基于STM32的手持式氣體檢測(cè)儀

郭小燁，王 洋

(1.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051； 2.儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)

0 引言

在當(dāng)今社會(huì)，隨著經(jīng)濟(jì)的快速進(jìn)步、國(guó)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(duì)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(chǎng)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(cè)危險(xiǎn)氣體濃度的重要性，人們也只有做到對(duì)于氣體濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)才能避免事故的一再發(fā)生[3]。

在安全事故時(shí)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(cè)這一領(lǐng)域，但由于各種原因，成功設(shè)計(jì)出的儀表始終存在著部分缺陷，例如檢測(cè)氣體的單一性、響應(yīng)時(shí)間較慢、檢測(cè)精度不高等問題時(shí)常出現(xiàn)，這也就激勵(lì)著全世界的科研人員不斷對(duì)這一領(lǐng)域進(jìn)行開發(fā)。

隨著科技的不斷進(jìn)步，儀器儀表的發(fā)展也在不斷進(jìn)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(jìn)和優(yōu)化也在推動(dòng)著科技的進(jìn)步。在工業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)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(cè)儀。顧名思義，氣體檢測(cè)儀能夠通過氣體傳感器檢測(cè)到對(duì)應(yīng)氣體濃度，再通過主控芯片進(jìn)行信號(hào)調(diào)理及數(shù)據(jù)處理，最后實(shí)現(xiàn)氣體濃度數(shù)據(jù)的顯示和存儲(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于有毒、有害、易燃、易爆氣體的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[4]。

氣體檢測(cè)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(shí)時(shí)式，從使用場(chǎng)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(cè)儀主要用來監(jiān)測(cè)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(cè)易燃、易爆、有毒、有害氣體[5]。

在2017年以后，氣體檢測(cè)儀行業(yè)在我國(guó)發(fā)展速度加快、趨勢(shì)良好，行業(yè)領(lǐng)頭羊企業(yè)營(yíng)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(zhǎng)速度。從盈利狀況來看，收益率約為七成，毛利與營(yíng)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(jià)來看，各個(gè)產(chǎn)品之間的售價(jià)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(guó)對(duì)氣體監(jiān)測(cè)儀器儀表這一行業(yè)的越來越重視，技術(shù)也就會(huì)越來越完善和普及，生產(chǎn)成本便會(huì)一同縮水，產(chǎn)品的價(jià)格也會(huì)趨于穩(wěn)定和平均。

在國(guó)外氣體檢測(cè)儀市場(chǎng)中，主要有以下幾家生產(chǎn)商，分別是來自德國(guó)的Drager AG 公司、來自加拿大的Airtest Technologies Inc公司、來自美國(guó)的Honeywell International Inc公司等。這些國(guó)外氣體檢測(cè)儀生產(chǎn)商的產(chǎn)品按照監(jiān)測(cè)氣體不同可以分為針對(duì)易燃易爆氣體、有毒有害氣體、空氣質(zhì)量檢測(cè)、空氣氧氣含量檢測(cè)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(chǎng)合[6]。

對(duì)比國(guó)外氣體檢測(cè)儀領(lǐng)頭羊企業(yè)，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的氣體檢測(cè)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(duì)的，國(guó)外生產(chǎn)的氣體檢測(cè)儀平均價(jià)格也會(huì)比國(guó)內(nèi)高十幾倍。

雖然就目前國(guó)內(nèi)氣體檢測(cè)儀生產(chǎn)市場(chǎng)來看，新興廠家數(shù)量每年都會(huì)快速增長(zhǎng)，但與國(guó)外用擁有先進(jìn)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(guó)暫時(shí)并不能獨(dú)立生產(chǎn)出符合國(guó)際頂尖水平的氣體檢測(cè)儀，國(guó)內(nèi)對(duì)于這一方面的研究始終處于緩速前進(jìn)的狀態(tài)。因此，在全國(guó)對(duì)于環(huán)境保護(hù)越來越重視、氣體檢測(cè)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(duì)于國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的學(xué)習(xí)，針對(duì)國(guó)內(nèi)實(shí)際使用環(huán)境做出適合國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的改進(jìn)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(cè)儀器儀表[7]。

