多功能便携式气体浓度检测报警仪的研究与设计

李瑞华 孔晓红

摘要：基于UCGUI图像系统设计一种气体浓度智能检测报警仪。介绍该仪器仪表的系统硬件及软件设计，阐述该仪器仪表的功能及与传统的仪器仪表相比的优势。该仪器仪表结构小巧、功能实用、操作便捷、携带方便，适宜推广应用。

关键词：自动检测仪器仪表；气体传感器；气体浓度；报警；便携

中图分类号：TP216 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2016）06-0019-04

H2S，CO，O2及可燃气体是一类对人类和环境有很大危害性的气体[1]。大多数有毒有害且可燃的气体都有电化学特性，可以发生电化学氧化反应或还原反应，气体的成分和浓度通过这些化学反应就可以检测出来[2]。电化学类气体检测仪主要用于检测毒性气体如H2S，CO，O2及可燃性气体[3-4]；电化学气体传感器的主要优点是气体浓度检测灵敏度高、选择性好，消耗量极小，可采用便携的干电池来供电。对很多气体，电化学传感器能够实现极低浓度下的有效测量[5-6]。便携式智能仪器仪表以其体积小、质量轻、便捷的优点已经在许多领域得到了应用。目前市面上大部分的便携式仪器仪表都是单色屏幕，显示效果很不美观，且功能较少，大多数都是固定功能设计的，更换传感器种类需要重新设计电路。本设计采用主控电路与采集电路分开连接的方法来灵活改变仪器仪表的功能，界面采用上、下、左、右、确定、返回6个按键作为系统的输入屏幕，菜单的深度为4，具有温度补偿功能，可自由设定RTC时间、亮度、气体报警的参数、屏幕睡眠时间，在很大程度上能够满足用户的各种需求。

1 系统的硬件设计

本设计的硬件电路主要由电源管理电路、主控显示系统和信号采集系统三部分组成。考虑到系统的通用性，将信号采集系统单独布在独立的PCB上，并采用连接器连接。信号采集部分是基于电化学传感器的恒电位电路，经差分式运放变换之后送往STM32的AD采集接口。主控部分主要由STM32最小系统、外围电路及TFT显示单元组成，负责信号采集部分送来的数据的处理与显示，以及整个系统的各个参数的设定与修改。

1.1 信号采集

信号采集电路如图1所示。系统的电化学传感器是由U11的A运放，R28，R29，C31，C34，C36组成的恒电位电路，以满足电化学传感器的特性；经R39，U11的B运放和C40，C46，R43，R48组成IV放大电路之后，由SIG端口输出信号经过U13的A运放和周边电容电阻组成差分放大电路；最后经1脚输出送往主控芯片进行AD处理。氧气传感器输出的是电流信号，在R52上形成电压之后，经过U14的B运放和R44，R46，R47，R49，R52等组成的差分放大电路，并由7脚送往主控芯片AD输入脚处理。可燃气体传感器内部由传感电桥组成，并且外加R56和R57作为另外一个桥臂组成电桥，RP1用来调整电桥的零点，输出的信号送往U13的B运放和周边电容电阻组成的差分放大电路，之后由7脚送往主控芯片进行处理，为了抑制电路的共模干扰，选择基准电压芯片TL431作为运放的参考电位形成共模伪地（即图1中的标号VRR）。集成运放采用TI公司生产的精密仪表类集成运放AD8607。

1.2 主控显示

主控显示部分以STM32及2.2寸TFT作为显示单元；输入部分由6个按键组成，根据主控芯片的特性，返回键具有开关机功能，只能配置成下拉输入，其他的按键都配置成上拉输入的方式；报警部分采用PWM分别控制开关三极管输出声、光、震动3种方式来报警；为了进一步提高AD的转换精度和稳定性，采用一个TL431输出2.5 V的参考电压作为AD外设的参考。

1.3 电源管理电路

由于系统采用内置锂电池作为系统的电源，所以需要对电池进行充电，以及对电压进行监测。采用CN3068作为电源电路的管理芯片，可对电池进行分段式智能充电管理，通过改变芯片第二引脚的对地电阻R8的阻值来调节正常充电的电流大小，以有效延长电池的使用寿命。电源管理电路如图2所示。图中由R2，R3，C7对电池电压分压滤波，由送往主控芯片的PC4的AD外设输入端口进行AD变换，Ds1，Ds2分别作为系统的充满指示灯和正在充电指示灯，Ds2通过R7送往主控芯片的一个普通端口来监测当前是否正在充电。系统由MicroUSB经过D2和电池经过D1这两个快速恢复二极管到VPP作为整个系统的电源输入，然后由VPP分别经过U1，U2，U3等直流DC芯片CAT6219变换成系统所需要的各种电压。另外，为了避免因报警等引起的电源不稳定而造成对系统干扰，采用分离供电方式，以提高系统的稳定性。

