基于STM32的便攜式紅外氣體分析系統(tǒng)設計

張冬　王桂海

摘要：設計一種基于STM32的便攜式紅外氣體分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STM32F103VET6微處理器為核心，通過數(shù)據(jù)采集電路，進行數(shù)據(jù)采集；A/D轉(zhuǎn)換模塊進行A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)處理；數(shù)據(jù)導出模塊進行數(shù)據(jù)存儲和上傳；上位機模塊接收數(shù)據(jù)并顯示。經(jīng)過實驗驗證，該系統(tǒng)實現(xiàn)了對相應氣體（NO，SO2，O2等氣體）的濃度、流量、流速、溫度、靜壓等參數(shù)進行實時監(jiān)控和測量的功能。

關(guān)鍵詞：STM32F103VET6；氣體分析系統(tǒng)；A/D；數(shù)據(jù)處理

中圖分類號：TP368 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）08-0247-02

隨著工業(yè)的發(fā)展，工業(yè)大氣氣體污染問題越來越受到人們的重視，霧霾現(xiàn)象也受到公眾的關(guān)注。氣體監(jiān)測問題也開始受到人們的重視。目前工業(yè)級的氣體分析系統(tǒng)普遍存在體積大、價格高、難以操作的問題，而且傳統(tǒng)的氣體采集系統(tǒng)精度低，性能不高，難以滿足社會人們的需求?；诖耍O計新型的氣體分析系統(tǒng)成為了現(xiàn)實的緊迫需要。本文設計了一種便攜式的紅外氣體分析系統(tǒng)，以STM32微處理器為核心，采用先進的，高精度的紅外氣體測量技術(shù)，測量工業(yè)中多種氣體的濃度、溫度、流量等參數(shù)，可以隨時監(jiān)測工業(yè)環(huán)境下空氣中的污染氣體。此分析系統(tǒng)采用了先進的紅外氣體紅外氣體檢測技術(shù)，具有體積小，操作簡單，性價比高，適合工業(yè)環(huán)境下使用的特點。

1 氣體分析系統(tǒng)的總體設計

本文設計的氣體分析系統(tǒng)分為5個部分，分為：數(shù)據(jù)導出模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、上位機模塊（包括顯示模塊、按鍵模塊）以及STM32微處理器。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，如圖1所示。

數(shù)據(jù)采集模塊采集氣體數(shù)據(jù)，通過相應傳感器采集待測量的氣體濃度、流量、流速等信號得到相應的模擬信號，經(jīng)過信號調(diào)制電路，將模擬信號傳遞給STM32微處理器，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。微處理器對數(shù)字信號進行處理、計算，得到相應的氣體的濃度、流量、流速、溫度，靜壓等數(shù)據(jù)。將計算得出的氣體參數(shù)數(shù)值傳給上位機，顯示到顯示屏上。同時數(shù)據(jù)導出模塊，既可以將數(shù)據(jù)存儲到U盤中，也可通過USB接口將數(shù)據(jù)導出到PC機上，以便分析歷史數(shù)據(jù)。

2 硬件設計

2.1 微處理器的選擇

本系統(tǒng)中采用32位的中容量STM32F103VET6作為處理器。STM32F103VET6基于高性能32位RISC的ARM Cortex—M3內(nèi)核。工作主頻達到72MHz[1]。片上集成了高速存儲器（Flash最多可達512K，SRAM最多可達64K）和通過APB總線連接的豐富和增強的外設和I/0。

其片內(nèi)資源豐富，I/O接口豐富。片上帶有兩個12位的ADC、一個12位的雙通道DAC、11個16位計時器。同時還包括兩個I2C接口，三個SPI接口和五個USART接口。

系統(tǒng)集成度高，便于開發(fā)?？蓽p少產(chǎn)品的開發(fā)周期。同時STM32還具有功耗低、體積小、性價比高，配置豐富靈活、可靠性高等優(yōu)點。利于工業(yè)級產(chǎn)品的生產(chǎn)、使用。

2.2 硬件電路設計

2.2.1數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊由傳感器、氣室、紅外光源組成。主要采用非分散紅外法進行采集氣體數(shù)據(jù)。這種原理基于不分光紅外線吸收原理。利用一定的波長的紅外線的吸收衰減來測量氣體的濃度值等參數(shù)值。由于氣體的吸收光譜隨物質(zhì)的不同而存在差異[2，4]。同一物質(zhì)不同濃度，在同一吸收峰位置有不同的吸收強度，吸收強度與濃度呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系。通過檢測氣體對光的波長和強度的影響，便可以確定待測氣體的濃度[3]。

紅外線測量原理：CO，SO2等極性分子具有永久電偶極矩，因而具有振動、轉(zhuǎn)動等結(jié)構(gòu)。按量子力學分成分裂的能級，可與入射的特征波長紅外輻射耦合產(chǎn)生吸收，不同的極性分子由不同的光譜吸收帶，例如，CO的吸收峰在4.65μm處，SO2的吸收峰在7.35μm。

測量經(jīng)吸收后紅外光的強度便能計算出相應氣體的濃度，這便是紅外氣體分析的理論根據(jù)。此紅外氣體檢測技術(shù)，具有世界先進水平，具有優(yōu)良的穩(wěn)定性、選擇性和高靈敏度，可以廣泛用于鍋爐、電廠煙道氣、化工流程、石化工業(yè)、冶金工業(yè)等領(lǐng)域，也可以用于實驗室分析。原理圖如圖2所示。