針對(duì)目前國(guó)產(chǎn)氣體檢測(cè)儀最小檢測(cè)濃度過高、響應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)、檢測(cè)誤差較大的問題，本文通過對(duì)于傳感器的選型、氣體濃度算法的改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一款基于STM32的手持式氣體檢測(cè)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(gè)系統(tǒng)以STM32芯片為核心處理器，由主控模塊、傳感模塊、信號(hào)采集模塊、存儲(chǔ)模塊、電源模塊、人機(jī)交互等部分構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)，并在外部設(shè)計(jì)了充電口、數(shù)據(jù)采集口、上位機(jī)連接口。氣體檢測(cè)儀系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 氣體檢測(cè)儀系統(tǒng)框圖

1.2 系統(tǒng)工作原理

首先，被測(cè)氣體通過擴(kuò)散式氣體檢測(cè)儀預(yù)留的擴(kuò)散口流入氣體檢測(cè)儀內(nèi)部，通過與氣體傳感器充分接觸，將檢測(cè)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(hào)通過IIC接口傳輸至STM32中進(jìn)行處理，同時(shí)，氣體檢測(cè)儀外部也預(yù)留了其他傳感器的接口。經(jīng)過處理的信號(hào)再通過LCD液晶顯示器顯示出被測(cè)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(jī)交互功能，實(shí)現(xiàn)人工操作和測(cè)量結(jié)果的顯示。檢測(cè)儀配有USB接口方便利用該接口對(duì)進(jìn)行數(shù)據(jù)的提取和查看，還留有充電接口方便氣體檢測(cè)儀的續(xù)航使用。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

2.1 系統(tǒng)功能要求

室內(nèi)有機(jī)氣態(tài)物質(zhì)的英文縮寫是VOC(Volatile Organic Compounds)，而TVOC是對(duì)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(duì)人體有較強(qiáng)的刺激性，甚至有致癌的嚴(yán)重后果。因此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的氣體檢測(cè)儀目的在于監(jiān)測(cè)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(jìn)行存儲(chǔ)[8]。

2.2 氣體檢測(cè)儀設(shè)計(jì)要求

1)監(jiān)測(cè)環(huán)境：根據(jù)室內(nèi)空氣監(jiān)測(cè)的采樣要求可知，采樣點(diǎn)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(cè)對(duì)象：一定范圍內(nèi)的VOC氣體；

3)檢測(cè)誤差：≤5%FS；

4)響應(yīng)時(shí)間：≤20 s；

5)氣體最小檢測(cè)濃度：根據(jù)國(guó)家頒布的《住宅設(shè)計(jì)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(jì)氣體檢測(cè)儀的最小檢測(cè)濃度需小于100 ppb；

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)組成部分

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)初衷是能夠設(shè)計(jì)出一種能夠同時(shí)監(jiān)測(cè)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(cè)儀，同時(shí)通過LED屏幕將各個(gè)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(gè)主要模塊，分別為主控模塊、傳感模塊、存儲(chǔ)模塊、電源模塊、人機(jī)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(jì)以其為核心的最簡(jiǎn)電路，同時(shí)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(hào)通過IIC接口傳輸至核心處理器；存儲(chǔ)模塊通過EEPROM存儲(chǔ)器將監(jiān)測(cè)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(jìn)行查看；電源模塊通過可充電的鋰電池對(duì)整個(gè)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(gè)模塊額定使用電壓；人機(jī)交互模塊和顯示模塊可通過按鍵查看氣體檢測(cè)儀的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)通過LCD液晶顯示屏實(shí)現(xiàn)氣體濃度的可視化，實(shí)現(xiàn)包括閾值調(diào)整、報(bào)警取消等功能。

