基于STM32L151的低功耗便携式多组分气体检测仪设计

2022-02-17胡涵旭许云帆李益明杨昊青卜雄洙

测试技术学报 2022年1期

胡涵旭，许云帆，李益明，杨昊青，卜雄洙

(南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094)

0 引言

在煤炭采矿，化工制造，室内家装等行业中，有着或多或少的有毒有害气体，危害大众生命健康和财产安全，因此对这些有毒有害的气体进行实时监测相当重要[1-4]. 气体检测在20世纪90年代开始迅速发展，出现了很多新的方法和原理，从本质来分类主要包括物理方法与化学方法. 物理方法主要包括光干涉法、红外吸收法、热导法等；化学方法比较常用的就是电化学法. 催化燃烧法是基于物理和化学检测原理的检测方法. 其中，光干涉法是通过光穿过不同气体介质产生干涉条纹，通过测量干涉条纹来计算被测气体浓度，该方法仪器体积较大，不满足小型化需求[5]. 红外吸收法是通过气体对红外光具有特定吸收谱线的原理，通过吸收强度来计算气体浓度，该方法选择性好，可遥测，但成本较高，结构复杂[6]. 热导法是通过气体单位时间内散热效率不同来计算气体浓度，该方法对低浓度气体响应较慢，受环境影响大，选择性差[7].

便携式多组分气体检测仪是安全生产领域必不可缺的设备，其具有易携带，低功耗，单电源，可充电，操作简单等优点[8-11]，可以实现实时监测硫化氢(H2S)、一氧化碳(CO)、氧气(O2)和甲烷(CH4) 4种气体浓度的功能，可广泛应用于安全生产、日常生活等多方面多领域，从而实现对人身健康与公共财产的保护.

1 总体方案设计

系统方案如图 1 所示，以STM32L151RBT6为主控芯片，负责检测仪的数据采集、数据处理、系统控制、声光报警等功能. 该单片机具有超低功耗的工作模式，工作电压在1.65 V～3.6 V之间，工作频率32 MHz、 1个12 b ADC、 2个12 b DAC、 51个GPIO引脚，最大可承受电压为5 V. STM32L151RBT6具有低功耗、小体积、高速度的特点，可满足多组分气体检测仪的设计需求.

图 1 系统设计方案

对应气体传感器接触待测气体后，产生的浓度信号经调理电路转化为电压值由STM32L151的ADC采集做后续运算处理，同时由主控芯片控制显示屏、按键等子模块. 测得的浓度信息可通过串口传输至上位机进行读取与存储.

2 系统硬件设计

系统硬件部分包括微控制器及外围电路模块、气体传感器调理电路模块、人机交互模块、通信模块等.

2.1 微控制器及外围电路模块

STM32L151是一个超低功耗单片机芯片，其最小系统主要包括3.3 V电源、 8 M晶振电路、复位电路、按键模块、显示模块和USB通信模块.

2.2 气体传感器调理电路模块

由于气体性质的差异，不同气体所需的检测方法也不相同. 常用的气体检测方法有电化学法、催化燃烧法、气敏器件检测法、气体光吸收法、气体光学折射率法等. 出于检测仪的检测范围与便携性以及成本，采用电化学法来检测一氧化碳、氧气和硫化氢气体，采用催化燃烧法来检测甲烷气体.

电化学法的反应原理是待测气体在电解质溶液中进行氧化还原反应，产生与待测气体浓度成正比的电流信号. 待测气体在工作电极上进行氧化还原反应，与对电极形成回路，产生与待测气体浓度成正比的电流信号，且整个反应过程不需要提供电源. 为了保证工作电极的电位稳定，引入没有电流通过的参比电极给工作电极提供一个稳定的电位.

催化燃烧法的反应原理是利用惠斯通电桥法测量敏感单元和补偿单元的电压差来检测气体浓度变化. 可燃气体在催化剂的作用下，在敏感单元表面发生无焰燃烧，由于敏感单元由正温度系数的铂丝构成，因而铂丝电阻增大，电桥不平衡，产生与可燃气体浓度成正比的电压信号ΔV. 将该信号经模拟放大和AD转换后转化为包含可燃气体浓度信息的数字信号进行处理.

2.2.1 氧气传感器及调理电路

氧气传感器调理电路是最简单的电化学传感器电路，如图 2 所示.

图 2 氧气电化学调理电路Fig.2 Oxygen electrochemical conditioning circuit

氧气传感器有感应电极和负电极两个电极. 氧气气体在感应电极产生化学反应，在两电极之间产生一个电流，电流大小与气体浓度成正比. 通过在两电极之间的负载电阻，将电流值转化为电压值，经放大电路放大后由单片机ADC采集并做后续处理.

