穩(wěn)定、尺寸較小，完全符合本系統(tǒng)對于微處理器的要求。圖2為STM32F103C6T6引腳電路圖[10]。

圖2 STM32F103C6T6引腳電路圖

3.3 傳感模塊

在傳感模塊元器件的選型中，本系統(tǒng)選擇Cambridge CMOS Sensors公司生產(chǎn)的CCS811作為VOC氣體濃度傳感器，這種傳感器集成模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的數(shù)字傳感器，并通過IIC接口與核心處理器進行數(shù)據(jù)傳輸，而且這3種傳感器都具有功耗低、尺寸小、外圍電路簡單、傳輸速度塊、穩(wěn)定性高的優(yōu)點，完全符合本系統(tǒng)對于傳感器的要求[11]。

CCS811這款氣體傳感器擁有十個引腳和一個焊盤，CCA811支持IIC接口通信，其十六位IIC地址位可配置成0×5A和0×5B兩種，可根據(jù)引腳的高低電平控制其地址位，當(dāng)傳感器“ADDR”引腳電平低時，則對應(yīng)地址位0×5A，當(dāng)傳感器“ADDR”引腳電平高時，則對應(yīng)地址位0×5B[12]。CCS811的第二個引腳“nREST”引腳是可選復(fù)位引腳，一般與核心處理器的“JNTRST”引腳相連接，為了防止由于外部噪聲造成的異常復(fù)位，可以將該引腳連接一個上拉電阻。當(dāng)CCS811與微控制單元相連接時，“SDA”和“SCL”引腳分別與微控制單元的IIC數(shù)據(jù)線和時鐘接口相連接，為了加強抗干擾能力，并分別上拉了一個4.7 k電阻至電源電壓?！癐NT”引腳是需要中斷時連接。“SENSE”引腳和“PWN”引腳需相連并分別上拉一個電阻至電源，“VDD”引腳是CCS811的內(nèi)部工作電壓，可直接與電源相連。“AUX”引腳是可選引腳，可利用外部熱敏電阻感受周圍溫度，如果不需要使用則可不連接。位于傳感器底部的裸焊盤“Exposed Pad”直接接地。圖3為氣體濃度傳感器電路圖[13]。

圖3 氣體濃度傳感器電路圖

在眾多VOC氣體檢測儀中，CCS811氣體檢測精度較高，達(dá)到1 ppb級別，這款氣體傳感器的檢測目標(biāo)是VOC氣體，VOC氣體濃度的檢測范圍是0～1 187 ppb，響應(yīng)時間較快，達(dá)到1 s左右，尺寸也是較小的，僅有4.0 mm×2.7 mm，同時CCS811傳感器是一款集成度極高的傳感器，是一款數(shù)字傳感器，其具有IIC接口，輸出IIC信號，方便與核心處理器相通信和連接。與其他同類型VOC氣體傳感器相比優(yōu)勢明顯，而且該產(chǎn)品在市場上較為成熟，在科研中的使用也已經(jīng)成熟，所以本系統(tǒng)選擇CCS811這一款氣體傳感器作為氣體檢測儀的核心傳感器，符合系統(tǒng)設(shè)計中對于響應(yīng)時間和最小檢測濃度的要求[14]。

3.4 存儲模塊

對于本系統(tǒng)設(shè)計的手持式氣體檢測儀而言，需要儲存較多的數(shù)據(jù)以實現(xiàn)對歷史檢測數(shù)據(jù)的查看，并且必須保證這些數(shù)據(jù)不會被遺失，這就要求在設(shè)計過程中選擇一款EEPROM芯片[15]。AT24C04C是一款由Ateml公司研制的得電可擦除存儲芯片，該存儲器采用兩線并行的方式進行與核心處理器的數(shù)據(jù)傳輸，AT24C04C擁有4 k存儲空間，其內(nèi)部的數(shù)據(jù)在斷電情況下仍然能夠保存超過一百年，其工作溫度范圍是-40～85 ℃，支持IIC接口，傳輸速度高達(dá)400 kHz[16]。這款芯片的外圍電路簡單，需要與核心處理芯片的連線數(shù)量很少，只需將“SCL”引腳和“SDA”引腳與核心處理器的IIC數(shù)據(jù)線接口和時鐘線接口相連接，“WP”引腳是寫保護引腳，將其接地以實現(xiàn)對AT24C04C的讀寫。圖4為數(shù)據(jù)存儲電路圖[17]。

