基于STM32的便攜式臭氧檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

郝雅靜 郝欣 成俊娜 孫喜堂 宋春麗

摘 要：臭氧濃度的檢測(cè)是環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要指標(biāo)。該文設(shè)計(jì)了一款準(zhǔn)確度高、響應(yīng)迅速、操作簡(jiǎn)單的便攜式臭氧檢測(cè)裝置。該裝置利用基于紫外吸收原理的臭氧測(cè)量模塊，采用高清串口顯示屏作為輸出和操作終端，以STM32F1系列單片機(jī)作為主控芯片，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)供電電路、AD采集電路以及臭氧測(cè)量模塊和顯示屏的控制電路等。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，該檢測(cè)儀的示值誤差、重復(fù)性測(cè)試以及響應(yīng)時(shí)間等參數(shù)滿足目前臭氧測(cè)量?jī)x器的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：STM32 臭氧監(jiān)測(cè) 紫外吸收原理 便攜式

中圖分類(lèi)號(hào)：TH83文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ?文章編號(hào)：1672-3791（2022）03（a）-0000-00

TheDesign of aportable ozone detector based on STM32

HAO YajingHAOXinCHENGJunnaSUNXitangSONGChunli

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

Abstract： Ozone concentration detection is an important environmental monitoring index. A portable ozone detector with the high accuracy， quick response-time and simple operation is designed in this paper. An ozone measurement module based on UVpcx is used in the detector， and an high-definition serial screen is used as the output and operation terminal. Based on STM32F1， the system power-supply circuit， AD acquisition circuit， ozone measurement module and the display control circuit aredesigned. The experimental results show that the measurement instrument， such as the error of indication， the repeatability and the response time， can meet the current industrial standards of ozone measurement instruments.

Key Words： STM32; Ozone Monitoring; UVpcx; Portable

臭氧是氧氣的同素異形體，常溫下帶有特殊的氣味。地球的平流層中，低濃度臭氧可以保護(hù)地球表面免受有害紫外線的照射;臭氧也會(huì)出現(xiàn)在對(duì)流層，是人類(lèi)的一些生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生的，比如鋼鐵、建材、火電等行業(yè)和燃煤鍋爐、機(jī)動(dòng)車(chē)船等排放的氮氧化物，石化、化工、工業(yè)涂裝、包裝印刷等行業(yè)排放的揮發(fā)性有機(jī)物，這些污染物在太陽(yáng)光和熱的作用下形成以臭氧為主要成分的光化學(xué)煙霧污染[1]。光化學(xué)煙霧污染嚴(yán)重影響了人類(lèi)生存環(huán)境[2]，因此要加強(qiáng)對(duì)臭氧的有效檢測(cè)，才能從源頭上治理。

1系統(tǒng)總體架構(gòu)

目前常用于臭氧檢測(cè)的方法有碘量滴定法、分光光度法、化學(xué)發(fā)光法和紫外吸收法等。其中，紫外吸收法以其操作簡(jiǎn)便、反應(yīng)靈敏等特點(diǎn)，已成為臭氧測(cè)量的主流方法[3]。該文選用一款基于紫外吸收原理的臭氧檢測(cè)模塊，搭配STM32F1系列單片機(jī)和基于RS485協(xié)議的串口顯示屏，設(shè)計(jì)密閉性好、吸附性小的氣路，構(gòu)成一套功能完整的臭氧檢測(cè)設(shè)備。同時(shí)考慮測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜多樣性，配備鋰電池充電裝置，滿足在無(wú)交流電情況下的測(cè)量需求[4-5]。

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1硬件系統(tǒng)

2.1.1傳感器模塊

采用嶗應(yīng)臭氧測(cè)量光學(xué)模塊，該模塊以紫外吸收技術(shù)為核心，具有測(cè)量精度高、響應(yīng)時(shí)間快、輕便可靠等優(yōu)點(diǎn)。該傳感器測(cè)量范圍為0～1000nmol/mol，測(cè)量時(shí)，將待測(cè)氣體以恒定流速抽入測(cè)量模塊，經(jīng)顆粒物過(guò)濾器和除濕器后分成兩路，其中一路經(jīng)過(guò)臭氧洗滌器后作為參考?xì)怏w進(jìn)入U(xiǎn)V吸收池，一路氣體作為待測(cè)氣體直接進(jìn)入U(xiǎn)V吸收池，兩路氣體由電磁閥控制，通過(guò)測(cè)量?jī)陕窔怏w在臭氧特征吸收波長(zhǎng)處的光強(qiáng)，獲得待測(cè)氣體中臭氧的吸光度，通過(guò)吸光度的大小可以計(jì)算臭氧的濃度[6]。

2.1.2 AD采集模塊

該檢測(cè)儀內(nèi)置鋰電池，為了實(shí)時(shí)觀測(cè)電池電量，利用STM32的AD采集功能模塊和定時(shí)器模塊，定時(shí)采集電池電量信息。為了提高AD采集的準(zhǔn)確度，多次采集取平均值，經(jīng)過(guò)單片機(jī)分析處理，利用串口顯示屏實(shí)現(xiàn)電量變化的圖形化顯示。其中，AD采集模塊的電路圖如圖1所示。光耦合器實(shí)現(xiàn)了輸入端和輸出端的電氣隔離，同時(shí)可將輸出電壓轉(zhuǎn)換到STM32 ADC的檢測(cè)范圍內(nèi)。

