多功能便攜式氣體濃度檢測(cè)報(bào)警儀的研究與設(shè)計(jì)

李瑞華 孔曉紅

摘要：基于UCGUI圖像系統(tǒng)設(shè)計(jì)一種氣體濃度智能檢測(cè)報(bào)警儀。介紹該儀器儀表的系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計(jì)，闡述該儀器儀表的功能及與傳統(tǒng)的儀器儀表相比的優(yōu)勢(shì)。該儀器儀表結(jié)構(gòu)小巧、功能實(shí)用、操作便捷、攜帶方便，適宜推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)檢測(cè)儀器儀表；氣體傳感器；氣體濃度；報(bào)警；便攜

中圖分類號(hào)：TP216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2016）06-0019-04

H2S，CO，O2及可燃?xì)怏w是一類對(duì)人類和環(huán)境有很大危害性的氣體[1]。大多數(shù)有毒有害且可燃的氣體都有電化學(xué)特性，可以發(fā)生電化學(xué)氧化反應(yīng)或還原反應(yīng)，氣體的成分和濃度通過這些化學(xué)反應(yīng)就可以檢測(cè)出來[2]。電化學(xué)類氣體檢測(cè)儀主要用于檢測(cè)毒性氣體如H2S，CO，O2及可燃性氣體[3-4]；電化學(xué)氣體傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是氣體濃度檢測(cè)靈敏度高、選擇性好，消耗量極小，可采用便攜的干電池來供電。對(duì)很多氣體，電化學(xué)傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)極低濃度下的有效測(cè)量[5-6]。便攜式智能儀器儀表以其體積小、質(zhì)量輕、便捷的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。目前市面上大部分的便攜式儀器儀表都是單色屏幕，顯示效果很不美觀，且功能較少，大多數(shù)都是固定功能設(shè)計(jì)的，更換傳感器種類需要重新設(shè)計(jì)電路。本設(shè)計(jì)采用主控電路與采集電路分開連接的方法來靈活改變儀器儀表的功能，界面采用上、下、左、右、確定、返回6個(gè)按鍵作為系統(tǒng)的輸入屏幕，菜單的深度為4，具有溫度補(bǔ)償功能，可自由設(shè)定RTC時(shí)間、亮度、氣體報(bào)警的參數(shù)、屏幕睡眠時(shí)間，在很大程度上能夠滿足用戶的各種需求。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的硬件電路主要由電源管理電路、主控顯示系統(tǒng)和信號(hào)采集系統(tǒng)三部分組成?？紤]到系統(tǒng)的通用性，將信號(hào)采集系統(tǒng)單獨(dú)布在獨(dú)立的PCB上，并采用連接器連接。信號(hào)采集部分是基于電化學(xué)傳感器的恒電位電路，經(jīng)差分式運(yùn)放變換之后送往STM32的AD采集接口。主控部分主要由STM32最小系統(tǒng)、外圍電路及TFT顯示單元組成，負(fù)責(zé)信號(hào)采集部分送來的數(shù)據(jù)的處理與顯示，以及整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)的設(shè)定與修改。

1.1 信號(hào)采集

信號(hào)采集電路如圖1所示。系統(tǒng)的電化學(xué)傳感器是由U11的A運(yùn)放，R28，R29，C31，C34，C36組成的恒電位電路，以滿足電化學(xué)傳感器的特性；經(jīng)R39，U11的B運(yùn)放和C40，C46，R43，R48組成IV放大電路之后，由SIG端口輸出信號(hào)經(jīng)過U13的A運(yùn)放和周邊電容電阻組成差分放大電路；最后經(jīng)1腳輸出送往主控芯片進(jìn)行AD處理。氧氣傳感器輸出的是電流信號(hào)，在R52上形成電壓之后，經(jīng)過U14的B運(yùn)放和R44，R46，R47，R49，R52等組成的差分放大電路，并由7腳送往主控芯片AD輸入腳處理?？扇?xì)怏w傳感器內(nèi)部由傳感電橋組成，并且外加R56和R57作為另外一個(gè)橋臂組成電橋，RP1用來調(diào)整電橋的零點(diǎn)，輸出的信號(hào)送往U13的B運(yùn)放和周邊電容電阻組成的差分放大電路，之后由7腳送往主控芯片進(jìn)行處理，為了抑制電路的共模干擾，選擇基準(zhǔn)電壓芯片TL431作為運(yùn)放的參考電位形成共模偽地（即圖1中的標(biāo)號(hào)VRR）。集成運(yùn)放采用TI公司生產(chǎn)的精密儀表類集成運(yùn)放AD8607。

1.2 主控顯示

主控顯示部分以STM32及2.2寸TFT作為顯示單元；輸入部分由6個(gè)按鍵組成，根據(jù)主控芯片的特性，返回鍵具有開關(guān)機(jī)功能，只能配置成下拉輸入，其他的按鍵都配置成上拉輸入的方式；報(bào)警部分采用PWM分別控制開關(guān)三極管輸出聲、光、震動(dòng)3種方式來報(bào)警；為了進(jìn)一步提高AD的轉(zhuǎn)換精度和穩(wěn)定性，采用一個(gè)TL431輸出2.5 V的參考電壓作為AD外設(shè)的參考。

