基于STM32的氨氣檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

成俊娜 楊凌 郝欣 趙韋靜 王曉辰

摘 ?要：為了滿(mǎn)足工業(yè)上對(duì)氨氣精準(zhǔn)檢測(cè)的需求，設(shè)計(jì)了一種基于STM32的氨氣檢測(cè)系統(tǒng)，利用基于可調(diào)諧二極管激光光譜吸收技術(shù)（TDLAS）的氣體檢測(cè)傳感器，配合高穩(wěn)定性抽氣泵和高精度流量計(jì)，以STM32C8T6為主控芯片，設(shè)計(jì)了供電電路、傳感器控制電路、電磁閥控制電路、抽氣泵控制電路等。通過(guò)對(duì)已知濃度氨氣測(cè)量，得到相應(yīng)的測(cè)量數(shù)據(jù)，誤差范圍合理，能夠采集到完整的數(shù)據(jù)曲線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明硬件選型合適，軟件程序運(yùn)行正常。

關(guān)鍵詞：氨氣 ?STM32 ?TDLAS ?氣體檢測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP319 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2021）03（a）-0060-04

An ammonia gas detection system based on STM32

CHENG Junna* ?YANG Ling ?HAO Xin ?ZHAO Weijing ?WANG Xiaochen

（The 718th Research Institute of CSIC， Handan， Hebei Province， 056000 ?China）

Abstract：In order to meet the requirements of industry of ammonia accurate detection， designs an ammonia detection system based on STM32， based on tunable diode laser absorption spectrum technology （TDLAS） gas detection sensors， pump with high stability and high precision meter， STM32C8T6 as main control chip， designed the power supply circuit， sensors， control circuit， electromagnetic valve control and pump control circuit， etc. Through the known concentration of ammonia gas measurement， get the corresponding measurement data， the error range is reasonable， can collect a complete data curve， the experimental results prove that the hardware selection is appropriate， the software program runs normally.

Key words： Ammonia; STM32; TDLAS; Gas detection

氨氣是一種常見(jiàn)的有害氣體，是環(huán)境污染的主要貢獻(xiàn)者之一。近年來(lái)隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)工作的重視，出臺(tái)了各類(lèi)環(huán)保政策，其中對(duì)氮氧化物（NOx）的治理要求尤為嚴(yán)格。工業(yè)企業(yè)常選用選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction， SCR）技術(shù)對(duì)廢氣進(jìn)行脫硝處理。通過(guò)對(duì)企業(yè)的實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)，廠區(qū)內(nèi)的總是彌漫著氨氣的味道，探查發(fā)現(xiàn)在實(shí)際的治理過(guò)程中為了確保尾氣中的NOx完全被還原，往往會(huì)添加過(guò)量的尿素溶液，使得尾氣中帶有未反應(yīng)的氨氣，易造成氨氣泄漏。因此，為了保護(hù)工人的健康，減少環(huán)境污染，對(duì)微量氨氣的檢測(cè)尤為重要。

1 ?系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

目前，針對(duì)氨氣的檢測(cè)方法有很多種，朱寶余等研究者[1]對(duì)氨氣檢測(cè)儀的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析總結(jié)，按照檢測(cè)機(jī)理分類(lèi)，可分為化學(xué)檢測(cè)法、化學(xué)傳感器檢測(cè)法[2]、氣相色譜檢測(cè)法以及光譜檢測(cè)法。工業(yè)上常用的氨氣檢測(cè)器有火焰離子化檢測(cè)器（FID）和光離子化檢測(cè)器（PID），都具有一定的局限性。調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)（TDLAS）[3-4]具有高選擇性，是目前較為熱門(mén)的氨氣檢測(cè)技術(shù)。比如：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)的譚鶴群等研究者[5]提出了一種基于可調(diào)諧吸收光譜的畜禽舍氨氣濃度檢測(cè)方法;中國(guó)科學(xué)院大學(xué)的鹿洪飛[6]研制了一種近紅外VCSEL型TDLAS氨氣檢測(cè)系統(tǒng)，并驗(yàn)證了系統(tǒng)的性能;天津科技大學(xué)的李叢蓉[7]設(shè)計(jì)了一種基于TDLAS的柴油機(jī)SCR氨污染檢測(cè)系統(tǒng);天津大學(xué)的王喆[8]通過(guò)建模與實(shí)驗(yàn)分析了基于TDLAS氨氣檢測(cè)原理的性能。該文選用基于TDLAS的氣體檢測(cè)模塊，設(shè)計(jì)了一種氨氣檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有選擇性強(qiáng)、靈敏度高、反應(yīng)迅速等特點(diǎn)。

