基于STM32 的便攜式有毒氣體檢測儀設(shè)計(jì)

趙 全，郝 龍，徐 光，胡家偉，鄭雪玲，，張 成

（1.北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074；2.北京航天凱恩新材料有限公司，北京 100074）

0 引 言

眾所周知，有毒有害化學(xué)品作為重要的工業(yè)原料，如氨氣、一氧化碳、硫化氫、二氧化硫、二氧化氮、氯氣等，大部分屬于易燃、易爆、劇毒物品，在貯存、運(yùn)輸、轉(zhuǎn)注和處理過程中，必須十分小心以防止發(fā)生著火或爆炸事故。一旦發(fā)生液體泄漏就會(huì)產(chǎn)生大量的有毒有害氣體，若不加以監(jiān)測處置，極易造成爆炸風(fēng)險(xiǎn)，對人身健康、社會(huì)財(cái)產(chǎn)安全帶來重大損失，同時(shí)對周邊生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞[1-5]。因此，對有毒有害化學(xué)品進(jìn)行泄漏監(jiān)測處置勢在必行。

目前，國內(nèi)有毒有害化學(xué)品生產(chǎn)現(xiàn)場等場合多選用國外進(jìn)口產(chǎn)品，比如法國奧德姆公司生產(chǎn)的MX2100 便攜式氣體檢測儀、美國霍尼韋爾公司生產(chǎn)的便攜式氣體檢測儀等[6-7]，但該類產(chǎn)品依賴進(jìn)口，存在售后不便等一系列的問題，嚴(yán)重影響客戶使用體驗(yàn)。

近年來，國內(nèi)部分公司敏銳察覺到了該類產(chǎn)品的潛在市場，紛紛借鑒國外進(jìn)口產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)，生產(chǎn)了多款有毒有害氣體檢測儀，但其核心氣體傳感器仍依賴進(jìn)口產(chǎn)品，檢測儀存在響應(yīng)時(shí)間長、檢測誤差大、壽命短、檢測氣體單一等問題[8]。

因此，本文基于STM32 及電化學(xué)氣體傳感器，設(shè)計(jì)一種便攜式有毒有害氣體檢測儀，用于有毒有害化學(xué)品的泄漏檢測。所設(shè)計(jì)檢測儀具有體積小、功耗低、使用便捷等優(yōu)點(diǎn)，可以根據(jù)待檢測介質(zhì)不同更換不同的電化學(xué)氣體傳感器，實(shí)現(xiàn)不同的有毒有害氣體濃度檢測。

1 總體方案設(shè)計(jì)

便攜式有毒有害氣體檢測儀的量程為50×10-6，檢測誤差為±10%F.S，響應(yīng)時(shí)間T90不超過3 min，一次充電工作時(shí)長不小于8 h。

便攜式有毒有害氣體檢測儀由電源模塊、電化學(xué)氣體傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、微控制器、FLASH 存儲(chǔ)模塊、USB 通信模塊、RTC 時(shí)鐘模塊、溫度傳感器、采樣泵、OLED 顯示模塊、聲光報(bào)警模塊及按鍵交互模塊等組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。電化學(xué)氣體傳感器感測檢測儀所在區(qū)域的氣體濃度[9-10]；微控制器利用內(nèi)置ADC 模塊采集電池電量、氣體濃度信號(hào)；使用配套的7.2 V 鋰電池充電器通過充電口給內(nèi)置鋰電池充電；溫度傳感器采集環(huán)境溫度，RTC 時(shí)鐘模塊為采集的濃度值提供時(shí)間戳；按鍵交互模塊用于采樣泵的開啟/斷開控制、消音、系統(tǒng)設(shè)置等操作；微控制器將氣體濃度及電池電量等數(shù)據(jù)匯總，數(shù)字濾波通過UART 串口發(fā)送給OLED 顯示模塊，同時(shí)通過并行接口存儲(chǔ)到FLASH 存儲(chǔ)模塊；通過USB 模塊可以在計(jì)算機(jī)端查看存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)，超過報(bào)警閾值即啟動(dòng)聲光報(bào)警等功能[11]。

圖1 有毒有害氣體檢測儀的總體結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源模塊設(shè)計(jì)

電源模塊主要實(shí)現(xiàn)將內(nèi)置2 節(jié)18650 鋰離子電池輸出電壓轉(zhuǎn)換成各個(gè)功能模塊工作需要的電壓，包括DC 5 V、DC 3.3 V、DC 2.5 V 等。

