化工园区无机有毒气体分析仪的设计*

蒋旭伟，虞启凯，韩江义，杨红鑫

（1. 南京科技职业学院智能制造学院， 南京 210048；2. 江苏大学汽车与交通工程学院， 江苏镇江 212013）

0 引言

电力、煤炭以及石油化工等工业园区容易产生大量易燃易爆、有毒有害气体，是污染气体排放的重点分布区域[1]。烟气的有组织和无组织排放必须符合国家标准的相关规定，因此，对这些有害气体进行及时、精确地监测和预报是许多企业安全生产中的重要一环。在工业园区，如果能够进行实时有效的环境监测，一方面能够及时了解各种气体特征污染物的浓度和排放量，从而减少偷排现象；另一方面能给企业工艺的改进提供真实有效的数据来源，从而促进节能减排[2]。由此可见，不论政府相关部门还是企业管理层，对环境安全风险监测、预警及应急指挥等都有较高需求。因此，如何研究并设计出适用于化工园区厂界的气体分析仪已成为当今环保监测的热点和难点。

通常在大气环境检测中，被测试的气体是以混合气体形式存在，成分复杂，研究出同时检测多种有毒有害气体的检测仪尤为迫切[3]。但目前，我国分析仪器市场上有毒气体分析仪还不常见，检测组分单一，且产品技术更新缓慢。本文针对上述问题，研发一款适用于化工园区的无机有毒气体分析仪具有重要的现实意义。

1 仪器总体设计

1.1 功能需求

通过分析现场的检测需求，对所设计的仪器提出总体功能需求，具体如下。

（1）采集功能：传感器信号采集部分的设计尽可能灵活，用于扩展其他有毒气体的检测。

（2）显示功能：实时显示监测数据，包括气体浓度、环境的温湿度、系统运行状态等。出现多任务时仪器应具备良好的处理能力和实时性。人机交互界面友好，支持中文界面操作，降低现场工作人员使用难度。采用触摸屏，方便设置各种功能参数。

（3）通信功能：与现有设备兼容，集成可靠的RS485 通讯，可将分析仪检测到的信息传输到上位机，同时上位机用户也可对现场数据进行设定和修改。

（4）预警功能：可为所检测的有毒气体浓度预设报警阈值，当气体浓度超限后，分析仪自动触发报警装置。

（5）记事本功能：可存放软件设计中的变量信息，当系统掉电后，分析仪所设的参数、气体浓度、温湿度、报警等信息可自动保存，方便后续查询。

（6）掉电保护功能：保证在掉电后，用户设定的数据以及记事本中的数据不丢失。

1.2 性能指标

本文研究的气体分析仪应具备如下指标。

（1）仪器适用于化工园区排放有毒气体频繁的场所，符合工业仪表标准，精度等级不低于2.5。

（2）可同时检测4 种无机有毒气体，浓度测量范围：硫化氢0～100 mg/L，氨气0～100 mg/L，氯化氢0～20 mg/L，氟化氢0～10 mg/L。

（3）仪器预热时间不超过5 min，且具备标定与校准功能。

（4）至少支持4 路可编程继电器输出用于声光报警和气阀控制。

（5）仪器使用过程中可存储参数设置、声光报警、维护提醒等历史信息，且记录条数不少于100条。

（6）液晶显示器支持触摸操作，界面应包括气体实时监测界面、菜单选择界面、标定与校准界面、通信界面、参数设置界面等。

2 硬件设计

该气体分析仪以低功耗、高可靠性为切入点，依据系统功能设计的要求，结合气体检测技术与嵌入式系统理论，选用ARM系列高性能、低功耗工业级芯片STM32F429作为监测系统的核心处理单元[4]。该芯片主频高达180 MHz，拥有丰富的ADC、DAC、USART、SPI、I2C、CAN 等片内外设资源，为开发带来诸多便利。传感器信号调理模块选用双通道精密集成运放AD8572，具备功耗低、噪声低、电流输入偏置极低等优点。数据存储模块采用美国Mircon 公司的M25PE80 芯片，数据存储年限可达20 多年。人机交互通过7 寸彩色触摸屏GL25U070AT8048T实现。声光报警通过继电器控制外围设备，如光路报警和蜂鸣器报警等。仪器硬件框图如图1所示。

图1 硬件框图

2.1 信号调理电路设计

该仪器针对的4 种有毒气体检测均采用电化学气体传感器，其采用恒电位电解原理，输出为微安级电流信号。目前，微安级电流检测的经典方法有运算放大器法、场效应管法、稳压器法、开关电容积分法[5]。本设计以ADI公司的精密集成运放AD8572为核心设计恒电位电路及I-V转换电路，从而实现微安级电流转换为伏级电压。最后，再次通过运算放大器进行放大、滤波后，将信号传入微控制器的ADC进行处理。双通道四路放大器AD8572采用5 V/2.7 V单电源供电，工作温度范围内（-40～125 ℃）偏置电压最低可达1 μA，输入偏置电流不超过20 pA，输入偏置漂移为0.005 μV/℃[6]。此外，该芯片的开环增益高达130 dB，可保证信号放大更为准确。信号调理电路如图2所示。

图2 信号调理电路

2.2 GLCD显示电路设计

在对有毒气体监测的过程中，为了使现场工作人员能够更加直观、清晰地观测到化工园区目标气体的各项参数，并进行相关决策，本设计选用带触摸功能的GLCD彩色液晶显示屏。该显示器采用5 V供电，四线制的SPI通讯方式与主控芯片进行指令交互，其中每条通讯线均需串联电阻，以增加阻抗，防止信号过冲，其接口电路如图3所示。

