多通道新型气体检测仪

郎宝华刘哲孙鲁艳

（1.西安工业大学电子信息工程学院西安710021）（2.西北工业集团有限公司西安710043）

多通道新型气体检测仪

郎宝华1刘哲1孙鲁艳2

（1.西安工业大学电子信息工程学院西安710021）（2.西北工业集团有限公司西安710043）

为了测量在工业现场或者在一些气体已经发生泄漏场所的气体浓度，降低其危险程度，设计一种基于ARM的多功能气体检测仪，以STM32F103为主要控制核心，软件采用模块化的思想进行程序编写。检测仪在检测现场环境的气体种类以及其浓度的同时，通过LCD屏幕将数据进行实时的显示，使用者可以直观地看到测量数据。仪器中保存的数据可以通过USB模块传入利用LabVIEW软件编写的上位机系统，对数据进行更近一步的处理。

多通道；气体检测仪；ARM；LabVIEW

Class NumberTP29

1 引言

在现今这个物质逐渐丰富的时代，物质的丰富同时也代表着制作工艺的复杂多样化。因为现今工业技术的约束，制作环节之中会时常的伴有无用的副产品，比如气体、废渣等。工业现场的环境监测变得缺失不可，这样既可以保障工作人员的身体健康又可以确证工业现场的安全。现今人们对于健康的问题日渐关注，越来越多的人们已经认识到环境，尤其是气体对于身体健康的损害，所以加强对于气体的检测和改善势在必行。文献［1］中介绍了现在的气体检测仪的发展趋势，包括小型化、智能化、多功能化、通用化以及网络化。从现今市场分析来看，气体检测仪的发展越来越符合这样的趋势。文献［2］中介绍了德国的两款多种气体检测仪即MiniWarm和X-am 700，这两种仪器都符合体积小、质量轻、操作简单等特点。但是在测量气体种类方面局限于四到五种，并且工作环境温度只是适用于室温场合，不适应于具有较高温度的工业现场。此次设计的检测仪在通道上面可检测八种气体，并且自带有温度检测传感器，在检测时可通过导管将测量气体流经传感器。

2 系统概要设计

气体检测的整体结构如图1所示，仪器通过传感器模块将气体浓度数据采集到以后，通过AD7173处理电路将数据进行校正及模数转换，并且通过SPI通信将处理后的信号传入到STM32主控制芯片之中。同时，在气体温度传感器之中的数据也会随之传入到芯片之中，在ARM芯片之中可将数据保存至EEPROM之中，并且通过LCD屏幕显示出来。利用LabVIEW软件为仪器编写了相应的上位机程序，完成对测量数据的进一步处理，使数据变得更加直观，可视化。

图1 系统总体结构图

3 系统硬件设计

3.1 核心控制器

核心控制器采用ST公司的STM32F103系列芯片，在接口连接方面可利用芯片自带有2个SPI接口分别对气体浓度和温度传感器进行数据监测，还可以利用。PA11，PA12可实现USB的传输，进行检测仪与LabVIEW上位机的通信。

3.2 气体信号采集处理电路

在仪器功能设置中需要测量的包括气体浓度和温度。这就表示了采集信号的电路包括了气体浓度和现场温度采集两种电路。在采集到环境的温度后，可凭借此参数［3］正确地计算出气体的真实浓度参数。另外传感器的工作条件有环境温度的限制，这样的条件约束了仪器使用的环境。所以，为了保护仪器中的传感器不会受到损害，温度的测量就显得不可缺失。

3.2.1 气体浓度采集电路

在此测量仪的气体传感器［4］选择方面，其一为电化学传感器，测量的气体包括了SO2、H2S、CO2、NO2、O2、NO，此类传感器的处理电路具有一定的相似性。其二为红外线气体传感器，CH4和CO2主要采用了这种传感器进行信号采集。红外线传感器的输出电压信号量程为0.4V～2V，传感器的输出信号可分别直接连接到AD7173的Vi_CH4和Vi_CO2引脚处。

电化学传感器处理电路中［5］，场效应管短接了参考电极和感应电极，保证仪器在断路时处于准备工作状态，运算放大器与传感器的感应电极和对电极形成电化学通路，另一个运算放大器将感应电极输出的微弱电流信号转换成电压信号，在通过电容将信号进行滤波并调整到AD电路的适应电压范围，如图2所示。

图2 气体电化学传感器测量电路

红外线传感器采用的是来自英国Dynament公司的产品，型号为MSH-P-HR。这类传感器在测量气体时具有高达0.1%的分辨率，可以满足很多工业测量需求。而且，该类传感器可根据用户的需求进行配置。传感器输出信号经过温度补偿，具有卓越的线性输出性能和稳定性。所以传感器输出在0.4V～2V的输出范围之内时，参数呈现出了明显的线性化原则。并且因为其输出参数足够大，并不需要经过放大电路进行处理，所以传感器输出OUT可直接连接到AD7173的IN5引脚。