圖4 數(shù)據(jù)存儲電路圖

3.5 顯示模塊

HTC1622是一款比較常見的256段的內(nèi)置儲存器的LCD驅(qū)動芯片，這款芯片額定的工作電壓為2.4～5.2 V[18]。內(nèi)置RC振蕩器和電阻式偏壓發(fā)生器，“VLCD”引腳連接大小為20 k的電位器以此來調(diào)節(jié)LCD電壓，其最大特點是能夠通過驅(qū)動多段LCD字符，操作溫度為-40～85 ℃。HTC1622需要與核心處理芯片的連線數(shù)量很少，這樣有助于縮小電路板的尺寸，同樣也有助于降低整個系統(tǒng)的功耗，因此HTC1622十分符合本系統(tǒng)對于LCD驅(qū)動芯片的要求[19]。圖5為LCD驅(qū)動模塊電路。

圖5 LCD驅(qū)動模塊電路

3.6 供電模塊

3.6.1 系統(tǒng)供電框圖

本系統(tǒng)中的主控模塊、傳感模塊、存儲模塊、人機交互模塊、LCD顯示模塊均需要3.3 V的供電電壓，由于充電管理芯片的輸出電壓為5 V，因此需要增加一款電壓轉(zhuǎn)換芯片將電壓轉(zhuǎn)換至3.3 V，以此實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定供電。下圖6為本系統(tǒng)的供電框圖。

圖6 系統(tǒng)供電框圖

3.6.2 鋰電池充放電管理

鋰電池選擇SONY公司出品的18 650鋰電池，“18”和“65”分別表示鋰電池的直徑和長度為18 mm和65 mm，“0”表示該電池為圓柱形電池，根據(jù)型號不同，可提供3.6 V/4.2 V的電壓，電池容量范圍為2 200～3600 mAh，這款電池具有容量大、使用壽命長、輸出穩(wěn)定性高、安全性高、沒有記憶效應(yīng)的特點，因此完全符合本系統(tǒng)對于鋰電池的要求。

本供電模塊中選擇IP5306作為充電管理芯片，這款芯片一共有8個引腳和一個焊盤。其中“VIN”引腳是5 V充電輸入引腳，連接5 V的直流輸入，“LED1”、“LED2”和“LED3”引腳為LED驅(qū)動引腳，可用來表示電池充電狀態(tài)，“KEY”引腳是按鍵輸入，是照明燈驅(qū)動復(fù)用引腳，不使用可不連接，“BAT”是升壓輸入引腳，一般與鋰電池的正極相連接，“VOUT”是升壓輸出引腳，“GND”為芯片底部的接地焊盤。

IP5306芯片功能強大，包括升壓轉(zhuǎn)換器、鋰電池充放電管理、電池充電狀態(tài)顯示等功能，而且其外圍電路十分簡單，只需要連接一個電感就能達(dá)到升壓和降壓的目的。這款芯片的同步升壓系統(tǒng)能夠輸出2.4 A的電流，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)90%以上，不充電時芯片自動進入休眠狀態(tài)，靜態(tài)電流小于50 μA。IP5306的充電電壓精度為±0.5%，升壓效率為96%，支持邊充電邊放電，同時支持4.2 V、4.3 V、4.35 V、4.4 V電池，具有防止過壓、過充、過放、短路的保護功能，因此這款鋰電池充電管理芯片符合本系統(tǒng)設(shè)計要求。圖7為鋰電池充電管理電路圖。

圖7 鋰電池充電管理電路圖

3.6.3 電壓轉(zhuǎn)換模塊

AMS1117是一款可調(diào)、可固定的低壓差線性穩(wěn)壓器。AMS1117一共含有3個引腳，“GND”引腳接地，“VOUT”引腳是輸出電壓，“VIN”引腳是輸入工作電壓，引腳與地之間的電容起到濾除雜波的作用。它與傳統(tǒng)的三端穩(wěn)壓器的區(qū)別在于AMS1117的自耗很低，這款穩(wěn)壓器內(nèi)部集成了由二極管、采樣電阻、分壓電阻等元器件組成的硬件電路，同時具備防止過壓、過溫、過放、短路的保護功能，而且擁有延時安全供電的功能。該穩(wěn)壓器的工作結(jié)溫的范圍是-40～125 ℃，輸出電壓為3.267～3.333 V。綜上所述，AMS1117十分符合本系統(tǒng)對于穩(wěn)壓器的要求，如圖8為穩(wěn)壓器電路圖。

