化工園區無機有毒氣體分析儀的設計*

蔣旭偉，虞啟凱，韓江義，楊紅鑫

（1. 南京科技職業學院智能制造學院， 南京 210048；2. 江蘇大學汽車與交通工程學院， 江蘇鎮江 212013）

0 引言

電力、煤炭以及石油化工等工業園區容易產生大量易燃易爆、有毒有害氣體，是污染氣體排放的重點分布區域[1]。煙氣的有組織和無組織排放必須符合國家標準的相關規定，因此，對這些有害氣體進行及時、精確地監測和預報是許多企業安全生產中的重要一環。在工業園區，如果能夠進行實時有效的環境監測，一方面能夠及時了解各種氣體特征污染物的濃度和排放量，從而減少偷排現象；另一方面能給企業工藝的改進提供真實有效的數據來源，從而促進節能減排[2]。由此可見，不論政府相關部門還是企業管理層，對環境安全風險監測、預警及應急指揮等都有較高需求。因此，如何研究并設計出適用于化工園區廠界的氣體分析儀已成為當今環保監測的熱點和難點。

通常在大氣環境檢測中，被測試的氣體是以混合氣體形式存在，成分復雜，研究出同時檢測多種有毒有害氣體的檢測儀尤為迫切[3]。但目前，我國分析儀器市場上有毒氣體分析儀還不常見，檢測組分單一，且產品技術更新緩慢。本文針對上述問題，研發一款適用于化工園區的無機有毒氣體分析儀具有重要的現實意義。

1 儀器總體設計

1.1 功能需求

通過分析現場的檢測需求，對所設計的儀器提出總體功能需求，具體如下。

（1）采集功能：傳感器信號采集部分的設計盡可能靈活，用于擴展其他有毒氣體的檢測。

（2）顯示功能：實時顯示監測數據，包括氣體濃度、環境的溫濕度、系統運行狀態等。出現多任務時儀器應具備良好的處理能力和實時性。人機交互界面友好，支持中文界面操作，降低現場工作人員使用難度。采用觸摸屏，方便設置各種功能參數。

（3）通信功能：與現有設備兼容，集成可靠的RS485 通訊，可將分析儀檢測到的信息傳輸到上位機，同時上位機用戶也可對現場數據進行設定和修改。

（4）預警功能：可為所檢測的有毒氣體濃度預設報警閾值，當氣體濃度超限后，分析儀自動觸發報警裝置。

（5）記事本功能：可存放軟件設計中的變量信息，當系統掉電后，分析儀所設的參數、氣體濃度、溫濕度、報警等信息可自動保存，方便后續查詢。

（6）掉電保護功能：保證在掉電后，用戶設定的數據以及記事本中的數據不丟失。

1.2 性能指標

本文研究的氣體分析儀應具備如下指標。

（1）儀器適用于化工園區排放有毒氣體頻繁的場所，符合工業儀表標準，精度等級不低于2.5。

（2）可同時檢測4 種無機有毒氣體，濃度測量范圍：硫化氫0～100 mg/L，氨氣0～100 mg/L，氯化氫0～20 mg/L，氟化氫0～10 mg/L。

（3）儀器預熱時間不超過5 min，且具備標定與校準功能。

（4）至少支持4 路可編程繼電器輸出用于聲光報警和氣閥控制。

（5）儀器使用過程中可存儲參數設置、聲光報警、維護提醒等歷史信息，且記錄條數不少于100條。

（6）液晶顯示器支持觸摸操作，界面應包括氣體實時監測界面、菜單選擇界面、標定與校準界面、通信界面、參數設置界面等。

2 硬件設計

該氣體分析儀以低功耗、高可靠性為切入點，依據系統功能設計的要求，結合氣體檢測技術與嵌入式系統理論，選用ARM系列高性能、低功耗工業級芯片STM32F429作為監測系統的核心處理單元[4]。該芯片主頻高達180 MHz，擁有豐富的ADC、DAC、USART、SPI、I2C、CAN 等片內外設資源，為開發帶來諸多便利。傳感器信號調理模塊選用雙通道精密集成運放AD8572，具備功耗低、噪聲低、電流輸入偏置極低等優點。數據存儲模塊采用美國Mircon 公司的M25PE80 芯片，數據存儲年限可達20 多年。人機交互通過7 寸彩色觸摸屏GL25U070AT8048T實現。聲光報警通過繼電器控制外圍設備，如光路報警和蜂鳴器報警等。儀器硬件框圖如圖1所示。

