基于STM32F103氫氣泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：針對(duì)氫氣泄漏無(wú)氣味不易察覺(jué)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款基于STM32F103的氫氣泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)包含主控模塊、氫氣監(jiān)測(cè)模塊、溫濕度監(jiān)測(cè)模塊、報(bào)警模塊以及顯示模塊。鑒于氫氣傳感器遇水時(shí)靈敏度會(huì)下降，故系統(tǒng)通過(guò)加入溫濕度模塊確保在復(fù)雜環(huán)境場(chǎng)景下氫氣泄漏監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。氫氣監(jiān)測(cè)模塊使用SMD1012，溫濕度監(jiān)測(cè)模塊采用AHT22，具有功耗小、穩(wěn)定性高、響應(yīng)率高等優(yōu)點(diǎn)。溫濕度數(shù)據(jù)和氫氣數(shù)據(jù)處理均采用加權(quán)平滑算法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：加權(quán)平滑算法能夠降低數(shù)據(jù)誤差，優(yōu)化系統(tǒng)的性能。

關(guān)鍵詞：氫氣監(jiān)測(cè)；STM32F103；SMD1012；AHT22；加權(quán)平滑；模數(shù)轉(zhuǎn)換

中圖分類號(hào)：TP202 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）08-00-03

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.08.005

0 引 言

2023年7月，習(xí)近平總書(shū)記在中央全面深化改革委員會(huì)第二次會(huì)議強(qiáng)調(diào)：推動(dòng)能耗雙控逐步轉(zhuǎn)向碳排放雙控[1]。國(guó)務(wù)院也提出在2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰。由此清潔能源在未來(lái)會(huì)成為國(guó)家能源體系的重點(diǎn)發(fā)展方向[2]。氫能作為國(guó)家能源體系的重要組成部分，其清潔、可再生、高效的特點(diǎn)非常適合交通、儲(chǔ)能、工業(yè)領(lǐng)域等減碳[3]，但是氫氣易揮發(fā)、易燃、難儲(chǔ)存等缺點(diǎn)制約了氫能的使用場(chǎng)景。氫氣泄漏產(chǎn)生的安全事故層出不窮，如韓國(guó)氫燃料儲(chǔ)存罐發(fā)生爆炸造成2死6傷，東莞氫氣罐車軟管破裂爆燃事故[4]等。鑒于此，如何能夠精準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氫氣是否泄漏成為急需解決的問(wèn)題，而文中基于STM32F103氫氣泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以很好地解決氫氣泄漏監(jiān)測(cè)

問(wèn)題。

1 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)包含主控模塊、氫氣監(jiān)測(cè)模塊、溫濕度監(jiān)測(cè)模塊、報(bào)警模塊以及顯示模塊。當(dāng)氫氣監(jiān)測(cè)模塊感知到泄漏的氫氣時(shí)，將信號(hào)傳輸至主控模塊，主控模塊處理后啟動(dòng)報(bào)警模塊，同時(shí)顯示氫氣泄漏數(shù)據(jù)；另外，由于氫氣泄漏會(huì)導(dǎo)致空氣溫濕度發(fā)生變化，因此，為精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)氫氣泄漏情況，系統(tǒng)加入了溫濕度模塊，以保證氫氣監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)

確性。

1.1 主控模塊

主控模塊以STM32F103為核心，如圖2所示。STM32F103是基于Cortex-M3內(nèi)核的32位ARM微控制器[5]，擁有兩個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，雙采樣可以滿足溫濕度數(shù)據(jù)和氫氣數(shù)據(jù)采集要求。該芯片的工作頻率最高可達(dá)[6]72 MHz，能夠保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性。STM32F103芯片使用的電源電壓為2～3.6 V，其睡眠、停機(jī)和待機(jī)模式使其功耗較低，很好地滿足了系統(tǒng)持續(xù)工作的需求。同時(shí)，該芯片幾乎所有引腳都可以承受5 V電壓，因此系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。