3.2 主控模塊

對(duì)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(gè)引腳，程序內(nèi)存的閃存容量為32 KB，隨機(jī)存儲(chǔ)內(nèi)存大小有6 KB，擁有37個(gè)增強(qiáng)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(gè)十二位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、3個(gè)16位定時(shí)器和一個(gè)PWM定時(shí)器，有兩個(gè)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(shí)，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(gè)大小為100 nF的電容，以此來屏蔽高頻的交流信號(hào)，使得引腳連接的電源電壓更為穩(wěn)定。芯片進(jìn)行復(fù)位操作之后從哪個(gè)位置運(yùn)行程序取決于“BOOT0”和“BOOT1”兩個(gè)引腳復(fù)位時(shí)的電平高低，這兩個(gè)引腳需要下拉一個(gè)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(qiáng)大、運(yùn)行穩(wěn)定、尺寸較小，完全符合本系統(tǒng)對(duì)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(jìn)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(jiǎn)單、傳輸速度塊、穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)，完全符合本系統(tǒng)對(duì)于傳感器的要求[11]。

CCS811這款氣體傳感器擁有十個(gè)引腳和一個(gè)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(shí)，則對(duì)應(yīng)地址位0×5A，當(dāng)傳感器“ADDR”引腳電平高時(shí)，則對(duì)應(yīng)地址位0×5B[12]。CCS811的第二個(gè)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(gè)上拉電阻。當(dāng)CCS811與微控制單元相連接時(shí)，“SDA”和“SCL”引腳分別與微控制單元的IIC數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘接口相連接，為了加強(qiáng)抗干擾能力，并分別上拉了一個(gè)4.7 k電阻至電源電壓。“INT”引腳是需要中斷時(shí)連接?！癝ENSE”引腳和“PWN”引腳需相連并分別上拉一個(gè)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?！癆UX”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(cè)儀中，CCS811氣體檢測(cè)精度較高，達(dá)到1 ppb級(jí)別，這款氣體傳感器的檢測(cè)目標(biāo)是VOC氣體，VOC氣體濃度的檢測(cè)范圍是0～1 187 ppb，響應(yīng)時(shí)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(shí)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(hào)，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(shì)明顯，而且該產(chǎn)品在市場(chǎng)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(cè)儀的核心傳感器，符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)中對(duì)于響應(yīng)時(shí)間和最小檢測(cè)濃度的要求[14]。

3.4 存儲(chǔ)模塊

對(duì)于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的手持式氣體檢測(cè)儀而言，需要儲(chǔ)存較多的數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)對(duì)歷史檢測(cè)數(shù)據(jù)的查看，并且必須保證這些數(shù)據(jù)不會(huì)被遺失，這就要求在設(shè)計(jì)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(chǔ)芯片，該存儲(chǔ)器采用兩線并行的方式進(jìn)行與核心處理器的數(shù)據(jù)傳輸，AT24C04C擁有4 k存儲(chǔ)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(jiǎn)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(shí)鐘線接口相連接，“WP”引腳是寫保護(hù)引腳，將其接地以實(shí)現(xiàn)對(duì)AT24C04C的讀寫。圖4為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路圖[17]。

圖4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(chǔ)存器的LCD驅(qū)動(dòng)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(diǎn)是能夠通過驅(qū)動(dòng)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(gè)系統(tǒng)的功耗，因此HTC1622十分符合本系統(tǒng)對(duì)于LCD驅(qū)動(dòng)芯片的要求[19]。圖5為L(zhǎng)CD驅(qū)動(dòng)模塊電路。