2.2.2 一氧化碳和硫化氢传感器及调理电路

一氧化碳和硫化氢气体传感器是三电极电化学传感器，三电极分别是参比电极(R)、工作电极(W)、对电极(C)，如图 3 所示.

图 3 硫化氢、一氧化碳电化学调理电路Fig.3 Hydrogen sulfide and carbon monoxideelectrochemical conditioning circuit

三电极电化学传感器的工作原理是待测气体与工作电极产生作用，参比电极提供反馈，通过改变对电极上的电压保持W引脚电压恒定[12-13].

电化学传感器的R端和C端与运放U1A构成电化学通路，确保W端与E端等电势，因此W端输出微弱电流，且电流大小与待测气体浓度大小成正比. 运放U1B将W端输出的微弱电流转换为电压，运放U1C将电压信号进一步放大并输出进行后续处理.

2.2.3 甲烷传感器及调理电路

甲烷气体传感器采用催化燃烧为检测原理[14-15]，如图 4 所示. 传感器的两个臂上分别是涂有催化剂的敏感单元和起到温湿度补偿的补偿单元. 当环境中有甲烷时，在催化剂的作用下发生无焰燃烧，温度升高，进而敏感单元阻值增大，电桥输出发生变化，经运放AD620进行差分放大后输出与甲烷浓度成正比的电压信号.

图 4 甲烷催化燃烧调理电路图Fig.4 Methane catalytic combustion conditioning circuit diagram

2.3 人机交互模块

便携式气体检测仪要求操作简单易上手，其中，输入模块由3个独立按键构成，可以实现测量气体选择、设定上下限、设定报警限、设定系统参数、初始化校准等功能.

检测仪输出由显示模块实时显示，采用绘晶科技LCD显示模块，工作电压3.3 V，总功耗60 mA，可采用8 b并行或4线串行通讯方式，支持自由编写图形或汉字功能.

声光报警模块是检测仪的重要模块，当待测气体浓度超过设定报警限时，检测仪通过蜂鸣器发出提示音和LED灯闪烁来引起操作人员注意，起到对人身安全进行防护的功能.

通信模块采用串口与上位机进行通讯. 采用CH340转为TTL电平信号实现与上位机LabVIEW的通讯.

3 系统总体软件设计

系统下位机软件利用C语言在Keil uVision5中编写并下载到STM32L151RBT6中运行. 系统上位机软件采用NI公司的LabVIEW图形化编辑软件编写. 上位机通过串口与下位机进行通讯，显示相应的数据，如气体浓度、浓度高低阈值与数据存储功能等.

3.1 系统下位机软件设计

便携式多组分气体检测仪开机进行系统初始化，接着检测传感器是否工作正常，无异常进入检测模式，由ADC采集硫化氢、一氧化碳、甲烷、氧气的浓度信号并进行数据处理，同时将检测结果显示到LCD屏幕上. 当气体浓度超过设定警报限时，触发声光报警. 当有按键按下时，执行复位、选择、通讯等功能，如图 5 所示.

图 5 系统总体软件设计方案Fig.5 System overall software design scheme

3.2 系统上位机软件设计

本系统上位机采用NI公司开发的LabVIEW图形化编辑软件[16]进行开发，上位机采用基于NI-VISA的串口与下位机进行通信，通过VISA配置函数将上位机与下位机配对，之后再将通过串口通信模块收到的数据进行处理和分析，最终在上位机界面端实现对待测气体浓度显示、超出设定浓度上限报警及数据存储等功能，其监控界面如图 6 所示.

图 6 上位机监控界面Fig.6 Host computer monitoring interface

4 实验系统测试

4.1 检测仪标定

便携式多组分气体检测仪在实验前要进行初始化标定，首先，将检测仪开机预热30 min后放入标气箱，用流量计向标气箱内通入浓度为 99.999% 的纯氮气，待各气体浓度显示值稳定后，将检测仪中4种气体的显示值调为零作为零点.

调零之后对检测仪进行浓度校准实验. 将检测仪开机预热30 min后放入标气箱中，接下来分别通入事先配置好的浓度为21%的氧气、质量分数为50×10-6的硫化氢、质量分数为200×10-6的一氧化碳和1%的甲烷气体作为校准的标准气体. 待对应气体传感器示数稳定后，调检测仪显示值为通入的标准气体浓度值，且为保证校准实验的准确性，每种气体标定需重复实验3次. 因为一氧化碳气体和硫化氢气体均为有毒气体，因此在实验中一定要保证标气箱与气瓶接口的密封性，保证不发生漏气现象. 标定试验需在通风，无明火的环境中进行，标定完成一种气体后，应通入足够氮气冲刷标气箱，保证待测气体散尽后再进行另一种气体的标定.