1.2 氫氣監(jiān)測(cè)模塊

氫氣監(jiān)測(cè)通過(guò)SMD1012傳感器實(shí)現(xiàn)，該傳感器采用MEMS工藝，可以實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)景中的氫氣泄漏監(jiān)測(cè)。作為半導(dǎo)體氣體傳感器，其對(duì)低濃度氫氣泄漏監(jiān)測(cè)具有高精準(zhǔn)性、高分辨率以及高靈敏性。同時(shí)，其小尺寸、高穩(wěn)定、快響應(yīng)以及長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)[7]都是選擇其采集氫氣數(shù)據(jù)的重要原因。SMD1012原理如圖3所示。系統(tǒng)主要使用其VH+引腳、VCC引腳以及VOUT引腳。其中，VH+作為加熱電壓輸入端，主要為SMD1012傳感器提供特定電壓；VCC則通過(guò)直流電源和負(fù)載為傳感器提供測(cè)試電壓；VOUT將采集的數(shù)據(jù)傳輸至主控芯片STM32F103。

1.3 溫濕度監(jiān)測(cè)模塊

為確保能夠?qū)崟r(shí)、精確地監(jiān)測(cè)氫氣泄漏時(shí)的瞬時(shí)溫濕度變化，系統(tǒng)采用AHT22傳感器進(jìn)行溫濕度監(jiān)測(cè)。作為新一代溫濕度傳感器，其具有穩(wěn)定性強(qiáng)、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)[8]，使其能夠在環(huán)境相對(duì)惡劣的場(chǎng)景下工作，進(jìn)而精準(zhǔn)、快速、實(shí)時(shí)采集氫氣泄漏時(shí)的溫濕度。AHT22原理如圖4所示。

1.4 報(bào)警模塊

為確保用戶能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)氫氣泄漏，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了報(bào)警模塊。一旦氫氣泄漏被氫氣傳感器和溫濕度傳感器感知，則主控芯片會(huì)直接觸發(fā)報(bào)警器報(bào)警。

2 軟件設(shè)計(jì)

檢測(cè)流程如圖5所示。系統(tǒng)初始化后，傳感器分別采集溫濕度值和氫氣值，先判斷氫氣值是否為零，如果氫氣值不為零，說(shuō)明有氫氣泄漏，直接啟動(dòng)報(bào)警；如果氫氣值為零，則開(kāi)始對(duì)溫濕度值進(jìn)行判斷，檢查溫濕度值是否出現(xiàn)瞬間變化，如果發(fā)現(xiàn)溫濕度值出現(xiàn)瞬間變化，則說(shuō)明有可能出現(xiàn)氫氣泄漏，啟動(dòng)報(bào)警，否則繼續(xù)采集溫濕度值。

2.1 氫氣采集

氫氣數(shù)據(jù)處理流程如圖6所示。首先進(jìn)行ADC初始化；然后通過(guò)SMD1012傳感器獲取氫氣數(shù)據(jù)，啟動(dòng)ADC單次轉(zhuǎn)換；當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，將轉(zhuǎn)換完成的ADC值輸送至STM32F103，STM32F103根據(jù)ADC值進(jìn)行處理。

2.2 溫濕度采集

溫濕度數(shù)據(jù)處理流程如圖7所示。溫濕度值采集前先進(jìn)行ADC初始化，STM32F103通過(guò)PB6和PB7連接I2C_SCL和I2C_SDA，開(kāi)啟I2C通信；STM32F103通過(guò)I2C通道讀取溫濕度值，然后關(guān)閉I2C通信。需要注意的是，每一次數(shù)據(jù)讀取都需要對(duì)I2C通信執(zhí)行開(kāi)關(guān)操作[9]。在溫濕度數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，需要使用I2C協(xié)議完成相關(guān)數(shù)據(jù)收發(fā)。

3 數(shù)據(jù)加權(quán)平滑算法

3.1 氫氣數(shù)據(jù)處理采用加權(quán)平滑算法

系統(tǒng)在氫氣數(shù)據(jù)處理上使用加權(quán)平滑算法來(lái)保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，防止外界干擾[10]，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該算法可以平滑和均衡氫氣傳感器采集的數(shù)據(jù)，減小偶然數(shù)據(jù)突變的影響，如式（1）所示：