圖5 LCD驅(qū)動(dòng)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(chǔ)模塊、人機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)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(zhǎng)度為18 mm和65 mm，“0”表示該電池為圓柱形電池，根據(jù)型號(hào)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(zhǎng)、輸出穩(wěn)定性高、安全性高、沒有記憶效應(yīng)的特點(diǎn)，因此完全符合本系統(tǒng)對(duì)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(gè)引腳和一個(gè)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L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(qiáng)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(jiǎn)單，只需要連接一個(gè)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(shí)芯片自動(dòng)進(jìn)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(shí)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(hù)功能，因此這款鋰電池充電管理芯片符合本系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(gè)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(shí)具備防止過壓、過溫、過放、短路的保護(hù)功能，而且擁有延時(shí)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(duì)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(jì)

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(duì)系統(tǒng)的各個(gè)組成部分，包括傳感模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、存儲(chǔ)模塊、液晶顯示模塊和按鍵模塊，從而組成整個(gè)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(cè)儀啟動(dòng)后，第一步是核心處理器以及各個(gè)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(jī)，若電量充足則進(jìn)入下一步，在各個(gè)傳感器完成數(shù)據(jù)采集的過程中，對(duì)整個(gè)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(bào)警，若未超過則繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，等待用戶進(jìn)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(hào)經(jīng)過處理后仍存在干擾噪聲, 這些干擾噪聲也會(huì)被STM32的ADC采集。為了提高測(cè)量的精度和可靠性，針對(duì)這些干擾噪聲設(shè)計(jì)了數(shù)字濾波程序?qū)Σ杉降男盘?hào)進(jìn)行濾波處理。

設(shè)計(jì)采用滑動(dòng)平均值濾波。滑動(dòng)平均值濾波器是一種低通濾波器，其原理是將X個(gè)ADC的采樣結(jié)果看成一個(gè)數(shù)組，數(shù)組的長(zhǎng)度X固定不變，每當(dāng)ADC采樣到新的數(shù)據(jù)時(shí)，新的采樣結(jié)果會(huì)被放入數(shù)組的最后一個(gè)位置中并丟掉原來數(shù)組的第一個(gè)數(shù)據(jù)，這樣在數(shù)組中始終保存有X個(gè)最新的采樣數(shù)據(jù)。在進(jìn)行濾波時(shí)，取當(dāng)前隊(duì)列中的X個(gè)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(dòng)平均值濾波的軟件設(shè)計(jì)流程圖。

圖11 滑動(dòng)平均值濾波軟件設(shè)計(jì)流程圖

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

5.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

驗(yàn)證本氣體檢測(cè)儀是否能達(dá)到預(yù)先設(shè)計(jì)要求，最小檢測(cè)濃度能否≤100 ppb，響應(yīng)時(shí)間能否≤20 s，檢測(cè)誤差能否≤5%FS。

5.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

5.2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)環(huán)境使用全鋼實(shí)驗(yàn)室用通風(fēng)櫥FUME HOOD，以方便實(shí)現(xiàn)對(duì)于測(cè)試環(huán)境噪聲的濾除和實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)之間余留氣體的影響。

5.2.2 試驗(yàn)用模擬干擾氣體

本實(shí)驗(yàn)?zāi)M干擾物為65號(hào)冷卻液，65號(hào)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(shí)驗(yàn)中對(duì)于檢測(cè)痕量級(jí)氣體濃度的要求。

5.2.3 第三方檢測(cè)儀

使用Honeywell-PGM7340手持式氣體檢測(cè)儀檢測(cè)VOC氣體作為第三方檢測(cè)，將檢測(cè)結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)值，與本系統(tǒng)實(shí)際測(cè)量結(jié)果做對(duì)比。

5.3 實(shí)驗(yàn)步驟及方法

1)利用通風(fēng)櫥對(duì)環(huán)境進(jìn)行通風(fēng)操作，使用第三方檢測(cè)儀對(duì)環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)直至環(huán)境內(nèi)氣體濃度小于100 ppb后繼續(xù)實(shí)驗(yàn)；

2)打開氣體檢測(cè)儀，觀察回讀數(shù)據(jù)是否對(duì)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(cè)儀周圍，同時(shí)使用秒表開始計(jì)時(shí)；