圖1 硬件框圖

2.1 信號調理電路設計

該儀器針對的4 種有毒氣體檢測均采用電化學氣體傳感器，其采用恒電位電解原理，輸出為微安級電流信號。目前，微安級電流檢測的經典方法有運算放大器法、場效應管法、穩壓器法、開關電容積分法[5]。本設計以ADI公司的精密集成運放AD8572為核心設計恒電位電路及I-V轉換電路，從而實現微安級電流轉換為伏級電壓。最后，再次通過運算放大器進行放大、濾波后，將信號傳入微控制器的ADC進行處理。雙通道四路放大器AD8572采用5 V/2.7 V單電源供電，工作溫度范圍內（-40～125 ℃）偏置電壓最低可達1 μA，輸入偏置電流不超過20 pA，輸入偏置漂移為0.005 μV/℃[6]。此外，該芯片的開環增益高達130 dB，可保證信號放大更為準確。信號調理電路如圖2所示。

圖2 信號調理電路

2.2 GLCD顯示電路設計

在對有毒氣體監測的過程中，為了使現場工作人員能夠更加直觀、清晰地觀測到化工園區目標氣體的各項參數，并進行相關決策，本設計選用帶觸摸功能的GLCD彩色液晶顯示屏。該顯示器采用5 V供電，四線制的SPI通訊方式與主控芯片進行指令交互，其中每條通訊線均需串聯電阻，以增加阻抗，防止信號過沖，其接口電路如圖3所示。

圖3 GLCD接口電路

2.3 外部存儲電路設計

存儲模塊選用美國Mircon 公司的M25PE80 芯片。該芯片采用2.7～3.6 V供電，容量為8 Mbit，由16個扇區組成，每個扇區分為256頁，可提供超過105次的數據寫入和擦除操作[7]。支持頁編程，每頁256 Byte，頁編程的典型時間為0.8 ms。芯片擦除的最小單位為1個扇區，同時支持整片擦除，整片擦除的時間為13 s。數據存儲年限可達20年。M25PE80 支持標準四線制SPI 通訊，采用全雙工通信，數據按位傳輸，高位在前，低位在后，其硬件電路如圖4所示。

圖4 數據存儲電路

2.4 聲光報警電路設計

聲光報警電路采用警示燈和蜂鳴器進行報警，通過視覺和聽覺讓工作人員能夠直觀地感受到現場環境的危險程度，警示作用明顯。為滿足氣體分析儀多樣化的控制要求，本文設計繼電器接口用于控制如報警、氣閥開關等外圍設備。繼電器選用AXICOM 公司的額定電壓為12 V 的電磁繼電器。由于繼電器驅動電流較大且遠遠超出MCU驅動能力，需增加一個達林頓管ULN2003。電路設計如圖5所示。

圖5 聲光報警電路

3 軟件設計

3.1 系統運行與線程劃分

儀器的軟件設計采用模塊化、分層設計的思想，分為硬件驅動層、操作系統層和應用層，軟件架構如圖6所示。底層硬件驅動層按模塊封裝成類似庫函數，提供API 給功能模塊調用，方便后期的移植和開發。操作系統層主要負責任務線程的調度，降低程序開發的難度。應用層按系統的功能劃分為多個線程，并基于操作系統編寫應用程序，調用驅動層API完成與硬件模塊的交互。

圖6 軟件架構

軟件的功能實現是在RT-Thread 操作系統上構建任務框架，根據功能劃分任務線程，各線程的執行通過操作系統的調度器來控制。RT-Thread是一款由國人自主研發的、免費開源的物聯網操作系統。采用面向對象的編程方式，相比于其他OS，RTOS 更加偏向個性化定制，具備執行效率高、占用空間小和軟件存儲固化等特點[8]。此外，RT-Thread 支持市場上主流的編譯工具，如keil、IAR、GCC等。主程序線程劃分如圖7所示。