圖8 穩(wěn)壓器電路圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 軟件框圖

本系統(tǒng)的軟件部分白用模塊化編程的思路，使用C語言對系統(tǒng)的各個組成部分，包括傳感模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、存儲模塊、液晶顯示模塊和按鍵模塊，從而組成整個系統(tǒng)軟件的編寫。圖9為系統(tǒng)軟件總框圖。

圖9 系統(tǒng)軟件總框圖

4.2 軟件流程圖

當(dāng)氣體檢測儀啟動后，第一步是核心處理器以及各個外設(shè)的初始化，接著檢查電池電量是否滿足使用條件，若不滿足則關(guān)機，若電量充足則進入下一步，在各個傳感器完成數(shù)據(jù)采集的過程中，對整個系統(tǒng)完成自檢操作，然后是數(shù)據(jù)的處理階段，判斷周圍氣體濃度是否超過閾值，若超過則報警，若未超過則繼續(xù)進行數(shù)據(jù)采集，等待用戶進行按鍵操作并按照按鍵指令執(zhí)行命令[20]。圖10為系統(tǒng)軟件流程圖。

圖10 系統(tǒng)軟件流程圖

4.3 濾波算法

傳感器采集的信號經(jīng)過處理后仍存在干擾噪聲, 這些干擾噪聲也會被STM32的ADC采集。為了提高測量的精度和可靠性，針對這些干擾噪聲設(shè)計了數(shù)字濾波程序?qū)Σ杉降男盘栠M行濾波處理。

設(shè)計采用滑動平均值濾波?；瑒悠骄禐V波器是一種低通濾波器，其原理是將X個ADC的采樣結(jié)果看成一個數(shù)組，數(shù)組的長度X固定不變，每當(dāng)ADC采樣到新的數(shù)據(jù)時，新的采樣結(jié)果會被放入數(shù)組的最后一個位置中并丟掉原來數(shù)組的第一個數(shù)據(jù)，這樣在數(shù)組中始終保存有X個最新的采樣數(shù)據(jù)。在進行濾波時，取當(dāng)前隊列中的X個數(shù)據(jù)的平均值得到濾波后的結(jié)果。在本系統(tǒng)中X的取值為4。圖11為滑動平均值濾波的軟件設(shè)計流程圖。

圖11 滑動平均值濾波軟件設(shè)計流程圖

5 實驗結(jié)果與分析

5.1 實驗?zāi)康?/h3>

驗證本氣體檢測儀是否能達(dá)到預(yù)先設(shè)計要求，最小檢測濃度能否≤100 ppb，響應(yīng)時間能否≤20 s，檢測誤差能否≤5%FS。

5.2 實驗準(zhǔn)備

5.2.1 實驗環(huán)境

實驗環(huán)境使用全鋼實驗室用通風(fēng)櫥FUME HOOD，以方便實現(xiàn)對于測試環(huán)境噪聲的濾除和實驗與實驗之間余留氣體的影響。

5.2.2 試驗用模擬干擾氣體

本實驗?zāi)M干擾物為65號冷卻液，65號冷卻液主要組成部分為乙二醇液體，該液體可在常溫狀態(tài)下微量揮發(fā)VOC氣體，滿足實驗中對于檢測痕量級氣體濃度的要求。

5.2.3 第三方檢測儀

使用Honeywell-PGM7340手持式氣體檢測儀檢測VOC氣體作為第三方檢測，將檢測結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)值，與本系統(tǒng)實際測量結(jié)果做對比。

5.3 實驗步驟及方法

1)利用通風(fēng)櫥對環(huán)境進行通風(fēng)操作，使用第三方檢測儀對環(huán)境進行檢測直至環(huán)境內(nèi)氣體濃度小于100 ppb后繼續(xù)實驗；

2)打開氣體檢測儀，觀察回讀數(shù)據(jù)是否對100 ppb以下濃度變化有響應(yīng)以及最小數(shù)據(jù)變化量；

3)用30 ml注射器注射三滴乙二醇溶液在氣體檢測儀周圍，同時使用秒表開始計時；

4)記錄下氣體檢測儀在與危險氣體源頭距離不同的情況下，氣體濃度達(dá)到峰值接著保持穩(wěn)定所需要的時間，記錄下多次試驗的氣體濃度監(jiān)測響應(yīng)時間并進行比較和分析；