（1）

式中：f為加權(quán)值，取0.8；H0為修正值；Ki為第i個(gè)數(shù)據(jù)；hold為原數(shù)據(jù)；hnew為最新數(shù)據(jù)；H00為修正值與真實(shí)值誤差。測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1所列。

將真實(shí)值與測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)利用加權(quán)平滑算法修正的數(shù)據(jù)整體誤差低于直接測(cè)量值的誤差，尤其在出現(xiàn)異常值時(shí)數(shù)據(jù)回彈能力好，使其更接近真實(shí)值。如氫氣真實(shí)值為2.5×10-6，氫氣測(cè)量值為0.3×10-6，數(shù)據(jù)明顯存在異常，通過(guò)加權(quán)平滑算法，氫氣數(shù)據(jù)修正值約為0.7×10-6，在原有值不變的情況下，使不易被發(fā)現(xiàn)的值變得易被發(fā)現(xiàn)，從而提升了系統(tǒng)觸發(fā)性。

3.2 溫濕度數(shù)據(jù)處理采用加權(quán)平滑算法

當(dāng)氫氣泄漏時(shí)，周邊的溫度會(huì)急劇下降，為了能夠?qū)崟r(shí)精準(zhǔn)抓取氫氣泄漏的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采用突變算法來(lái)抓取溫濕度瞬變數(shù)據(jù)，通過(guò)該算法去除靜態(tài)和緩慢變化的數(shù)據(jù)背景。

（2）

式中：T0為修正值。溫度數(shù)據(jù)見(jiàn)表2所列。

溫度真實(shí)值為23.2 ℃，測(cè)量值為5.1 ℃，數(shù)據(jù)明顯存在異常。通過(guò)加權(quán)平滑算法，溫度數(shù)據(jù)修正值為19.5 ℃，在原有值不變的情況下，使不易被發(fā)現(xiàn)的值變得易被發(fā)現(xiàn)，從而提升了系統(tǒng)觸發(fā)性。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)氫氣泄漏無(wú)氣味不易察覺(jué)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款基于STM32F103的氫氣泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)功耗低，響應(yīng)快，性能穩(wěn)定，具有較好的社會(huì)價(jià)值與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]建設(shè)更高水平開(kāi)放型經(jīng)濟(jì)新體制 推動(dòng)能耗雙控逐步轉(zhuǎn)向碳排放雙控[N].人民日?qǐng)?bào)，2023-07-12（001）.

[2]王振，彭峰.全球碳中和戰(zhàn)略研究[M].上海：上海社會(huì)科學(xué)院出版社，2022.

[3]顧清華，李學(xué)現(xiàn)，盧才武，等.“雙碳”背景下露天礦智能化建設(shè)新模式的技術(shù)路徑[J].金屬礦山，2023，58（5）：1-13.

[4]巴清心.常溫及低溫壓縮氫氣泄漏和射流火焰研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2021.

[5]杭春爍.可同步跟蹤多路信號(hào)的ARM調(diào)試器研究與設(shè)計(jì)[D].上海：華東師范大學(xué)，2021.

[6]魏永生. STM32單片機(jī)定時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置與編程[J].電子元器件與信息技術(shù)，2022，6（3）：23-25.

[7]楊孟宇，牛萍娟，寧平凡，等.基于Pd及其復(fù)合膜的光纖氫氣傳感器的研究進(jìn)展[J].傳感器與微系統(tǒng)，2023，42（1）：1-5.

[8]杜肖鵬，李愷，王春輝，等.國(guó)內(nèi)溫室空氣溫濕度檢測(cè)及傳輸技術(shù)研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2022，42（34）：28-34.

[9]張小鵬.基于UVM的I2C總線設(shè)計(jì)與驗(yàn)證[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2021.

[10]許學(xué)艷.核權(quán)平滑波動(dòng)率估計(jì)的幾乎處處收斂性[J].廣西民族大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2022，28（4）：87-90.

收稿日期：2023-07-17 修回日期：2023-08-21

基金項(xiàng)目：江蘇高?！扒嗨{(lán)工程”

作者簡(jiǎn)介：梁龍兵（1989—），男，碩士，講師，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)。