特種裝備內(nèi)部環(huán)境氣氛傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉 琦, 楊 芳, 陸藺輝, 官德斌, 董 明

(中國工程物理研究院 化工材料研究所,四川 綿陽 621900)

特種裝備內(nèi)部環(huán)境氣氛傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉 琦, 楊 芳, 陸藺輝, 官德斌, 董 明

(中國工程物理研究院化工材料研究所,四川綿陽621900)

為長期監(jiān)測特種裝備內(nèi)部環(huán)境氣氛的變化規(guī)律,研制了一種基于STM32微處理器的嵌入式氣氛傳感系統(tǒng)。核心敏感元件選用SHT15數(shù)字式溫濕度傳感器、LOX02數(shù)字式氧氣傳感器和自主研制的MEMS氫氣傳感器。設(shè)計(jì)了一種獨(dú)特的低功耗供電方案,有效降低了系統(tǒng)的休眠功耗。測試結(jié)果表明:系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確測量環(huán)境的溫度、濕度、氣體壓力、氧氣濃度和氫氣濃度等重要指標(biāo),體積小、功耗低,對特種裝備可靠性評估具有重要意義。

氣氛傳感； 嵌入式系統(tǒng)； 低功耗； MEMS器件

0 引 言

特種裝備的關(guān)鍵材料在長期貯存中易受到輻射、溫濕度交替等環(huán)境影響,與裝備內(nèi)微量水分子或殘留氣體發(fā)生交互作用；在材料表面形成原電池或微反應(yīng)區(qū)等化學(xué)活性反應(yīng)點(diǎn),對材料造成電化學(xué)腐蝕或分子降解,并二次釋放出H2,CO2,H2O,NOX等腐蝕性氣體[1],進(jìn)一步加速材料老化。在腐蝕環(huán)境中,鋼等材料的力學(xué)性能會顯著下降,影響特種裝備的使用性能[2]。因此,準(zhǔn)確測量特種裝備內(nèi)部環(huán)境的氣氛指標(biāo),包括溫度、濕度、氣體壓力、氧氣濃度和氫氣濃度等,對保證特種裝備的安全性和可靠性具有重要意義。

特種裝備內(nèi)部為十分狹小的密閉空間。目前,其內(nèi)部環(huán)境氣氛指標(biāo)均采用取樣后實(shí)驗(yàn)室檢測的方法,雖然該方法測量精度高,但成本高,難以實(shí)時(shí)測量記錄,且對特種裝備存在安全風(fēng)險(xiǎn)(取樣會改變內(nèi)部的氣體壓力和氣氛環(huán)境)。基于嵌入式技術(shù)的氣氛傳感系統(tǒng)可解決以上問題,可將嵌入式氣氛傳感系統(tǒng)布置于特種裝備內(nèi),實(shí)現(xiàn)長期、實(shí)時(shí)監(jiān)測其內(nèi)部環(huán)境氣氛指標(biāo)[3]。但是目前該嵌入式氣氛傳感系統(tǒng)未見研究報(bào)道。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)長期、實(shí)時(shí)監(jiān)測特種裝備內(nèi)部環(huán)境氣氛指標(biāo),研制的嵌入式氣氛傳感系統(tǒng)需要具備以下特點(diǎn):小尺寸、低功耗、多元性和安全性。

本文采用STM32微處理器的嵌入式結(jié)構(gòu),選用SHT15數(shù)字式溫濕度傳感器、LOX02數(shù)字式氧氣傳感器和自主研制的MEMS氫氣傳感器,并設(shè)計(jì)了獨(dú)特的低功耗供電方案,為特種裝備研制了一種嵌入式氣氛傳感系統(tǒng)。測試結(jié)果表明:系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確測量環(huán)境的溫度、濕度、氣體壓力、氧氣濃度和氫氣濃度等重要指標(biāo)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用STM32F103CBT6微處理器的嵌入式結(jié)構(gòu)[4],其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,尺寸為6mm×6mm×1mm,工作功耗20mW,休眠功耗0.1mW。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

微處理器的外圍器件、電路有:溫濕度傳感器、氫氣傳感器、氧氣傳感器、數(shù)據(jù)存儲器、RS—485通信接口和低功耗供電電路。各類傳感器用于感知環(huán)境氣氛指標(biāo)。系統(tǒng)使用存儲測量的方式,所以微處理器外圍布置有數(shù)據(jù)存儲器和RS—485通信接口。測量數(shù)據(jù)先存儲于數(shù)據(jù)存儲器內(nèi),一段時(shí)間后,在特定的情況下(系統(tǒng)與外部PC通信握手成功),微處理器會將存儲于數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)的測量數(shù)據(jù)通過RS—485通信接口傳送至外部PC。設(shè)計(jì)的低功耗供電電路可降低系統(tǒng)休眠功耗,延長系統(tǒng)續(xù)航時(shí)間。