1.3 電源管理電路

由于系統(tǒng)采用內(nèi)置鋰電池作為系統(tǒng)的電源，所以需要對(duì)電池進(jìn)行充電，以及對(duì)電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)。采用CN3068作為電源電路的管理芯片，可對(duì)電池進(jìn)行分段式智能充電管理，通過改變芯片第二引腳的對(duì)地電阻R8的阻值來調(diào)節(jié)正常充電的電流大小，以有效延長(zhǎng)電池的使用壽命。電源管理電路如圖2所示。圖中由R2，R3，C7對(duì)電池電壓分壓濾波，由送往主控芯片的PC4的AD外設(shè)輸入端口進(jìn)行AD變換，Ds1，Ds2分別作為系統(tǒng)的充滿指示燈和正在充電指示燈，Ds2通過R7送往主控芯片的一個(gè)普通端口來監(jiān)測(cè)當(dāng)前是否正在充電。系統(tǒng)由MicroUSB經(jīng)過D2和電池經(jīng)過D1這兩個(gè)快速恢復(fù)二極管到VPP作為整個(gè)系統(tǒng)的電源輸入，然后由VPP分別經(jīng)過U1，U2，U3等直流DC芯片CAT6219變換成系統(tǒng)所需要的各種電壓。另外，為了避免因報(bào)警等引起的電源不穩(wěn)定而造成對(duì)系統(tǒng)干擾，采用分離供電方式，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 下位機(jī)的設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)采用基于免費(fèi)、開源且可根據(jù)項(xiàng)目需求裁剪內(nèi)核的UCGUI圖形系統(tǒng)，并以STM32的FSMC外設(shè)控制器模擬8080接口時(shí)序來控制TFT，從而進(jìn)一步解決了單片機(jī)顯存小、速度慢的問題。GUI部分界面如圖3所示。

信號(hào)采集部分將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理放大后送給主控單元，由主控單元對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ牵和ㄟ^讀取存儲(chǔ)在flash中的由標(biāo)準(zhǔn)溫度環(huán)境下測(cè)得的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行比例線性變換，之后再同由標(biāo)準(zhǔn)氣體環(huán)境下測(cè)得的AD值數(shù)據(jù)進(jìn)行比例線性變換，得到最終的濃度數(shù)據(jù)，分別送往顯示單元進(jìn)行顯示，并與設(shè)定的值進(jìn)行對(duì)比，判斷是否需要報(bào)警。當(dāng)使用者有需要的時(shí)候，可以使用配套的上位機(jī)，通過計(jì)算機(jī)串口訪問存儲(chǔ)在flash中的數(shù)據(jù)。電化學(xué)傳感器普遍存在著穩(wěn)定性差的問題，所以在標(biāo)準(zhǔn)氣體環(huán)境中標(biāo)定過之后會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)閃爍的問題，為此，本設(shè)計(jì)程序中對(duì)采集到的AD值數(shù)據(jù)進(jìn)行邊界值限定，從而擴(kuò)大容差范圍。STM32本身沒有集成EEPROM，但是卻提供了IAP功能，所以為了節(jié)省硬件的成本，特使用STM32本身的程序存儲(chǔ)器來存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)置參數(shù)。然而STM32的閃存擦除壽命卻很有限（大約1萬次），為此，本設(shè)計(jì)提出一種可以延長(zhǎng)閃存壽命的方法，利用虛擬地址與變量值相結(jié)合，以閃存的單個(gè)扇區(qū)為擦除單位，循環(huán)寫入，直到寫滿此扇區(qū)，之后暫存與虛擬地址對(duì)應(yīng)的有效數(shù)據(jù)，擦除整個(gè)扇區(qū)，再把暫存的有效數(shù)據(jù)連同虛擬地址一同存儲(chǔ)在扇區(qū)的開頭，如此可以利用空間來換取壽命，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問時(shí)，只需要知道將要訪問的數(shù)據(jù)的虛擬地址，并從扇區(qū)的后面開始查找，遍歷到虛擬地址位置就是當(dāng)前的有效數(shù)據(jù)的位置。寫入數(shù)據(jù)流程圖如圖4所示。

整個(gè)軟件的程序采用多叉樹的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并圍繞6個(gè)按鍵組成一個(gè)查詢響應(yīng)不同深度屏幕的方式。各個(gè)樹杈中嚴(yán)禁出現(xiàn)延時(shí)類的函數(shù)，故速度優(yōu)化不存在樹節(jié)點(diǎn)輪詢速度慢的問題。軟件的整體流程如圖5所示。

2.2 上位機(jī)的設(shè)計(jì)

上位機(jī)系統(tǒng)采用VB編程，通過串口和STM32進(jìn)行通信，讀取過來的數(shù)據(jù)按照年、月、日的格式存儲(chǔ)在Excel表格中，繪制成圖標(biāo)文件，并且可以分別查看單一和全部通道的數(shù)據(jù)曲線和保存當(dāng)前曲線截圖，軟件分別用紅、黃、藍(lán)、紫4種顏色代表H2S[7]，CO[8-9]，O2和可燃?xì)怏w的濃度，X軸代表所處一天中的某個(gè)時(shí)間段。上位機(jī)界面的設(shè)計(jì)如圖6所示。

3 結(jié)語

基于UCGUI圖像系統(tǒng)，以STM32硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)一種便攜式多功能氣體濃度報(bào)警儀。該儀器具有兩級(jí)報(bào)警和聲、光、震動(dòng)3種報(bào)警方式，安全可靠，并配套開發(fā)有上位機(jī)，通過串口通信訪問存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)，以方便用戶進(jìn)行分析處理。該儀器儀表設(shè)計(jì)小巧，攜帶方便，適宜推廣應(yīng)用。

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Abstract： Based on image UCGUI system a kind of intelligent detection alarming apparatus was designed. This paper introduced the design of system hardware and software used in the instrument， and expounded its advantages on the function compared with traditional instruments. The instrument has the advantages of small and exquisite structure， practical function， easy to operate， convenient to carry and suitable for population and application.

Key words： automatic detection instrument； gas sensor； gas concentration； alarm； portable