便攜式有害氣體檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)

李璟，高戈，康霽

（陜西省石油化工學(xué)校，陜西西安，710061）

0 引言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，石油、化工、冶金等產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，隨之而來(lái)的環(huán)境污染和生態(tài)破壞也愈來(lái)愈嚴(yán)重，直接威脅現(xiàn)代人的健康安全，由于空氣污染而造成的經(jīng)濟(jì)損失和致病率也十分驚人。空氣污染是一個(gè)廣義的概念，主要是指的是空氣中對(duì)人體健康或生命安全構(gòu)成威脅的各種氣體的含量超過(guò)甚至大大超過(guò)其最小允許濃度。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

本系統(tǒng)的主要由氣體檢測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、單片機(jī)控制系統(tǒng)三大部分構(gòu)成，其系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

氣體檢測(cè)系統(tǒng)就是要把被測(cè)氣體濃度轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流或電壓信號(hào)，當(dāng)被測(cè)氣體進(jìn)入探頭內(nèi)時(shí)，傳感器會(huì)對(duì)氣體進(jìn)行選擇，僅與被測(cè)氣體發(fā)生反應(yīng)，而濾除掉其它干擾氣體。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要將電化學(xué)式氣體傳感器電極中產(chǎn)生的微弱電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波電路、信號(hào)放大電路后，通過(guò)單片機(jī)控制的A/D轉(zhuǎn)換電路后實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集。單片機(jī)控制系統(tǒng)除了邏輯控制電路，還包含顯示模塊和報(bào)警模塊，實(shí)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果和系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示。當(dāng)室內(nèi)某一氣體的含量超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)紅燈閃爍并發(fā)出蜂鳴聲，提醒住戶(hù)有害氣體濃度過(guò)高，需采取人為措施。

2 系統(tǒng)硬件組成

氣體檢測(cè)系統(tǒng)最常用的就是傳感器，通過(guò)對(duì)市面上種類(lèi)繁多的氣體傳感器對(duì)比后，本系統(tǒng)選擇基于恒電位電解的原理的電化學(xué)式氣體傳感器，其具有操作簡(jiǎn)單、價(jià)格相對(duì)低廉、有較高的穩(wěn)定性和靈敏度的特點(diǎn)。

單片機(jī)是系統(tǒng)的核心，本系統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理任務(wù)并不十分繁重, 但考慮到后續(xù)設(shè)計(jì)以及與上位機(jī)的通訊功能等，本系統(tǒng)選用了意法半導(dǎo)體公司的STM32F101作為下位機(jī)的核心控制器，STM32系列單片機(jī)是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核專(zhuān)門(mén)為嵌入式應(yīng)用開(kāi)發(fā)領(lǐng)域而推出的高性能、低成本、低功耗單片機(jī)。相對(duì)于51系單片機(jī), STM32系列片內(nèi)資源豐富，接口相對(duì)簡(jiǎn)單，程序模塊化，工作速度快，開(kāi)發(fā)環(huán)境多樣，有較強(qiáng)的抗干擾能力。和51系列單片機(jī)相比，它的使用更加靈活廣泛。本文僅對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的外部控制與顯示、報(bào)警模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)工作流程為：電化學(xué)式氣體傳感器采集到被測(cè)對(duì)象的原始數(shù)據(jù), 經(jīng)過(guò)濾波、放大得到矯正后的測(cè)量?jī)x器可辨別的信號(hào), 采樣保持后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換,經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后，最終轉(zhuǎn)換為室內(nèi)有害氣體的濃度值, 將此數(shù)據(jù)通過(guò)液晶顯示器顯示并保存在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中, 與系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的上限值進(jìn)行比較，判斷濃度是否超標(biāo)，若超標(biāo)，報(bào)警系統(tǒng)的發(fā)光二極管、蜂鳴器會(huì)根據(jù)單片機(jī)的指令做出相應(yīng)。流程圖如圖2所示。

圖2 程序流程圖

4 結(jié)論

有害氣體檢測(cè)在工業(yè)應(yīng)用和環(huán)境保護(hù)方面有著重要的意義，與其它檢測(cè)方法相比，電化學(xué)式氣體傳感器測(cè)量的氣體種類(lèi)多，靈敏度高、范圍廣，是一種優(yōu)點(diǎn)明顯、可行性高的氣體檢測(cè)方法。本文主要闡述了基于ARM Cortex-M3單片機(jī)設(shè)計(jì)的便攜式氣體檢測(cè)儀的綜藝思路，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的工作原理、硬件組成及軟件流程。在實(shí)際應(yīng)用中，可以融合多種數(shù)據(jù)算法，采用更先進(jìn)的信號(hào)檢測(cè)技術(shù)，提高儀器的測(cè)量經(jīng)促，為蓋申空氣質(zhì)量提供更好的科學(xué)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]陳德榮,李錦忠.基于AT89C55WD單片機(jī)的空氣質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2004,17(10):45-46

[2]李萍.基于ARM的室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].成都:西南交通大學(xué),2010.

[3]于立勛.有害氣體檢測(cè)儀的選擇與使用[J].中小企業(yè)管理與科技(上旬刊),200 9(8):21-24.

[4]殷亞飛,梁庭.便攜式光離子化有害氣體檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表,2011,4(4):74-76.