①紅外光源 ② 反射體 ③同步馬達 ④切光器 ⑤樣氣室

⑥前吸收室 ⑦后吸收室 ⑧毛細管 ⑨微流量傳感器

紅外光束通過濾光片、樣氣池到達檢測器，在樣氣池與紅外光源之間有一個由同步馬達帶動的切光器，將紅外光束變成交替的脈沖光源，如果樣氣池中有吸收，由微流量傳感器產(chǎn)生脈沖電信號。檢測部分是由前后兩個吸收室組成。吸收帶中心部分在檢測器前吸收室首先被吸收，而邊緣部分則被后吸收室吸收。前后吸收室的吸收大致相同。前吸收室和后吸收室之間通過一個微流量傳感器相連。

數(shù)據(jù)采集模塊的作用是通過傳感器將氣體的濃度、流量等信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，并經(jīng)過信號調(diào)制電路將模擬信號傳給STM32微處理器進行處理。

2.2.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊

STM32F103內(nèi)部集成了2個獨立的12位ADC模塊，具有18個通道，可測量16個外部和2個內(nèi)部信號源。每個通道的A/D轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)、掃描或間斷模式執(zhí)行[5]。為了提高測量精度與測量通道數(shù)量，本系統(tǒng)沒有采用STM32自帶ADC。采用Maxim的MAX1300模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

MAX1300是多量程、低功耗、16位、逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），采用+5v單電源供電，具有高達115ksps的吞吐量。

MAX1300提供8路（單端）或4路（真差分）模擬輸入通道。每一路模擬輸入通道都可通過軟件獨立編程設置為7種單端輸入范圍和3種差分輸入范圍。

A/D轉(zhuǎn)換模塊部分電路如圖3所示。

參考電壓VREF為4.096v，MAX1300，將通過數(shù)據(jù)采集電路采集到的數(shù)據(jù)進行A/D轉(zhuǎn)換，MAX1300采用芯片內(nèi)部的SPI總線，進行數(shù)據(jù)傳輸。

2.2.3 USB接口電路

本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)導出模塊使用USB接口電路將數(shù)據(jù)導出。USB接口電路，既可以將數(shù)據(jù)導出存儲到U盤中，存儲歷史數(shù)據(jù)，也可以通過USB接口直接將數(shù)據(jù)導出到PC機，以供分析歷史數(shù)據(jù)。選用USB接口是因為U盤具有存儲容量大、成本低、讀寫速度快的優(yōu)點，支持熱插拔，連接方便。USB接口電路如圖4 所示。

2.3 上位機模塊

上位機模塊包括兩個部分：顯示模塊和按鍵模塊。

上位機模塊通過按鍵電路接收用戶指令，將用戶指令傳給STM32微處理器，微處理器根據(jù)接收的指令進行數(shù)據(jù)處理，傳輸?shù)炔僮?。顯示模塊為顯示屏電路，上位機接收微處理器傳送的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)顯示到顯示屏上。

3 軟件設計

主程序流程圖如圖5所示。上電開始，系統(tǒng)進行預熱初始化。STM32進行數(shù)據(jù)采集，等待上位機發(fā)送指令，STM32微處理器根據(jù)指令數(shù)據(jù)操作，處理采樣數(shù)據(jù)，計算采樣數(shù)據(jù)，求出測量氣體的濃度值、流量等參數(shù)值。然后進行數(shù)據(jù)存儲，將得出的數(shù)據(jù)傳遞給上位機，并通過顯示屏顯示出來。

數(shù)據(jù)處理階段的程序流程圖如圖6所示。在數(shù)據(jù)處理階段，A/D轉(zhuǎn)換芯片將采集得到的模擬信號進行A/D轉(zhuǎn)換，得到相應的數(shù)字信號電壓值，將此電壓值進行處理。

在數(shù)據(jù)處理過程中，為了精確得到測量值，減少噪聲干擾，需要對經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)需要進行濾波處理，以減少數(shù)據(jù)的誤差。本程序采用的是數(shù)值平滑濾波的方式進行數(shù)據(jù)處理，將經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)進行計算，得要計算值之后，根據(jù)線性氣體標定公式計算出相應氣體的濃度、流量等數(shù)值。

4 結(jié)束語

本文設計的基于STM32的便攜式紅外線煙氣氣體分析系統(tǒng)，以STM32微處理器為核心，由上位機、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)導出模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊組成，可測多種氣體的氣體的濃度、流量、溫度等值。即可以顯示實時數(shù)據(jù)，同時也可以存儲歷史數(shù)據(jù)分析。本系統(tǒng)適合工業(yè)環(huán)境使用，整個系統(tǒng)設計簡潔、測量精度高、可靠性高。可以測量多種氣體的濃度，可擴展行高，體積小，性價比高，易于維護，應用廣泛。

參考文獻：

[1] 陳啟軍，余有靈，張偉，等. 嵌入式系統(tǒng)及其應用[M].上海：同濟大學出版社，2011：20-23.

[2] 李春瑛，杜秋芳. 自動配氣裝置在氣體標準物質(zhì)分析中的應用[J].低溫與特氣，2003（5）：27-29.

[3] 熊友輝，蔣泰毅.電調(diào)制非分光紅外（NDIR）氣體傳感器[J].儀表技術(shù)與傳感器，2003（11）：4-5.

[4] 甘宏，潘丹，張洪春.便攜式非分光紅外吸收型二氧化碳傳感器[J].桂林電子科技大學報，2007，27（1）：19-22.

[5] 彭剛，秦志強.基于ARM Cortex-M3的STM32系列嵌入式微控制器應用實踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011：213-220.