氨氣檢測(cè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思維進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，包括由STM32微處理器構(gòu)成的最小系統(tǒng)、電源、測(cè)量、控制、通信等模塊。氨氣檢測(cè)系統(tǒng)的工作流程為：通信模塊將傳感器采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在液晶顯示屏上，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

2 ?系統(tǒng)搭建

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

氨氣檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初，傳感器的通信協(xié)議為UART，存儲(chǔ)芯片為W25Q64，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議為SPI協(xié)議，流量傳感器的通信協(xié)議為IIC，故氨氣檢測(cè)系統(tǒng)硬件的微處理器選用的STM32C8T6芯片，能夠滿(mǎn)足通信需求。硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示。

按照功能進(jìn)行電路板的模塊化設(shè)計(jì)，主要分為以下幾個(gè)方面。

2.1.1 傳感器模塊

選用TDLAS原理測(cè)量空氣中氨氣的濃度并將采集到的傳感器參數(shù)進(jìn)行信號(hào)處理并傳輸至主控制器，傳感器是Axeteris公司的LGD F200 A型，該傳感器的測(cè)量范圍為0～100 ppm。通過(guò)串口RS232協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，MAX232芯片是美信（MAXIM）公司專(zhuān)為RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，使用+5 v單電源供電。器件特別適合電池供電系統(tǒng)，這是由于其低功耗關(guān)斷模式可以將功耗減小到5 μW以?xún)?nèi)。故采用max3232芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，滿(mǎn)足數(shù)據(jù)的傳輸要求，搭建控制電路如圖2所示。

2.1.2 泵控模塊

儀器工作模式為泵抽式，選用采用進(jìn)口THOMAS的抽氣泵，提供穩(wěn)定的氣源，滿(mǎn)足傳感器需求，達(dá)到最優(yōu)的測(cè)試效果。通過(guò)IO接口輸出高低電平控制泵的啟停，控制電路見(jiàn)圖3。

2.1.3 穩(wěn)壓模塊

選用車(chē)用模塊，為系統(tǒng)提供12 V的穩(wěn)定電源，增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。為了增強(qiáng)電壓的穩(wěn)定性，進(jìn)行分步驟降壓，首先將輸入電壓到5 V，然后5 V到3.3 V。

2.2 軟件系統(tǒng)

氨氣檢測(cè)系統(tǒng)軟件系統(tǒng)分為顯示屏控制模塊和硬件電路控制模塊。硬件控制程序基于Keil C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)控制，首先對(duì)傳感器進(jìn)行初始化，清空串口緩存數(shù)據(jù)，開(kāi)啟傳感器，默認(rèn)為采樣模式，可選擇標(biāo)定模式，進(jìn)入控制界面，設(shè)備進(jìn)入工作狀態(tài)。

選用廣州大彩串口屏實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)人機(jī)交互功能，通過(guò)顯示屏控制并實(shí)時(shí)顯示和記錄數(shù)據(jù)?？刂瞥绦蚧赩isual TFT軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)，將控制程序遷移嵌套進(jìn)入主控程序，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)記錄、工作模式選擇、數(shù)據(jù)標(biāo)定等功能。

開(kāi)機(jī)后進(jìn)入初始化程序，待初始化完成后進(jìn)入檢測(cè)界面，可顯示實(shí)時(shí)濃度、當(dāng)前的流速、工作狀態(tài)、故障、報(bào)警、設(shè)置。當(dāng)傳感器出現(xiàn)故障，經(jīng)過(guò)軟件程序的判斷會(huì)打開(kāi)故障燈，如果濃度超過(guò)當(dāng)前設(shè)定的報(bào)警值，則報(bào)警燈紅燈提示。