2 系统的软件设计

2.1 下位机的设计

软件系统采用基于免费、开源且可根据项目需求裁剪内核的UCGUI图形系统，并以STM32的FSMC外设控制器模拟8080接口时序来控制TFT，从而进一步解决了单片机显存小、速度慢的问题。GUI部分界面如图3所示。

信号采集部分将采集到的数据进行处理放大后送给主控单元，由主控单元对数据进行温度补偿。补偿的方法是：通过读取存储在flash中的由标准温度环境下测得的数据，并进行比例线性变换，之后再同由标准气体环境下测得的AD值数据进行比例线性变换，得到最终的浓度数据，分别送往显示单元进行显示，并与设定的值进行对比，判断是否需要报警。当使用者有需要的时候，可以使用配套的上位机，通过计算机串口访问存储在flash中的数据。电化学传感器普遍存在着稳定性差的问题，所以在标准气体环境中标定过之后会出现数据闪烁的问题，为此，本设计程序中对采集到的AD值数据进行边界值限定，从而扩大容差范围。STM32本身没有集成EEPROM，但是却提供了IAP功能，所以为了节省硬件的成本，特使用STM32本身的程序存储器来存储系统的设置参数。然而STM32的闪存擦除寿命却很有限（大约1万次），为此，本设计提出一种可以延长闪存寿命的方法，利用虚拟地址与变量值相结合，以闪存的单个扇区为擦除单位，循环写入，直到写满此扇区，之后暂存与虚拟地址对应的有效数据，擦除整个扇区，再把暂存的有效数据连同虚拟地址一同存储在扇区的开头，如此可以利用空间来换取寿命，对数据进行访问时，只需要知道将要访问的数据的虚拟地址，并从扇区的后面开始查找，遍历到虚拟地址位置就是当前的有效数据的位置。写入数据流程图如图4所示。

整个软件的程序采用多叉树的数据结构，并围绕6个按键组成一个查询响应不同深度屏幕的方式。各个树杈中严禁出现延时类的函数，故速度优化不存在树节点轮询速度慢的问题。软件的整体流程如图5所示。

2.2 上位机的设计

上位机系统采用VB编程，通过串口和STM32进行通信，读取过来的数据按照年、月、日的格式存储在Excel表格中，绘制成图标文件，并且可以分别查看单一和全部通道的数据曲线和保存当前曲线截图，软件分别用红、黄、蓝、紫4种颜色代表H2S[7]，CO[8-9]，O2和可燃气体的浓度，X轴代表所处一天中的某个时间段。上位机界面的设计如图6所示。

3 结语

基于UCGUI图像系统，以STM32硬件平台设计一种便携式多功能气体浓度报警仪。该仪器具有两级报警和声、光、震动3种报警方式，安全可靠，并配套开发有上位机，通过串口通信访问存储的历史数据，以方便用户进行分析处理。该仪器仪表设计小巧，携带方便，适宜推广应用。

参考文献

[1] 张景国.基于TDLAS的一氧化碳气体浓度测量技术研究[D].成都：电子科技大学，2011：51-52.

[2] 张勇.红外甲烷浓度检测系统的设计与开发[D].青岛：中国石油大学，2009.

[3] 刘文琦，牛德芳.光钎甲烷气体传感器的研究[J].仪表技术与传感器，1999（1）：35-36.

[4] 孙晓峰.利用LED检测甲烷浓度的实验研究[D].长春：吉林大学，2004.

[5] WANG J.Carbon-nanotube based electrochemical biosensors：A review[J].Eletroanalysis，2005（17）：7-14.

[6] ZHANG S，WRIGHT G，YANG Y.Materials and techniques for electrochemical biosensor design and construction[J].Binsens

Bioelectron，2000（15）：273-282.

[7] DONG CHEN，WENQING LIU，YUJUN ZHANG，et al.Fiber distributed multichannel open path H2S sensor based on tunable diode laser absorption spectroscopy[J].Chin.Opt.let.，2007，5（2）：121-124.

[8] 韩昭明.基于CDMA网络的CO浓度检查系统的研究[D].秦皇岛：燕山大学，2006.

[9] 刘新跃.基于TDLAS的CO在线监测系统的研究与开发[D].成都：西南交通大学，2006.

Abstract： Based on image UCGUI system a kind of intelligent detection alarming apparatus was designed. This paper introduced the design of system hardware and software used in the instrument， and expounded its advantages on the function compared with traditional instruments. The instrument has the advantages of small and exquisite structure， practical function， easy to operate， convenient to carry and suitable for population and application.

Key words： automatic detection instrument； gas sensor； gas concentration； alarm； portable