圖7 主程序線程

3.2 濃度采集及算法設計

氣體濃度采集模塊使用ADC與DMA（直接存儲訪問）相結合的方式，有效避免數據丟失，A/D 采樣過程如圖8 所示。根據設計要求，選用ADC1的第4、第5、第8、第9通道分別作為4種檢測氣體的采集通道，轉換模式選擇掃描模式。ADC將采集到的數據以16 bit右對齊方式存放在ADC_DR中，但由于寄存器的存儲空間有限，在進行多通道采集時還需開啟DMA 功能[9]。當每個通道數據轉換結束后會發送DMA 請求，DMA 控制器會響應該請求并將轉換的結果傳輸到目的存儲地址。

圖8 A/D采樣流程

在標況下，由于氣體濃度的變化相對較緩慢，中位值平均濾波算法在氣體檢測行業中具有廣泛的適用性，該算法融合了中位值濾波和算術平均濾波的優點，適用于濾除偶然出現的脈沖性干擾造成的采樣偏差。算法流程如圖9所示，將連續采集到的n個數據，首先使用冒泡排序法將其從小到大排列，然后去掉首尾的最小值和最大值，最后將剩下的（n-2）個數取其平均值。

圖9 中位值平均算法流程

3.3 人機交互界面設計

人機交互界面不僅能夠方便用戶直觀清晰地查看現場檢測數據，還可以通過操作界面來實現設定儀器的功能。儀器借助emWin 圖形庫進行界面開發。emWin 是德國SEGGER 公司針對嵌入式領域開發的GUI，可為任何圖形LCD 設計提供高級支持，使嵌入式圖形界面開發變得簡單快捷[10]。emWin繪制界面時無需發送專門的指令，只需調用emWin 提供的接口函數，可輸出高質量的無鋸齒文字和圖形。界面設計框架如圖10所示。

圖10 界面設計框架

4 實驗分析

4.1 傳感器穩定性測試

為了測試氣體流量的大小是否會影響氣體傳感器的檢測精度進行流量試驗。本文以H2S 為例進行了兩組實驗，第一組實驗通入47 ppm 的樣氣，通過調節流量閥使氣體以400～900 mL/min 流速流入，且以100 mL/min 的幅度遞增。第二組實驗通入23 ppm 的標準氣，流量為900～1400 mL/min，同樣以100 mL/min 的幅度遞增。測量時，在每次調節流量后，需等待一段時間使得讀數穩定，記錄此時的氣體濃度值。氣體流量測試數據如表1所示。

表1 氣體流量測試數據

由上述兩組實驗數據可知，當氣體流速以500 mL/min 變化時，實測濃度存在明顯波動。綜上，氣體流量的大小會影響檢測結果，為保證儀器的穩定輸出，需要對氣體流量進行穩定控制。

4.2 儀器精度測試

為了檢測儀器的測量精度，本文通過對幾組已知濃度的樣氣進行測量，分析觀測值與真實值之間的誤差，判斷儀器的準確性。實驗時，保持恒溫15 ℃，通氣流量為500 mL/min，以H2S 為例，分別通入6 種不同濃度的標準氣，每種濃度的樣氣采集10 次求平均后作為測量值，檢測結果如表2 所示。由表可知，經多次試驗測量，相對誤差均在±2%以內，表明該分析儀器測時，準確性較好，滿足設計要求。

表2 儀器精度測試數據

5 結束語

本文提供了一種基于STM32 和電化學傳感器的化工園區無機有毒氣體分析儀的設計方案，從數據采集、調理、顯示、存儲等環節給出軟硬件具體實現方案，并搭建測試平臺，進行了傳感器穩定性測試及儀器精確度測試。測試結果表明：該氣體分析儀的功能完善，性能穩定，抗干擾能力強，符合設計要求，具有實用價值，為在線氣體監測系統的研究奠定儀器基礎。