如圖2 所示，將2 節(jié)18650 鋰離子電池串聯(lián)輸出端接到低壓差線性電源AMS117-5.0 V 輸入端，配置輸出電壓5 V 供給采樣泵及低壓差線性電源AMS1117-3.3 V 輸入端，配置輸出電壓3.3 V，為信號(hào)調(diào)理電路、微控制器、有毒有害電化學(xué)氣體傳感器、聲光報(bào)警模塊、OLED 顯示模塊、溫度傳感器、按鍵交互模塊、RTC 時(shí)鐘、USB 模塊及FLASH 存儲(chǔ)模塊等提供電源。同時(shí)，為了提高ADC 轉(zhuǎn)換精度，選用微功耗REF3125 電壓基準(zhǔn)源芯片將3.3 V 輸入轉(zhuǎn)換成2.5 V 輸出，供給微控制器ADC 基準(zhǔn)源輸入端。

圖2 各模塊的電源供電關(guān)系

2.2 微控制器模塊

便攜式有毒有害氣體檢測儀的核心是微控制器，對低功耗及接口提出了極高的要求?；诖?，有毒有害氣體檢測儀選用意法半導(dǎo)體研制生產(chǎn)的32 位高性能、低功耗的“ARM Cortex-M4”內(nèi)核的STM32F407 微控制器，主頻最高可達(dá)168 MHz，工作電壓范圍為1.8~3.6 V，工作溫度為-40~85 ℃。這款器件集成3 個(gè)I2C 接口、6 個(gè)UART 串口、3 個(gè)12 位高速高精度采樣的內(nèi)置ADC 模塊、標(biāo)準(zhǔn)FSMC 接口電路、NOR FLASH 存儲(chǔ)模塊等。USB 外設(shè)功能可配置成主機(jī)模式或從機(jī)模式，符合USB 2.0 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，可提供硬件除法功能及快速可嵌套中斷工作模式[12]。微控制器的硬件接線圖如圖3 所示。

圖3 微控制器的硬件接線圖

如圖3 所示，微控制器通過UART1 標(biāo)準(zhǔn)通信接口與OLED 顯示模塊通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的顯示及歷史數(shù)據(jù)查詢等顯示交互功能；使用2 個(gè)ADC 輸入通道用于采集電化學(xué)傳感器輸出的經(jīng)調(diào)理放大后的模擬信號(hào)及電池輸出電壓，進(jìn)一步換算出電池電量；使用外置NOR FLASH 配置成存儲(chǔ)單元，微控制器USB 端為通信接口，在計(jì)算機(jī)端以U 盤形式顯示，可以直接查看存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式為.csv；采用外置有源32.768 kHz 及8 MHz 晶振為STM3232F407 微控制器提供時(shí)鐘源；通過配置GPIO 輸出高低電平實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)采樣泵、聲光報(bào)警等功能；DS1307 型號(hào)RTC 時(shí)鐘芯片通過I2C 接口與微控制器通信；溫度傳感器采用DS18B20，采用單總線協(xié)議與微控制器通信；J-Link 通過SWD 接口進(jìn)行程序調(diào)試及下載[13]。

2.3 電化學(xué)氣體傳感器信號(hào)調(diào)理電路

本文中設(shè)計(jì)的便攜式有毒有害氣體檢測儀可選用兩電極型或三電極型電化學(xué)氣體傳感器，其工作原理是：待測目標(biāo)氣體通過薄膜擴(kuò)散到電化學(xué)氣體傳感器反應(yīng)腔內(nèi),與工作電極（WE）相互作用，通過改變負(fù)電極（CE）上的電壓保持WE 引腳的恒定電位。圖4 所示為兩電極型電化學(xué)氣體傳感器信號(hào)調(diào)理電路，工作電極輸出微弱的nA 級(jí)電流信號(hào)，將此電流轉(zhuǎn)換為輸出電壓需要使用具有極低輸入偏置電流的跨阻放大器，通過調(diào)節(jié)電阻器R2的大小可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓信號(hào)的放大或縮小，以適應(yīng)ADC 采集端的電壓要求。