5)同時使用Honeywell-PGM7340第三方氣體檢測儀檢測VOC氣體濃度作為第三方檢測，將檢測結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)值，與本系統(tǒng)實際測量結(jié)果做對比，分析測試誤差；

5.4 實驗結(jié)果與分析

表1為氣體濃度測試表，測試了本檢測儀的最小檢測濃度，以及同一環(huán)境下本系統(tǒng)與第三方檢測儀之間的測試誤差。

表1 氣體濃度測試表

合格觀察上述試驗數(shù)據(jù)可知，在霍尼韋爾氣體探測儀測得VOC濃度低于100 ppb時，利用氣體檢測儀進行實驗操作，本系統(tǒng)探測值普遍低于霍尼韋爾氣體檢測儀，并且差值不固定，且無規(guī)律性。一方面這是由于霍尼韋爾氣體檢測儀與本檢測儀使用的傳感器原理不同，霍尼韋爾氣體檢測儀采用光離子化檢測器(PID)原理，對氣體吸入并進行檢測；而本檢測儀使用的傳感器為金屬氧化物傳感器，采用擴散式氣體接觸檢測；主動吸氣與被動接觸造成探測對象存在差異，因此探測結(jié)果也必然不同。另外，霍尼韋爾氣體檢測儀和CCS811氣體傳感器由不同廠家生產(chǎn)，其校準(zhǔn)存在差異也屬正常。從上述兩種產(chǎn)品的測量范圍參數(shù)和實際實驗數(shù)據(jù)兩方面觀察，無論霍尼韋爾氣體探測儀還是本氣體檢測儀均可對低于100 ppb濃度的VOC氣體做出明顯響應(yīng)，因此，本系統(tǒng)的氣體檢測精度能夠達(dá)到100 ppb以下。

同時通過比較同一環(huán)境同一時間點下第三方檢測儀與本氣體檢測儀對于VOC氣體濃度的檢測誤差(標(biāo)準(zhǔn)值與測量值之間的差值與傳感器最大檢測范圍1 187 ppb的商)能夠小于5%FS。

表2為本氣體檢測儀的響應(yīng)時間測試結(jié)果。

表2 響應(yīng)時間測試結(jié)果

不合格在相對密閉的空間內(nèi)，由于排除了監(jiān)測環(huán)境中的空氣不穩(wěn)定流動、外部噪聲等干擾因素，VOC氣體濃度變化較穩(wěn)定，隨機性較小。經(jīng)過試驗表明，當(dāng)危險氣體源頭距離氣體檢測儀小于50 cm時對于VOC氣體的響應(yīng)時間滿足≤20 s的要求，但是對于60 cm及以上的檢測距離響應(yīng)時間大于預(yù)設(shè)時間，不滿足設(shè)計要求。

6 結(jié)束語

本文針對目前國產(chǎn)氣體檢測儀最小檢測濃度不低、響應(yīng)時間過長、測試誤差較大等問題，通過對于傳感器的選型、氣體濃度算法的改進，設(shè)計了一款基于STM32的手持式氣體檢測儀。通過多次試驗驗證，該氣體檢測儀能夠?qū)崿F(xiàn)對于100 ppb以下的VOC氣體濃度的進行響應(yīng)，檢測誤差小于5%FS，響應(yīng)時間小于20 s。但是本氣體檢測儀的響應(yīng)時間受與氣體源頭的距離影響較為明顯，當(dāng)距離較遠(yuǎn)時響應(yīng)時間達(dá)不到系統(tǒng)設(shè)計要求，后續(xù)可將本檢測儀的檢測方式優(yōu)化為泵吸式氣體檢測儀，通過泵吸的原理減少因檢測距離較遠(yuǎn)而產(chǎn)生的誤差。同時本氣體檢測儀檢測對象過于單一，只能監(jiān)測VOC氣體一種，對于空氣質(zhì)量的定義過于狹隘，后續(xù)可增加多種氣體濃度檢測傳感器，如甲醛、PM2.5、一氧化碳等，豐富產(chǎn)品監(jiān)測對象。