基于STM32的多氣體檢測系統(tǒng)設(shè)計*

郎寶華　蔡莉媛

(西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院　西安　710021)

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基于STM32的多氣體檢測系統(tǒng)設(shè)計*

郎寶華蔡莉媛

(西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院西安710021)

摘要大多數(shù)氣體檢測儀都具有價格高、體積大、檢測氣體單一、準(zhǔn)確度低等缺點,為了克服這些缺點,設(shè)計了一種以STM32F103RCT6微處理器為核心的便攜式多氣體濃度檢測儀。論文介紹了檢測儀的工作原理,硬件電路以及軟件的設(shè)計。試驗結(jié)果表明,檢測儀精度高、速度快。

關(guān)鍵詞氣體檢測儀; STM32F103RCT6; 便攜式; 硬件電路; 軟件設(shè)計

Design of Multi Gas Detection System Based on STM32

LANG BaohuaCAI Liyuan

(College of Electronic and Information Engineering, Xi’an Technological University, Xi’an710021)

AbstractMost of the gas detector has the shortcomings of high price, large volume, gas detection single, accuracy shortcomings, in order to overcome these shortcomings a multi gas concentration detecting instrument with stm32f103rct6 microprocessor as the core of the portable is designed. The working principle,hardware circuit and software design of the detector are introduced in this paper. Test results show that the accuracy and speed of the detector are high.

Key Wordsgas detector, STM32F103RCT6, portable, hardware circuit, software design

Class NumberTP29

1引言

科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展也使環(huán)境污染日趨嚴(yán)重,人類賴以生存的大氣質(zhì)量正在不斷地惡化,環(huán)境問題已經(jīng)上升為全球性問題。然而當(dāng)今危害環(huán)境和人類身體健康的主要污染物之一就是工業(yè)排放的氣體。工業(yè)化大發(fā)展,尤其是重工業(yè)的發(fā)展、化石燃料的燃燒,都伴隨著大量污染性氣體的排出,給人類造成的健康問題也是不言而喻的,越來越多的人們已經(jīng)認(rèn)識到問題的嚴(yán)重性,加強(qiáng)檢測、凈化空氣勢在必行。

2系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)能夠在混合氣體中同時檢測五種氣體的濃度(氧氣、二氧化硫、二氧化氮、一氧化氮和一氧化碳)。首先,被測混合氣體經(jīng)皮托管泵吸式進(jìn)入儀器,與相應(yīng)氣體傳感器進(jìn)行充分接觸后,檢測到的氣體濃度信號經(jīng)傳感器內(nèi)部化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生與氣體濃度呈線性的微弱電流信號[1],經(jīng)過信號調(diào)理電路處理后把電流轉(zhuǎn)換成電壓并經(jīng)濾波、放大得出與STM32F103中ADC匹配的電壓值,送入STM32F103的ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,然后通過LCD顯示,同時還可以利用RS232串口通信方式將檢測結(jié)果傳送到PC機(jī)進(jìn)行后期分析。

3系統(tǒng)設(shè)計方案

系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計思想,由氣體信號采集與調(diào)理模塊、STM32F103最小系統(tǒng)模塊、鍵盤輸入模塊、顯示模塊、串口通訊模塊五部分組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

3.1系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1.1電源模塊

圖2　電源電路

本設(shè)計中STM32F103RCT6需要3.3V電壓,集成運(yùn)放采用±5V進(jìn)行雙電源供電,NO信號采集與調(diào)理模塊需要-5V來設(shè)置偏壓。綜上所述本設(shè)計所需電源為3.3V和±5V電源電路如圖2所示。

3.1.2信號采集與調(diào)理模塊

電化學(xué)傳感器既能滿足一般檢測中對靈敏度和準(zhǔn)確性的需要,又具有體積小、操作簡單、攜帶方便、可用于現(xiàn)場監(jiān)測且具有價格低廉等優(yōu)點。故本設(shè)計傳感器選擇城市技術(shù)公司生產(chǎn)的5系列電化學(xué)式氣體傳感器,具體型號為:O2(5FO),SO2(5SF/F),NO2(5ND),NO(5NF),CO(A5F)。

氣體信號采集模塊的設(shè)計根據(jù)氣體傳感器的技術(shù)手冊,由五種氣體濃度傳感器以及為保證傳感器正常工作的外圍電路組成[2],它們將氣體在空氣中的含量(即濃度)轉(zhuǎn)化為與之呈線性關(guān)系的電流信號。調(diào)理模塊則將采集模塊得到的電流信號轉(zhuǎn)換成能與主控芯片匹配的電壓信號(0~3.3V)。

3.1.3STM32F103最小系統(tǒng)模塊

系統(tǒng)采用基于Cortex-M3核心的STM32F103RCT6作為主控芯片,最高工作頻率72MHz,內(nèi)含256KB的FLASH、48KB的SRAM以及豐富的I/O端口,此處理器高度集成很大程度上簡化了外圍電路,增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性和擴(kuò)展性,降低了監(jiān)測系統(tǒng)的成本。