圖4 兩電極電化學(xué)氣體傳感器信號(hào)調(diào)理電路

圖5 所示為三電極型電化學(xué)氣體傳感器信號(hào)調(diào)理電路。恒電位電路檢測參考電極（RE）的電壓，并向負(fù)電極（CE）提供電流，使RE 端與WE 端之間的電壓保持恒定。RE 端沒有電流流入或流出，因此流出CE 端的電流進(jìn)入WE 端，該nA 級(jí)電流信號(hào)與目標(biāo)待測氣體濃度成線性關(guān)系。由于不同氣體在傳感器中發(fā)生的可能是還原反應(yīng)或是氧化反應(yīng)，故流出WE 端的電流可能是正值，也可能是負(fù)值。將此電流轉(zhuǎn)換為輸出電壓需要使用具有極低輸入偏置電流的跨阻放大器，通過調(diào)節(jié)電阻器R2的大小可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓信號(hào)的放大或縮小，以適應(yīng)ADC 采集端的電壓要求。

圖5 三電極電化學(xué)氣體傳感器信號(hào)調(diào)理電路

本文選用AD8572 構(gòu)成運(yùn)算放大電路，該電器具有低失調(diào)電壓，最大為1 μV。電化學(xué)傳感器上電后到輸出建立穩(wěn)定電流輸出要幾分鐘甚至更長的啟動(dòng)時(shí)間，為避免啟動(dòng)時(shí)間過長，采用場效應(yīng)管MMBFJ177 將CE 引腳與WE 連接，當(dāng)MMBFJ177 的柵極-源極閾值電壓小于2.5 V 時(shí)，CE 與WE 處于短接狀態(tài)，上電后有助于電化學(xué)氣體傳感器輸出迅速穩(wěn)定。

2.4 存儲(chǔ)模塊

存儲(chǔ)器采用AMD 公司生產(chǎn)的NOR FLASH，型號(hào)為AM29LV256MC，封裝形式為56 引腳封裝，工作溫度為-40~85 ℃，工作電壓為3.0~3.6 V單電源，具有10萬次擦寫耐久，數(shù)據(jù)讀取時(shí)間120 ns。芯片的控制信號(hào)主要有芯片使能、寫使能和輸出使能，可通過模式配置引腳實(shí)現(xiàn)8 位數(shù)據(jù)總線或16 位數(shù)據(jù)總線工作。如圖6 所示，AM29LV256MC 與微控制器STM32F407 通過FSMC 通信接口進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取和寫入，具有響應(yīng)時(shí)間快、編程簡潔等優(yōu)點(diǎn)。

圖6 存儲(chǔ)模塊電路

2.5 OLED 顯示模塊

OLED 顯示模塊選用武漢谷鑫科技研制生產(chǎn)的OL035DZ_01WN 智能型彩色液晶顯示器。顯示器尺寸為3.5 寸，分辨率為800×480，顯示顏色65K，TTL 電平的uart串口接口通信，供電DC 3.3 V，工作溫度-40~80 ℃。

OL035DZ_01WN 智能型彩色液晶顯示器可以方便地進(jìn)行字符串、圖片、曲線等多種元素的編程實(shí)現(xiàn)，使設(shè)備更加美觀，符合人機(jī)工程學(xué)。

2.6 溫度傳感器

溫度傳感器選用1-Wire 單總線接口的DS18B20 溫度傳感器，其在寬溫度范圍內(nèi)具有高精度的特性，溫度檢測范圍為-50~150 ℃，可直接與MCU 的GPIO 連接使用，保障測量精度的同時(shí)，能夠降低MCU開銷并減少成本。

2.7 聲光報(bào)警模塊

聲光報(bào)警模塊主要涉及蜂鳴器及發(fā)光二極管。通過設(shè)計(jì)三極管電流放大電路，由微控制器驅(qū)動(dòng)蜂鳴器及發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)超限聲光報(bào)警[13]。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件總框圖

STM32F407 微控制器采用C 語言庫函數(shù)進(jìn)行應(yīng)用程序開發(fā)設(shè)計(jì)。應(yīng)用程序包括主程序、ADC 數(shù)據(jù)采集、RTC 定時(shí)獲取、正常工作模式、系統(tǒng)設(shè)置模式、聲光報(bào)警、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)通信、數(shù)據(jù)處理及串行傳輸?shù)茸映绦?，具體程序總框圖如圖7 所示。

圖7 程序總框圖

3.2 軟件流程圖

軟件流程如圖8 所示。首先，按鍵開機(jī)后進(jìn)行時(shí)鐘及外設(shè)的初始化；然后，進(jìn)入正常工作模式，傳感器信號(hào)調(diào)理電路、溫度傳感器、RTC 時(shí)鐘及OLED 顯示模塊等開始工作；內(nèi)部ADC 模塊采集濃度信號(hào)和電池電量，實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送給OLED 顯示模塊進(jìn)行顯示，并判斷是否發(fā)生泄漏。若發(fā)生泄漏，則發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，界面上綠色指示燈變成紅色，可以通過按消音按鍵實(shí)現(xiàn)消音，但報(bào)警指示燈正常點(diǎn)亮，直至檢測到氣體濃度低于泄漏報(bào)警閾值。