3.2.2 热电偶测温接口电路

热电偶电路处理芯片选用的是AD7793［6］。此类芯片测量精度较高，并且还有低功耗、低噪声等优势，其内置的基准电压源和激励电流，可简化热电偶系统的电路设计。热电偶的输出电压信号多为毫伏级，需要通过AD7793的内置仪表放大器将信号放大。芯片的输入通道具有缓冲作用，可将大去耦电容置于前端，以便消除可能出现在热电偶引脚上面的噪声影响。电路中的热敏电阻具有冷端补偿作用，芯片内的激励电流较为稳定可作为热敏电阻的激励源。此外，冷端测量的基准电压来自于该热敏电阻串联的精密电阻。由此可实现比率式测量，在此情况下，激励电流的波动不会对测量产生影响。在测得温度后，可以通过一定的方法对测量的气体参数进行温度补偿［7］，得到比较精确的气体浓度参数。

3.3 信号处理AD模块

AD转换电路的芯片选择的是Analog Devices公司的AD7173，该芯片具有快速建立、高分辨率、多用复用等功能。其多通道的通信方式使硬件的选择变得简单，此次主要是使用SPI通信与主控制芯片进行通信。在芯片的IN端口，连接有八种气体的采集处理电路信号，经过内部的模数转换后，将信号传入控制芯片进行处理。

3.4 LCD显示电路

系统选用3.2寸的TFT屏幕模块，ILI9341为其驱动芯片，它可以显示字母、数字符号和图片等，在显示气体参数时，可以分离不同的区域显示不同的气体浓度参数。

3.5 数据存储模块

系统选用了AT24C02，这是一个2K位串行CMOS E2PROM，内部含有256个8位字节，CATALYST公司的先进CMOS技术实质上减少了器件的功耗。AT24C02有一个8字节页写缓冲器。该器件通过IIC总线接口进行操作，并有一个专门的写保护功能。WP为写保护引脚，当该引脚接地或悬空时，芯片能够进行读/写操作。

4 系统软件设计

软件采用了模块化的思想进行编写。通过主程序调用各个模块去完成相应的功能，通信方式包括有SPI通信［8］和I2C通信。开始时，仪器首先完成自检及初始化，其后开始进行仪器的数据测量并加之显示、存储。PC上位机是采用LabVIEW软件编写完成的，并完成相应设置的功能，具体程序框图如图3所示。

图3 系统软件程序框图

在仪器运行初始传时感器检测到的数据为设为原始数据。根据气体化学性质的部分类似性，所以检测的气体对于不同的传感器会产生交叉干扰，为了获得精确的测量数据就需要利用交叉干扰算

法解得实际的气体浓度参数，具体方法如下：气体交叉干扰系数矩阵为A，

其中aij，bij，cij，dij，eij，fij，gij，hij() 1≤i≤8，1≤j≤8为8种气体对8种传感器的干扰系数。X=[x1，x2,x3, x4,x5,x6,x7,x8]T为真实气体浓度对应的数据；Y=[y1,y2,y3,y4,y5,y6,y7,y8]T为传感器输出信号矩阵。

由AX=Y，可以得出

由于Y和A可根据实验结果计算出，故可通过jacobi（雅克比）迭代法解线性方程组求出X。

虽然检测仪自带存储，但是在数据的显示和处理方面还是不够便捷直观，所以需采用上位机将数据进行深层次的处理和保存。上位机系统采用LabVIEW软件进行编写，软件图型化的控件使程序的编写变得尤为简单。前面板可以通过放置按键、显示控件、输入控件等，完成上位机界面的功能设定。

将数据传输到上位机过程伊始，需利用USB接口［9］将仪器和电脑进行连接，然后打开仪器和上位机界面。在确认连接成功后，可以通过按钮控制数据的传输，并且可将这些传输的数据保存至数据库中［10］。在数据库中的参数可以通过LabVIEW中的界面进行数据的查询、删除以及绘制相应的曲线。上位机的数据显示界面如图4所示，当仪器与上位机通信正常，可以进行数据的传输后，可通过选择界面添加记录按键，开始传输数据，当数据传输成功后记录添加成功指示灯闪烁一次。