點(diǎn)擊采樣和標(biāo)定按鈕，將在采樣模式和標(biāo)定模式中切換。采樣模式下泵開(kāi)啟進(jìn)行采樣。標(biāo)定模式下停泵，通過(guò)鋼瓶壓力控制流速進(jìn)行標(biāo)定。

2.3 氣路設(shè)計(jì)

為了減小氨氣的吸附，管路的材料選擇低吸附的聚四氟乙烯，接頭采用進(jìn)口世偉洛克卡套接頭，保證氣路密封性，整個(gè)氣路流向如圖4所示。

3 ?儀器測(cè)試結(jié)果

3.1 零點(diǎn)漂移

氨氣檢測(cè)系統(tǒng)是連續(xù)監(jiān)控0～100 ppm以?xún)?nèi)的氨氣變化的系統(tǒng)。按照設(shè)計(jì)方案搭建好試驗(yàn)樣機(jī)之后，多次通入零點(diǎn)氣進(jìn)行測(cè)試，經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)零點(diǎn)氣的顯示范圍為-0.6～0.3 ppm之間，通過(guò)軟件設(shè)置可將小于0 ppm的點(diǎn)截去，設(shè)置完成后每隔30 min進(jìn)行一次記錄，記錄數(shù)據(jù)如表1所示，經(jīng)計(jì)算零點(diǎn)漂移為0.187%。

3.2 線性誤差

氨氣檢測(cè)系統(tǒng)是連續(xù)監(jiān)控0～100 ppm以?xún)?nèi)的氨氣變化的系統(tǒng)。按照設(shè)計(jì)方案搭建 ?好試驗(yàn)樣機(jī)之后，依次通入10 ppm、50 ppm、80 ppm的標(biāo)準(zhǔn)氨氣，穩(wěn)定后分別記錄儀器的示值，以上步驟至少重復(fù)3次，經(jīng)計(jì)算各測(cè)量值的線性誤差分別為-1.81%、1.88%、5.41%。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)通入濃度為80 ppm的標(biāo)準(zhǔn)氣體時(shí)，線性誤差超過(guò);了5%。啟動(dòng)標(biāo)校模式，校準(zhǔn)后再次測(cè)量，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示，經(jīng)計(jì)算各測(cè)量值的線性誤差分別為-2.05%、0.33%、2.85%，線性誤差控制在±3%以?xún)?nèi)。

3.3 響應(yīng)時(shí)間

根據(jù)記錄的曲線分析：10 ppm的標(biāo)準(zhǔn)氣體，儀器響應(yīng)只能到達(dá)8.18 ppm，T90響應(yīng)時(shí)間在32 s?？梢酝ㄟ^(guò)屏幕將8 ppm點(diǎn)修正為10 ppm，零點(diǎn)不修正，則信號(hào)整體擴(kuò)大1.25倍，儀器響應(yīng)的最大值變?yōu)?0.26 ppm，T90響應(yīng)時(shí)間仍為32 s。50 ppm的標(biāo)準(zhǔn)氣體，T90響應(yīng)時(shí)間在25 s;80 ppm的標(biāo)準(zhǔn)氣體，T90響應(yīng)時(shí)間在13 s。NH3濃度越大，T90響應(yīng)時(shí)間越短，最大值的穩(wěn)定時(shí)間也越短。

4 ?結(jié)語(yǔ)

這種基于STM32的氨氣檢測(cè)系統(tǒng)，響應(yīng)時(shí)間最大為32 s，線性誤差在±3%以?xún)?nèi)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微量氨氣進(jìn)行快速精確的檢測(cè)。通過(guò)對(duì)已知濃度氨氣測(cè)量，計(jì)算誤差范圍合理，能夠采集到完整的數(shù)據(jù)曲線，測(cè)試結(jié)果顯示硬件選型合理，軟件程序設(shè)計(jì)正常。在江蘇某化工廠實(shí)際運(yùn)行結(jié)果顯示，該設(shè)備在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)能夠穩(wěn)定地運(yùn)行，具有較高的靈敏度。

參考文獻(xiàn)

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