圖8 系統(tǒng)軟件流程

通過前面板上系統(tǒng)設(shè)置按鍵，可以進(jìn)入系統(tǒng)設(shè)置模式，但為了安全需要輸入密碼進(jìn)行確認(rèn)。系統(tǒng)設(shè)置模式里主要實(shí)現(xiàn)的功能包括零點(diǎn)校準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)氣校準(zhǔn)、時(shí)間校準(zhǔn)、歷史數(shù)據(jù)查詢等。

零點(diǎn)校準(zhǔn)需要將檢測儀放置到干凈的環(huán)境中或抽取氮?dú)?，開啟采樣泵后進(jìn)行操作，去除電化學(xué)傳感器自身的零點(diǎn)漂移及誤差；標(biāo)準(zhǔn)氣校準(zhǔn)需要配合特定濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣進(jìn)行操作，打開采樣泵，重復(fù)多次測試后進(jìn)行校準(zhǔn)；時(shí)間校準(zhǔn)主要是對DS1307 的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提供準(zhǔn)確的時(shí)間戳；歷史數(shù)據(jù)查詢功能可以查看存儲(chǔ)在NOR FLASH 內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)，一頁可以查看5 條記錄，包括時(shí)間、溫度、濃度值等參數(shù)。

4 測試及結(jié)果分析

便攜式有毒有害氣體檢測儀由2 節(jié)串聯(lián)的18650 鋰離子電池供電，電池容量為2 600 mA·h；電化學(xué)氣體傳感器與待測氣體反應(yīng)輸出電流信號(hào)后經(jīng)調(diào)理放大成電壓信號(hào)，并輸入到微控制器的ADC；微控制器將采集的數(shù)據(jù)處理后發(fā)送給OLED 顯示模塊，實(shí)時(shí)顯示氣體濃度值及電池電量，當(dāng)采集到的氣體濃度超過報(bào)警閾值時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。整體外形近似長方體，外廓尺寸最大為145 mm×80 mm×190 mm，重量為1.8 kg。在實(shí)驗(yàn)室采用標(biāo)準(zhǔn)氣對濃度傳感器進(jìn)行測試及功耗測試[14]。

4.1 功耗測試

在實(shí)驗(yàn)室里將萬用表Agilent34410A 的電流檔串入供電電路，使用開關(guān)電源供電，設(shè)置輸出電壓為DC 7.2 V，開機(jī)后啟動(dòng)采樣泵進(jìn)入正常工作模式，功耗為235 mA，整機(jī)功耗約1.69 W，一次電池充滿電可連續(xù)工作10 h以上。

4.2 標(biāo)準(zhǔn)氣測試

本文以檢測氨氣為例，在實(shí)驗(yàn)室里利用氨氣標(biāo)準(zhǔn)氣對便攜式有毒有害氣體檢測儀進(jìn)行響應(yīng)測試[14]，測試用標(biāo)準(zhǔn)氣濃度分別為1×10-6、10×10-6、50×10-6（傳感器量程50×10-6）。便攜式有毒有害氣體檢測儀標(biāo)準(zhǔn)氣測試記錄如表1 所示，檢出限達(dá)到1×10-6，響應(yīng)時(shí)間T90小于等于165 s，檢測誤差小于等于5%F.S，響應(yīng)時(shí)間和檢測誤差均滿足要求。

表1 標(biāo)準(zhǔn)氣測試記錄

5 結(jié) 論

針對目前便攜式有毒有害氣體檢測儀響應(yīng)時(shí)間較長、檢測誤差較高的問題，本文以STM32F407 微控制器為核心，基于電化學(xué)氣體傳感器設(shè)計(jì)一種便攜式有毒有害氣體檢測儀。該檢測儀具有電化學(xué)氣體傳感器信號(hào)調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換、電池電量監(jiān)測、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、聲光報(bào)警等功能，且具有體積小、使用便捷等優(yōu)點(diǎn)。測試結(jié)果表明：便攜式有毒有害氣體檢測儀測量范圍寬、檢測誤差小、響應(yīng)時(shí)間快、功耗低。根據(jù)不同的行業(yè)要求，針對不同的檢測介質(zhì)，可更換不同的電化學(xué)氣體傳感器來監(jiān)測不同種類的氣體，設(shè)置不同的檢測量程及報(bào)警閾值，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。