5 结语

针对气体测量市场的发展趋势和现今气体测量仪的局限性，通过研究所需测量气体的化学性质，并设计了基于STM32的多通道气体检测仪。此气体检测仪在检测气体浓度、温度时将数据进行保存，并在LCD屏幕上面显示实时检测数据，且该仪器配备相应的上位机系统，可进一步地将数据进行处理，包括删除、查询、保存、打印和显示曲线等功能，利用此上位机可以全面地反应被测气体在特定环境中所显示的变化趋势。检测仪采取了热电偶进行实际场所的温度测量，并且通过管道将需测量的气体通入仪器传感器中，可实现远距离的测量，不必去担心因为温度而影响了仪器的使用范围，此热电偶的选择使检测仪的使用范围得到了扩充。实验测得的气体参数包括温度、浓度等通过液晶显示屏显示，如图5所示。LCD屏幕中显示的依次为八种气体的浓度参数。此类参数实测地点为日常生活的场所，数据近似等于实际参数。当某种气体的浓度超过极限值时，在屏幕中可突出显示出来，并作出相应的提醒。

图5 仪器LCD显示

［1］贺达琪.气体检测仪及其发展趋势［J］.黑龙江科技信息，2011，33：55.

HE Daqi.Gas detector and Development Trend［J］.Heilongjiang Science and Technology Information，2011，33：55.

［2］张进良.德国两款多种气体检测仪［J］.消防技术与产品信息，2009（6）：93-94.

ZHANG Jinliang.Germany two multi-gas detector［J］.Fire Technique and Products Information，2009（6）：93-94.

［3］师宝山，张贵州.气体传感器在多参数气体检测仪中的应用［J］.仪表技术与传感器，2007（6）：23-24.

SHI Baoshan，ZHANG Guizhou.Application of Gas Sensor in Multi-parameters Gas Detetor［J］.Instrument Technique and Sensor，2007（6）：23-24.

［4］黄楠韬.几种重要的气体传感器的特性分析［J］.华北科技学院学报，2009（3）：117-118，122.

HUANG Nantao.Several Important Gas Sensor and Its Development Direction［J］.Hebei University of Technology，2009（3）：117-118，122.

［5］周安.电化学气体传感器工作电路的设计［J］.首都师范大学学报（自然科学版），1997（S1）：136-139.

ZHOU An.Design of Electrochemistry Gas Sensor Circuit［J］.Journal of Capital Normal University（Natural Science Edition），1997（S1）：136-139.

［6］董鸣.AD7793在高精度温控设备中的应用［J］.电子技术与应用，2012（8）：31-32，30.

DONG Ming.Application of AD7793 in High Precision Temperature Control Equipment［J］.Electronics Design& Application，2012（8）：31-32，30.

［7］高峰，曲建岭.气体测量中的温湿度补偿新方法［J］.仪表技术与传感器，2000（8）：9-10，26.

GAO Feng，QU Jianling.New Methods for Temperature/ Humidity Compensation in Gas Measurement［J］.Instrument Technique and Sensor，2000（8）：9-10，26.

［8］左东广，魏瑞轩.SPI接口技术及应用［J］.工业控制计算机，2001（2）：9-10，39.

ZUO Dongguang，WEI Ruixuan.SPI Interface Technology and Application［J］.Industrial Control Computer，2001（2）：9-10，39.

［9］张青春.基于LabVIEW和USB接口数据采集器的设计［J］.仪表技术与传感器，2012（12）：32-34.

ZHANG Qingchun.Design of Data Acquisition Instrument Based on LabVIEW and USB Interface［J］.Instrument Technique and Sensor，2012（12）：32-34.

［10］张淑敏，毕丽红，马艳芳.基于LabVIEW的数据库管理系统［J］.工业控制计算机，2010（9）：5-6.

ZHANG Shumin，BI Lihong，MA Yanfang.database management system based on LabVIEW［J］.Industrial Control Computer，2010（9）：5-6.

New Multi-Channel Gas Detector

LANG Baohua1LIU Zhe1SUN Luyan2
（1.School of Electronic Information Engineering，Xi'an Technological University，Xi'an710021）（2.The Northwest Industrial Group Co.，Ltd，Xi'an710043）

In order to measure the gas concentration in the industrial field，or some of the gas leak has occurred in places，reduce its level of risk，a kind of multifunctional gas detector is designed based on ARM.The instrument STM32F103 is treated as the main control center，the software uses modular programming thoughts.When gas detection instruments in the type of site environment and its concentration are detecting，through the LCD screen will display the data in real time，the user can visually see the measurement data.Data stored in the instrument can be passed using LabVIEW software prepared by the host computer system via a USB module，the data processing steps closer.

multi-channel，gas detector，ARM，LabVIEW

TP29

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.06.044

2016年12月10日，

2017年1月28日

郎宝华，男，博士，副教授，研究方向：高精度交流电机控制、嵌入式系统等。刘哲，男，硕士研究生，研究方向：控制理论与控制工程、嵌入式系统。孙鲁艳，女，助理工程师，研究方向：系统工程和企业管理。