芯片內(nèi)嵌12位A/D轉(zhuǎn)換電路將氣體信號采集與調(diào)理模塊輸出的模擬信號轉(zhuǎn)化成可識別的數(shù)字信號。STM32F103RCT6最小系統(tǒng)如圖3所示。

圖3　STM32F103RCT6最小系統(tǒng)

3.1.4顯示模塊

由于液晶顯示器(LCD)具有低功耗、綠色環(huán)保、使用壽命長等特點被廣泛應(yīng)用于一些便攜式儀器儀表中[3]。本系統(tǒng)采用2.8寸TFTLCD模塊以ILI9320控制器為其驅(qū)動芯片,ILI9320液晶控制器自帶顯存。模塊可以顯示字母、數(shù)字符號、中文字型及圖形、具有繪圖及文字畫面混合顯示功能。LCD顯示電路如圖4所示。

圖4　LCD顯示電路

3.1.5串口通訊電路模塊

串口通訊電路模塊則需要完成與上位機(jī)通信,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的保存和實時監(jiān)控。系統(tǒng)采用RS232C總線標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)檢測儀與上位機(jī)的通訊,利用串口通信將數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和分析。系統(tǒng)與上位機(jī)通信時,設(shè)置特定的按鍵,當(dāng)該鍵按下去時系統(tǒng)將進(jìn)行串口通信[4]。

3.2系統(tǒng)軟件設(shè)計

圖5　系統(tǒng)主程序流程圖

系統(tǒng)軟件設(shè)計利用STM32的固件函數(shù)庫在KeiluVision5環(huán)境下采用C語言進(jìn)行模塊化設(shè)計。系統(tǒng)上電后,先對STM32內(nèi)部進(jìn)行初始化,初始化完畢直接進(jìn)入采樣狀態(tài),主要將ADC采集到的信號進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理,由TFTLCD液晶顯示器顯示其被測值。系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示。

3.2.1氣體濃度數(shù)據(jù)濾波程序設(shè)計

本系統(tǒng)ADC時鐘配置為12MHz,工作模式為掃描并且連續(xù)轉(zhuǎn)換模式。連續(xù)采集5路模擬信號,每路采集10次。ADC在每次轉(zhuǎn)換結(jié)束后,由DMA循環(huán)將50個轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻?nèi)存中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[5]。

圖6　去極值平均濾波流程圖

通過模擬量輸入通道采集到的數(shù)據(jù),不可避免會混雜一些干擾噪聲,為了提高數(shù)據(jù)采集的可靠性和準(zhǔn)確性,本設(shè)計選用去極值平均濾波方法對ADC采樣的數(shù)據(jù)要進(jìn)行濾波處理,無論是緩慢變化還是快速變化過程的信號,都能起到很好的濾波效果。流程圖如圖6所示。

3.2.2氣體濃度數(shù)據(jù)除交叉干擾程序設(shè)計

本課題為減少各氣體傳感器之間的交叉干擾[6],通過互相干擾的系數(shù)來進(jìn)行補(bǔ)償。推算出各濃度的真實值。具體方法如下:

設(shè)氣體交叉干擾系數(shù)矩陣為A:

其中a,b,…,x,y為五種氣體對五種傳感器的干擾系數(shù)。

數(shù)據(jù)濾波結(jié)果矩陣為b,濃度實際值矩陣為x。

由于b和A可以測出來,故可通過jacobi(雅克比)迭代法解線性方程組求出x。

4實驗結(jié)果與分析

在傳感器數(shù)據(jù)的標(biāo)定階段,利用氧氣、二氧化硫、二氧化氮、一氧化氮和一氧化碳標(biāo)準(zhǔn)氣體來測試傳感器的檢測精度和穩(wěn)定性。表1給出了五種氣體儀器檢測數(shù)據(jù)與對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)氣體的比較結(jié)果,測試結(jié)果表明相對誤差在要求的范圍以內(nèi)。同時,從儀器試用的情況來看,五種氣體檢測可靠,測量誤差在4%范圍內(nèi)達(dá)到了系統(tǒng)所要求的性能指標(biāo)。

表1　標(biāo)準(zhǔn)氣體與檢測結(jié)果對比表

5結(jié)語

本文以STM32F103RCT6作為核心控制器,充分發(fā)揮其硬件資源豐富、數(shù)據(jù)處理與實時控制性強(qiáng)的特點。設(shè)計出的多功能氣體檢測儀成本低、方便攜帶、功能強(qiáng)大、工作穩(wěn)定可靠并且易于操作和維護(hù),具有良好的應(yīng)用價值,是一種新型的手持式氣體檢測儀器。

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中圖分類號TP29

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.03.037

作者簡介:郎寶華,男,博士,副教授,研究方向:高精度交流電機(jī)控制、嵌入式系統(tǒng)等。蔡莉媛,女,碩士研究生,研究方向:控制理論與控制工程,嵌入式系統(tǒng)。

收稿日期:2015年9月2日,修回日期:2015年10月28日