1.2 傳感器件及信號調(diào)理電路

選取的原則是兼顧性能、尺寸、功耗、安全性、可靠性和使用壽命等方面。系統(tǒng)選用了SHT15數(shù)字式溫濕度傳感器[5]、LOX02數(shù)字式氧氣傳感器和自主研制的MEMS氫氣傳感器。

SHT15溫濕度傳感器測量溫度、濕度的范圍分別為-40～124℃,0%～100%RH,測量溫度、濕度的精度分為±0.3℃,±2.0%RH,器件尺寸7.42mm×4.88mm×2.5mm,工作功耗1mW,休眠功耗5μW,采用數(shù)字信號輸出,通過I2C串行接口與微處理器交換數(shù)據(jù)。

LOX02氧氣傳感器測量氧氣濃度范圍0%～25%,測量精度0.1%F.S.,還可測量氣體壓力,范圍為500～1200mbar,器件尺寸φ20mm×12.5mm,工作功耗20mW,通過RS—232接口(3.3V TTL電平)與微處理器交換數(shù)據(jù)。

由于目前的商業(yè)氫氣傳感器工作溫度都很高(200～300℃)[6],安全性上不滿足特種裝備的使用要求,所以系統(tǒng)選用了自主研制的MEMS半導(dǎo)體氫氣傳感器。針對金屬氧化物半導(dǎo)體材料實(shí)施納米化工藝,并用稀土或貴金屬進(jìn)行摻雜,制得的氫敏材料可有效降低氫敏響應(yīng)的溫度條件,且具有選擇性好和較寬氧域的響應(yīng)能力[7]。在此基礎(chǔ)上,傳感器件采用MEMS工藝,在1mm×1mm×1mm的芯片上集成了3種功能:加熱、測溫以及氫敏響應(yīng)；封裝后器件尺寸3.8mm×3.8mm×1mm；工作溫度可控,范圍為80～120℃,功耗小于25mW。為確保氫氣濃度測量的可靠性,系統(tǒng)采用冗余設(shè)計(jì),使用了6只MEMS氫氣傳感器。

針對MEMS氫氣傳感器,設(shè)計(jì)的信號調(diào)理電路如圖2所示。LM4040為高精度2.5V電壓基準(zhǔn)；電阻器R2的作用是調(diào)整敏氫材料的工作溫度；電阻器R3的作用是將敏氫材料的電阻信號轉(zhuǎn)換為電壓信號；ADS1255對變送電壓信號進(jìn)行處理、轉(zhuǎn)換,其與STM32微處理器通過SPI串行通信接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。ADS1255[11]為噪聲非常低的24位高集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器,核心部件為一個(gè)4階Δ—Σ調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器；內(nèi)部的輸入緩沖器,低噪聲、可編程比例放大器以及可編程數(shù)字濾波器均可用于信號處理；器件尺寸7.5mm×7.5mm×2mm,工作功耗30mW,休眠功耗0.4mW。

圖2 MEMS氫氣傳感器信號調(diào)理電路

1.3 系統(tǒng)低功耗供電方案設(shè)計(jì)

根據(jù)所選器件,系統(tǒng)工作功耗大約為300mW。考慮特種裝備內(nèi)部環(huán)境氣氛指標(biāo)變化較慢,采用間斷工作的方式來降低系統(tǒng)功耗,延長續(xù)航時(shí)間。但系統(tǒng)休眠功耗仍然很高,大約為210mW,因?yàn)檠鯕狻錃鈧鞲衅鞑痪邆涞凸男菝吣Ｊ健?/p>

在系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)時(shí)關(guān)閉部分器件的供電電源可有效降低系統(tǒng)的休眠功耗[8]。據(jù)此,設(shè)計(jì)了如圖3所示的低功耗供電方案。系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時(shí),微處理器通過I/O口,經(jīng)MOS管驅(qū)動(dòng)電路,閉合MOS管開關(guān)電路,此時(shí)二極管1處于導(dǎo)通狀態(tài),二極管2處于截止?fàn)顟B(tài),主供電電池經(jīng)電壓轉(zhuǎn)換電路為微處理器的主區(qū)域和其他器件供電,輔助供電電池僅為微處理器的后備區(qū)域供電；系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)時(shí),微處理器斷開MOS管開關(guān)電路,隔離主供電電池,此時(shí),二極管1處于截止?fàn)顟B(tài),二極管2處于導(dǎo)通狀態(tài),輔助供電電池為微處理器的主區(qū)域和后備區(qū)域供電,其他器件處于斷電狀態(tài)。系統(tǒng)的休眠功耗可降至大約2mW。