4)記錄下氣體檢測(cè)儀在與危險(xiǎn)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(shí)間，記錄下多次試驗(yàn)的氣體濃度監(jiān)測(cè)響應(yīng)時(shí)間并進(jìn)行比較和分析；

5)同時(shí)使用Honeywell-PGM7340第三方氣體檢測(cè)儀檢測(cè)VOC氣體濃度作為第三方檢測(cè)，將檢測(cè)結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)值，與本系統(tǒng)實(shí)際測(cè)量結(jié)果做對(duì)比，分析測(cè)試誤差；

5.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

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

表1 氣體濃度測(cè)試表

合格觀察上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在霍尼韋爾氣體探測(cè)儀測(cè)得VOC濃度低于100 ppb時(shí)，利用氣體檢測(cè)儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，本系統(tǒng)探測(cè)值普遍低于霍尼韋爾氣體檢測(cè)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(cè)儀與本檢測(cè)儀使用的傳感器原理不同，霍尼韋爾氣體檢測(cè)儀采用光離子化檢測(cè)器(PID)原理，對(duì)氣體吸入并進(jìn)行檢測(cè)；而本檢測(cè)儀使用的傳感器為金屬氧化物傳感器，采用擴(kuò)散式氣體接觸檢測(cè)；主動(dòng)吸氣與被動(dòng)接觸造成探測(cè)對(duì)象存在差異，因此探測(cè)結(jié)果也必然不同。另外，霍尼韋爾氣體檢測(cè)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(cè)量范圍參數(shù)和實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)兩方面觀察，無論霍尼韋爾氣體探測(cè)儀還是本氣體檢測(cè)儀均可對(duì)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(cè)精度能夠達(dá)到100 ppb以下。

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

表2為本氣體檢測(cè)儀的響應(yīng)時(shí)間測(cè)試結(jié)果。

表2 響應(yīng)時(shí)間測(cè)試結(jié)果

不合格在相對(duì)密閉的空間內(nèi)，由于排除了監(jiān)測(cè)環(huán)境中的空氣不穩(wěn)定流動(dòng)、外部噪聲等干擾因素，VOC氣體濃度變化較穩(wěn)定，隨機(jī)性較小。經(jīng)過試驗(yàn)表明，當(dāng)危險(xiǎn)氣體源頭距離氣體檢測(cè)儀小于50 cm時(shí)對(duì)于VOC氣體的響應(yīng)時(shí)間滿足≤20 s的要求，但是對(duì)于60 cm及以上的檢測(cè)距離響應(yīng)時(shí)間大于預(yù)設(shè)時(shí)間，不滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)束語

本文針對(duì)目前國(guó)產(chǎn)氣體檢測(cè)儀最小檢測(cè)濃度不低、響應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)、測(cè)試誤差較大等問題，通過對(duì)于傳感器的選型、氣體濃度算法的改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一款基于STM32的手持式氣體檢測(cè)儀。通過多次試驗(yàn)驗(yàn)證，該氣體檢測(cè)儀能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于100 ppb以下的VOC氣體濃度的進(jìn)行響應(yīng)，檢測(cè)誤差小于5%FS，響應(yīng)時(shí)間小于20 s。但是本氣體檢測(cè)儀的響應(yīng)時(shí)間受與氣體源頭的距離影響較為明顯，當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)響應(yīng)時(shí)間達(dá)不到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，后續(xù)可將本檢測(cè)儀的檢測(cè)方式優(yōu)化為泵吸式氣體檢測(cè)儀，通過泵吸的原理減少因檢測(cè)距離較遠(yuǎn)而產(chǎn)生的誤差。同時(shí)本氣體檢測(cè)儀檢測(cè)對(duì)象過于單一，只能監(jiān)測(cè)VOC氣體一種，對(duì)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(cè)傳感器，如甲醛、PM2.5、一氧化碳等，豐富產(chǎn)品監(jiān)測(cè)對(duì)象。