图3 GLCD接口电路

2.3 外部存储电路设计

存储模块选用美国Mircon 公司的M25PE80 芯片。该芯片采用2.7～3.6 V供电，容量为8 Mbit，由16个扇区组成，每个扇区分为256页，可提供超过105次的数据写入和擦除操作[7]。支持页编程，每页256 Byte，页编程的典型时间为0.8 ms。芯片擦除的最小单位为1个扇区，同时支持整片擦除，整片擦除的时间为13 s。数据存储年限可达20年。M25PE80 支持标准四线制SPI 通讯，采用全双工通信，数据按位传输，高位在前，低位在后，其硬件电路如图4所示。

图4 数据存储电路

2.4 声光报警电路设计

声光报警电路采用警示灯和蜂鸣器进行报警，通过视觉和听觉让工作人员能够直观地感受到现场环境的危险程度，警示作用明显。为满足气体分析仪多样化的控制要求，本文设计继电器接口用于控制如报警、气阀开关等外围设备。继电器选用AXICOM 公司的额定电压为12 V 的电磁继电器。由于继电器驱动电流较大且远远超出MCU驱动能力，需增加一个达林顿管ULN2003。电路设计如图5所示。

图5 声光报警电路

3 软件设计

3.1 系统运行与线程划分

仪器的软件设计采用模块化、分层设计的思想，分为硬件驱动层、操作系统层和应用层，软件架构如图6所示。底层硬件驱动层按模块封装成类似库函数，提供API 给功能模块调用，方便后期的移植和开发。操作系统层主要负责任务线程的调度，降低程序开发的难度。应用层按系统的功能划分为多个线程，并基于操作系统编写应用程序，调用驱动层API完成与硬件模块的交互。

图6 软件架构

软件的功能实现是在RT-Thread 操作系统上构建任务框架，根据功能划分任务线程，各线程的执行通过操作系统的调度器来控制。RT-Thread是一款由国人自主研发的、免费开源的物联网操作系统。采用面向对象的编程方式，相比于其他OS，RTOS 更加偏向个性化定制，具备执行效率高、占用空间小和软件存储固化等特点[8]。此外，RT-Thread 支持市场上主流的编译工具，如keil、IAR、GCC等。主程序线程划分如图7所示。

图7 主程序线程

3.2 浓度采集及算法设计

气体浓度采集模块使用ADC与DMA（直接存储访问）相结合的方式，有效避免数据丢失，A/D 采样过程如图8 所示。根据设计要求，选用ADC1的第4、第5、第8、第9通道分别作为4种检测气体的采集通道，转换模式选择扫描模式。ADC将采集到的数据以16 bit右对齐方式存放在ADC_DR中，但由于寄存器的存储空间有限，在进行多通道采集时还需开启DMA 功能[9]。当每个通道数据转换结束后会发送DMA 请求，DMA 控制器会响应该请求并将转换的结果传输到目的存储地址。

图8 A/D采样流程

在标况下，由于气体浓度的变化相对较缓慢，中位值平均滤波算法在气体检测行业中具有广泛的适用性，该算法融合了中位值滤波和算术平均滤波的优点，适用于滤除偶然出现的脉冲性干扰造成的采样偏差。算法流程如图9所示，将连续采集到的n个数据，首先使用冒泡排序法将其从小到大排列，然后去掉首尾的最小值和最大值，最后将剩下的（n-2）个数取其平均值。

图9 中位值平均算法流程

3.3 人机交互界面设计

人机交互界面不仅能够方便用户直观清晰地查看现场检测数据，还可以通过操作界面来实现设定仪器的功能。仪器借助emWin 图形库进行界面开发。emWin 是德国SEGGER 公司针对嵌入式领域开发的GUI，可为任何图形LCD 设计提供高级支持，使嵌入式图形界面开发变得简单快捷[10]。emWin绘制界面时无需发送专门的指令，只需调用emWin 提供的接口函数，可输出高质量的无锯齿文字和图形。界面设计框架如图10所示。

图10 界面设计框架

4 实验分析

4.1 传感器稳定性测试

为了测试气体流量的大小是否会影响气体传感器的检测精度进行流量试验。本文以H2S 为例进行了两组实验，第一组实验通入47 ppm 的样气，通过调节流量阀使气体以400～900 mL/min 流速流入，且以100 mL/min 的幅度递增。第二组实验通入23 ppm 的标准气，流量为900～1400 mL/min，同样以100 mL/min 的幅度递增。测量时，在每次调节流量后，需等待一段时间使得读数稳定，记录此时的气体浓度值。气体流量测试数据如表1所示。

表1 气体流量测试数据

由上述两组实验数据可知，当气体流速以500 mL/min 变化时，实测浓度存在明显波动。综上，气体流量的大小会影响检测结果，为保证仪器的稳定输出，需要对气体流量进行稳定控制。

4.2 仪器精度测试

为了检测仪器的测量精度，本文通过对几组已知浓度的样气进行测量，分析观测值与真实值之间的误差，判断仪器的准确性。实验时，保持恒温15 ℃，通气流量为500 mL/min，以H2S 为例，分别通入6 种不同浓度的标准气，每种浓度的样气采集10 次求平均后作为测量值，检测结果如表2 所示。由表可知，经多次试验测量，相对误差均在±2%以内，表明该分析仪器测时，准确性较好，满足设计要求。

表2 仪器精度测试数据

5 结束语

本文提供了一种基于STM32 和电化学传感器的化工园区无机有毒气体分析仪的设计方案，从数据采集、调理、显示、存储等环节给出软硬件具体实现方案，并搭建测试平台，进行了传感器稳定性测试及仪器精确度测试。测试结果表明：该气体分析仪的功能完善，性能稳定，抗干扰能力强，符合设计要求，具有实用价值，为在线气体监测系统的研究奠定仪器基础。