基于STM32F103氫氣泄漏監測系統的設計與實現

摘 要：針對氫氣泄漏無氣味不易察覺的問題，設計了一款基于STM32F103的氫氣泄漏監測系統，系統包含主控模塊、氫氣監測模塊、溫濕度監測模塊、報警模塊以及顯示模塊。鑒于氫氣傳感器遇水時靈敏度會下降，故系統通過加入溫濕度模塊確保在復雜環境場景下氫氣泄漏監測的準確性。氫氣監測模塊使用SMD1012，溫濕度監測模塊采用AHT22，具有功耗小、穩定性高、響應率高等優點。溫濕度數據和氫氣數據處理均采用加權平滑算法，實驗結果表明：加權平滑算法能夠降低數據誤差，優化系統的性能。

關鍵詞：氫氣監測；STM32F103；SMD1012；AHT22；加權平滑；模數轉換

中圖分類號：TP202 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）08-00-03

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.08.005

0 引 言

2023年7月，習近平總書記在中央全面深化改革委員會第二次會議強調：推動能耗雙控逐步轉向碳排放雙控[1]。國務院也提出在2030年前實現碳達峰。由此清潔能源在未來會成為國家能源體系的重點發展方向[2]。氫能作為國家能源體系的重要組成部分，其清潔、可再生、高效的特點非常適合交通、儲能、工業領域等減碳[3]，但是氫氣易揮發、易燃、難儲存等缺點制約了氫能的使用場景。氫氣泄漏產生的安全事故層出不窮，如韓國氫燃料儲存罐發生爆炸造成2死6傷，東莞氫氣罐車軟管破裂爆燃事故[4]等。鑒于此，如何能夠精準實時監測氫氣是否泄漏成為急需解決的問題，而文中基于STM32F103氫氣泄漏監測系統可以很好地解決氫氣泄漏監測

問題。

1 硬件設計

系統框圖如圖1所示。系統包含主控模塊、氫氣監測模塊、溫濕度監測模塊、報警模塊以及顯示模塊。當氫氣監測模塊感知到泄漏的氫氣時，將信號傳輸至主控模塊，主控模塊處理后啟動報警模塊，同時顯示氫氣泄漏數據；另外，由于氫氣泄漏會導致空氣溫濕度發生變化，因此，為精準監測氫氣泄漏情況，系統加入了溫濕度模塊，以保證氫氣監測的準

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內核的32位ARM微控制器[5]，擁有兩個12位模數轉換器，雙采樣可以滿足溫濕度數據和氫氣數據采集要求。該芯片的工作頻率最高可達[6]72 MHz，能夠保證系統數據采集的實時性。STM32F103芯片使用的電源電壓為2～3.6 V，其睡眠、停機和待機模式使其功耗較低，很好地滿足了系統持續工作的需求。同時，該芯片幾乎所有引腳都可以承受5 V電壓，因此系統穩定性較好。

1.2 氫氣監測模塊

氫氣監測通過SMD1012傳感器實現，該傳感器采用MEMS工藝，可以實現不同場景中的氫氣泄漏監測。作為半導體氣體傳感器，其對低濃度氫氣泄漏監測具有高精準性、高分辨率以及高靈敏性。同時，其小尺寸、高穩定、快響應以及長壽命等特點[7]都是選擇其采集氫氣數據的重要原因。SMD1012原理如圖3所示。系統主要使用其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則通過直流電源和負載為傳感器提供測試電壓；VOUT將采集的數據傳輸至主控芯片STM32F103。

1.3 溫濕度監測模塊

為確保能夠實時、精確地監測氫氣泄漏時的瞬時溫濕度變化，系統采用AHT22傳感器進行溫濕度監測。作為新一代溫濕度傳感器，其具有穩定性強、響應快、抗干擾能力強等特點[8]，使其能夠在環境相對惡劣的場景下工作，進而精準、快速、實時采集氫氣泄漏時的溫濕度。AHT22原理如圖4所示。

1.4 報警模塊

為確保用戶能夠及時發現氫氣泄漏，系統設計了報警模塊。一旦氫氣泄漏被氫氣傳感器和溫濕度傳感器感知，則主控芯片會直接觸發報警器報警。

2 軟件設計

檢測流程如圖5所示。系統初始化后，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，說明有氫氣泄漏，直接啟動報警；如果氫氣值為零，則開始對溫濕度值進行判斷，檢查溫濕度值是否出現瞬間變化，如果發現溫濕度值出現瞬間變化，則說明有可能出現氫氣泄漏，啟動報警，否則繼續采集溫濕度值。

2.1 氫氣采集

氫氣數據處理流程如圖6所示。首先進行ADC初始化；然后通過SMD1012傳感器獲取氫氣數據，啟動ADC單次轉換；當轉換結束后，將轉換完成的ADC值輸送至STM32F103，STM32F103根據ADC值進行處理。

2.2 溫濕度采集

溫濕度數據處理流程如圖7所示。溫濕度值采集前先進行ADC初始化，STM32F103通過PB6和PB7連接I2C_SCL和I2C_SDA，開啟I2C通信；STM32F103通過I2C通道讀取溫濕度值，然后關閉I2C通信。需要注意的是，每一次數據讀取都需要對I2C通信執行開關操作[9]。在溫濕度數據傳輸時，需要使用I2C協議完成相關數據收發。

3 數據加權平滑算法

3.1 氫氣數據處理采用加權平滑算法

系統在氫氣數據處理上使用加權平滑算法來保證數據的準確性，防止外界干擾[10]，進一步提升系統的穩定性。該算法可以平滑和均衡氫氣傳感器采集的數據，減小偶然數據突變的影響，如式（1）所示：

（1）

式中：f為加權值，取0.8；H0為修正值；Ki為第i個數據；hold為原數據；hnew為最新數據；H00為修正值與真實值誤差。測試數據見表1所列。

將真實值與測量值進行對比，發現利用加權平滑算法修正的數據整體誤差低于直接測量值的誤差，尤其在出現異常值時數據回彈能力好，使其更接近真實值。如氫氣真實值為2.5×10-6，氫氣測量值為0.3×10-6，數據明顯存在異常，通過加權平滑算法，氫氣數據修正值約為0.7×10-6，在原有值不變的情況下，使不易被發現的值變得易被發現，從而提升了系統觸發性。

3.2 溫濕度數據處理采用加權平滑算法

當氫氣泄漏時，周邊的溫度會急劇下降，為了能夠實時精準抓取氫氣泄漏的數據，系統采用突變算法來抓取溫濕度瞬變數據，通過該算法去除靜態和緩慢變化的數據背景。

（2）

式中：T0為修正值。溫度數據見表2所列。

溫度真實值為23.2 ℃，測量值為5.1 ℃，數據明顯存在異常。通過加權平滑算法，溫度數據修正值為19.5 ℃，在原有值不變的情況下，使不易被發現的值變得易被發現，從而提升了系統觸發性。

4 結 語

針對氫氣泄漏無氣味不易察覺的問題，設計了一款基于STM32F103的氫氣泄漏監測系統。該系統功耗低，響應快，性能穩定，具有較好的社會價值與經濟價值。

參考文獻

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收稿日期：2023-07-17 修回日期：2023-08-21

基金項目：江蘇高校“青藍工程”

作者簡介：梁龍兵（1989—），男，碩士，講師，研究方向為物聯網應用技術。