圖3 系統(tǒng)低功耗供電方案

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件開發(fā)使用Realview MDK—ARM3.8A工具,采用模塊化編程思想,其程序流程如圖4所示。STM32F103CBT6微處理器內(nèi)部集成的實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊可為系統(tǒng)提供時(shí)鐘。微處理器休眠一段時(shí)間后喚醒,讀取各傳感器和系統(tǒng)時(shí)鐘的數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)打包存儲于數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)；如果收到上位機(jī)數(shù)據(jù)輸出指令,微處理器將存儲器內(nèi)的所有測量數(shù)據(jù)通過RS—485接口傳送至外部。

圖4 系統(tǒng)軟件流程

3 系統(tǒng)性能測試

3.1 測試平臺

按照以上設(shè)計(jì),制作的系統(tǒng)電路板尺寸僅為φ65mm,工作功耗310mW,休眠功耗5mW。為測試系統(tǒng)的工作性能,設(shè)計(jì)了如圖5所示的測試平臺,主要由反應(yīng)腔體、配氣系統(tǒng)、便攜式計(jì)算機(jī)組成。系統(tǒng)電路板固定于反應(yīng)腔體內(nèi)部。配氣系統(tǒng)由高精度多路配氣儀、標(biāo)準(zhǔn)氣體和濕度控制器組成,用于供應(yīng)準(zhǔn)確濃度梯度的樣本氣體。便攜式計(jì)算機(jī)與系統(tǒng)通過RS—485總線進(jìn)行通信,用于處理測量數(shù)據(jù)、顯示測試結(jié)果。

圖5 測試平臺

3.2 系統(tǒng)性能

測試平臺對系統(tǒng)進(jìn)行長時(shí)間運(yùn)行考核,獲得氧氣濃度、溫度、濕度的實(shí)時(shí)曲線如圖6所示。可以看出:系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)反映環(huán)境氧氣濃度、溫度、濕度指標(biāo)的變化。

圖6 系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)曲線

使用配氣系統(tǒng)獲得標(biāo)準(zhǔn)氫氣濃度、氧氣濃度的樣本氣體,分別供應(yīng)到反應(yīng)腔體內(nèi),觀察系統(tǒng)測量環(huán)境氫氣濃度、氧氣濃度的準(zhǔn)確性,測量結(jié)果如表1、表2所示，可以得出,系統(tǒng)測量氫氣濃度的精度優(yōu)于±3.0%F.S.,氧氣濃度的精度優(yōu)于±2.0%。

測試結(jié)果表明:為特種裝備研制的嵌入式氣氛傳感系統(tǒng)性能良好,能夠準(zhǔn)確測量環(huán)境的溫度、濕度、氣體壓力、氧氣濃度和氫氣濃度等重要指標(biāo)。

表1 氫氣濃度測量結(jié)果

表2 氧氣濃度測量結(jié)果 %

4 結(jié) 論

為長期監(jiān)測特種裝備內(nèi)部環(huán)境氣氛的變化規(guī)律,研制了一種基于STM32微處理器的嵌入式氣氛傳感系統(tǒng)。系統(tǒng)具有小尺寸、低功耗、多元性和安全性的特點(diǎn)。系統(tǒng)選擇的傳感器件,設(shè)計(jì)的信號調(diào)理電路和低功耗供電方案,對其他傳感系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)具有借鑒價(jià)值。需要指出的是,系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性仍待考核,若滿足特種裝備的使用要求,該系統(tǒng)對特種裝備可靠性評估具有重要意義,其在航空航天、國防及公共安全等方面也具有廣泛的應(yīng)用前景。

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Designandimplementationofgassensingsystemforinternalenvironmentofspecialequipment

LIU Qi, YANG Fang, LU Lin-hui, GUAN De-bin, DONG Ming

(InstituteofChemicalMaterials,ChinaAcademyofEngineeringPhysics,Mianyang621900,China)

In order to long-term monitor gas changing rule of internal environment of special equipment,an embedded gas sensing system is researched and fabricated based on STM32MCU.The core sensors use SHT15digital temperature and humidity sensor,LOX02digital oxygen sensor,and independently developed MEMS hydrogen sensor.An unique low power consumption supply scheme is designed to effectively reduce sleep power consumption of the system.Test results show that the system can accurately measure some important indicators of environment,such as temperature,humidity,gas pressure,oxygen concentration,hydrogen concentration,and so on.It is of great significance to the reliability evaluation of special equipment.

gas sensing; embedded system; low power consumption; MEMS device

10.13873/J.1000—9787(2017)10—0108—03

2016—10—23

TP 212

A

1000—9787(2017)10—0108—03

劉 琦(1988-),男,通訊作者,碩士,工程師,主要從事嵌入式技術(shù)、傳感技術(shù)與自動(dòng)化儀表研發(fā)工作,E—mail:lq6688@caep.cn。