2.1.3 供電模塊

該檢測(cè)儀通過(guò)鋰電池為系統(tǒng)提供12V的穩(wěn)定電源，經(jīng)過(guò)兩級(jí)壓降，可滿足系統(tǒng)各模塊的電壓需求。

2.2軟件系統(tǒng)

該檢測(cè)儀軟件系統(tǒng)包括STM32硬件控制程序和顯示屏控制程序。STM32硬件控制程序基于C語(yǔ)言在Keil的uVison5上設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，主要完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、解析處理和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送等功能，其工作流程圖如圖2所示。顯示屏控制程序基于VisualTFT軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)人機(jī)交互，完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、零點(diǎn)量程校準(zhǔn)、流量標(biāo)定和查詢?cè)O(shè)備信息等功能[7]。

系統(tǒng)上電后，先進(jìn)行初始化，定時(shí)去采集傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和電量信息，并通過(guò)顯示屏更新顯示。顯示屏上進(jìn)行的操作也經(jīng)硬件控制程序解析處理，轉(zhuǎn)化成傳感器指令去獲取傳感器相關(guān)信息，同時(shí)對(duì)傳感器反饋的指令進(jìn)行處理顯示。

3儀器校準(zhǔn)測(cè)試

3.1儀器校準(zhǔn)

3.1.1零點(diǎn)校準(zhǔn)

儀器測(cè)量前需進(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn)和量程校準(zhǔn)。進(jìn)入零點(diǎn)校準(zhǔn)界面，啟用零點(diǎn)校準(zhǔn)功能，通入零氣。觀察濃度值變化，待濃度值穩(wěn)定后進(jìn)行校準(zhǔn)。零點(diǎn)校準(zhǔn)后，零氣的測(cè)量值28 s已經(jīng)趨于穩(wěn)定。

3.1.2量程校準(zhǔn)

為了滿足儀器在全量程范圍內(nèi)測(cè)量的準(zhǔn)確性，量程校準(zhǔn)采用滿量程80%～100%范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行。進(jìn)入量程校準(zhǔn)界面，讀取當(dāng)前量程校準(zhǔn)系數(shù)，通入800nmool/mol的標(biāo)準(zhǔn)濃度臭氧氣體，待濃度值穩(wěn)定后計(jì)算新的量程校準(zhǔn)系數(shù)，完成量程校準(zhǔn)。量程校準(zhǔn)可以多次進(jìn)行，直至得到滿意的校準(zhǔn)結(jié)果。

3.2儀器性能測(cè)試

3.2.1示值誤差

儀器通電預(yù)熱后，進(jìn)行零點(diǎn)和量程校準(zhǔn)。然后依次通入濃度分別為200nmol/mol，500nmol/mol和800nmol/mol的標(biāo)準(zhǔn)氣體，記錄儀器穩(wěn)定示值。每點(diǎn)測(cè)3次，所測(cè)的數(shù)據(jù)如表1所示。3次測(cè)量的平均值分別為204.77nmol/mol，512.53nmol/mol和808.98nmol/mol，計(jì)算的示值誤差分別為0.48%，1.25%和0.9%，取其中絕對(duì)值最大值，該儀器的示值誤差即為1.25%。

可以看出，該檢測(cè)儀的示值誤差出現(xiàn)在滿量程50%的位置，這是由于儀器校準(zhǔn)采用的是零氣和滿量程80%的標(biāo)氣進(jìn)行的，這就導(dǎo)致離校準(zhǔn)點(diǎn)較遠(yuǎn)濃度的測(cè)量值誤差較大。但是儀器的示值誤差在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi)[8]，故可用此方法對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)。

3.2.2重復(fù)性

實(shí)驗(yàn)時(shí)先通零氣對(duì)儀器進(jìn)行調(diào)零，再通入濃度為500nmol/mol的標(biāo)準(zhǔn)氣體，待示值穩(wěn)定后讀值。重復(fù)測(cè)量6次，所測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示。

計(jì)算的檢測(cè)儀的重復(fù)性為0.29%，滿足《臭氧氣體分析儀檢定規(guī)程》中儀器重復(fù)性不大于2%的要求。

3.2.3響應(yīng)時(shí)間

通入零點(diǎn)氣體調(diào)整檢測(cè)儀零點(diǎn)，通入500nmol/mol的臭氧標(biāo)準(zhǔn)氣體，讀取穩(wěn)定示值，停止通氣，讓儀器回到零點(diǎn)。再通入上述標(biāo)準(zhǔn)氣體，記錄示值升值穩(wěn)定值的90%所需時(shí)間，重復(fù)3次，測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示，計(jì)算的平均時(shí)間26.67S即為儀器的響應(yīng)時(shí)間。

4結(jié)語(yǔ)

該文設(shè)計(jì)的基于STM32的便攜式臭氧檢測(cè)儀，可實(shí)現(xiàn)0～1000nmol/mol范圍內(nèi)臭氧的測(cè)量，示值誤差1.25%，重復(fù)性為0.29%，響應(yīng)時(shí)間26.67 s。可通過(guò)顯示屏對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，可應(yīng)用在無(wú)交流電源的環(huán)境，并能實(shí)時(shí)觀察儀器的電量情況。經(jīng)過(guò)反復(fù)多次測(cè)量，該儀器運(yùn)行穩(wěn)定，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)對(duì)臭氧的精準(zhǔn)測(cè)量。

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