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      基于STM32L151的便攜式氣體檢測儀設(shè)計

      2018-09-21 08:28何源黃夢濤王偉峰
      電子產(chǎn)品世界 2018年1期
      關(guān)鍵詞:溫度補償數(shù)字濾波

      何源 黃夢濤 王偉峰

      摘要:針對環(huán)境有毒有害氣體檢測,本文設(shè)計了一種可同時檢測多種氣體的便攜式氣體檢測儀。該設(shè)計通過使用TI公司的新型電化學(xué)模擬前端芯片LMP91000和高精度ADC芯片ADS1115改善硬件統(tǒng)一性和硬件測量精度;微控制器STM32L151軟件設(shè)計中通過數(shù)字濾波和溫度補償提高氣體檢測的溫度穩(wěn)定性和精度。

      關(guān)鍵詞:ARM;LMP91000;電化學(xué)傳感器;數(shù)字濾波;溫度補償

      DOI: 10.3969/j.issn.1005-5517.2018.1.010

      引言

      環(huán)境中常見的有毒有害氣體如:氨氣(NH3)、二氧化硫(SO2)、一氧化碳(CO)、硫化氫(H2S)、氮氧化物(NOx)等。對于上述有毒有害氣體都有對應(yīng)的電化學(xué)傳感器;電化學(xué)傳感器的主要優(yōu)勢是:線性輸出、低功耗、良好的分辨率、良好的重復(fù)性和準(zhǔn)確性,所以電化學(xué)傳感器在氣體檢測領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-4]。

      現(xiàn)如今市場中大部分多合一氣體檢測儀是以分立元件組建的電化學(xué)傳感器前端調(diào)理電路而且以微控制器自身10位或者12位的ADC轉(zhuǎn)換器作數(shù)據(jù)采集,很多產(chǎn)品沒有考慮溫度對電化學(xué)傳感器的影響:因此其在溫度穩(wěn)定性和精度上不盡人意。對此,本文通過改善硬件電路設(shè)計和找尋有效的溫度修正方法,從而提高氣體檢測的溫度穩(wěn)定性和精度。

      1 電化學(xué)傳感器工作原理

      目前大部分電化學(xué)傳感器都是三電極結(jié)構(gòu),其工作原理是氣體通過選擇型敏感膜擴散到傳感器內(nèi),并與傳感器內(nèi)化學(xué)溶液產(chǎn)生氧化反應(yīng)或者還原反應(yīng),并在在工作電極上產(chǎn)生電流信號,其反應(yīng)類型決定工作電極上的電流方向[3,7]。

      簡化三電極電化學(xué)傳感器調(diào)理電路如圖1所示。工作電流在對電極與工作極之間流動,通過A2運放器將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號。分立電路中調(diào)整RF的值,使A2輸出的值滿足后端轉(zhuǎn)換電路的要求[5]??梢钥闯龇至⒄{(diào)理電路較為復(fù)雜,由于分立元件個體差異調(diào)整難度較大,同時引入誤差也隨之增大。

      采用LMP91000芯片可極大簡化調(diào)理電路的設(shè)計,提高調(diào)理電路的可靠性。芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。芯片內(nèi)部具有可編程的增益控制和基準(zhǔn)電壓控制,能夠適應(yīng)多種電化學(xué)傳感器,芯片通過I2C總線與微控制器通信。I2C總線可掛接多個芯片從而實現(xiàn)多氣體檢測傳感器陣列的設(shè)計。其內(nèi)部寄存器在官方數(shù)據(jù)手冊中已有詳細的說明,在此就不再贅述。

      根據(jù)運算放大器虛短虛斷的特性可得到以下表達式:

      (1)

      式中,Vref_div為基準(zhǔn)電壓,Vout為LMP91000輸出電壓,Iwe為電化學(xué)傳感器工作電流?!朗怯呻娀瘜W(xué)傳感器性質(zhì)所決定的。

      測量氣體濃度與電化學(xué)傳感器工作電流的關(guān)系表達式:

      (2)

      表達式中C為被測氣體濃度,SI為電化學(xué)傳感器靈敏度。

      以上表達式中RTIA、Vref_div、SI都為已知量,測量Vout就能推算出被測氣體濃度C。

      2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

      硬件系統(tǒng)框圖如圖3所示,硬件系統(tǒng)主要由微控制器、溫濕度傳感器、ADC轉(zhuǎn)換器、電化學(xué)傳感器調(diào)理電路、顯示和按鍵控制組成。使用REF3020高精度電壓基準(zhǔn)芯片提供基準(zhǔn)電壓,電化學(xué)傳感器調(diào)理電路使用LMP91000,ADC轉(zhuǎn)換器使用ADS1115,這三個要素是保證硬件電路高精度測量的基礎(chǔ)。

      3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

      軟件主要部分流程圖如圖4所示,其余顯示和控制部分程序不是本文重點,在此不予闡述。其中最為重要的是數(shù)字濾波與溫度曲線修正兩個步驟。

      3.1 數(shù)字濾波

      對于數(shù)字濾波本文主要使用中值加均值的綜合濾波方法,即先為采集的n個電化學(xué)輸出值集合Sn排序得到新的集合Tn,根據(jù)實際情況去掉集合Tn頭尾m個數(shù),然后再求集合中剩下數(shù)的平均值,即V=;此方法既能抑制隨機干擾,又能濾除明顯的脈沖干擾。

      3.2 溫度曲線修正

      電化學(xué)傳感器的工作溫度一般在-20℃~50℃,在其極限工作溫度下傳感器壽命非常短。在溫度為20℃時,電化學(xué)傳感器被看作沒有溫漂,即20℃為電化學(xué)傳感器的中心溫度;因此本文計算溫度擬合曲線就以20℃時的數(shù)值為基準(zhǔn)點。以一氧化碳傳感器4C0-2000為例,在-5℃~50℃溫度區(qū)間,以5℃遞增;分別使用一氧化碳含量為250ppm、706ppm、1001ppm、1701ppm標(biāo)氣做高低溫實驗,實驗溫度曲線如圖5(a)所示,實驗溫漂曲線如圖5(b)所示,實驗溫漂比曲線如圖5(c)所示,實驗平均溫漂比曲線如圖5(d)所示。

      溫漂值是以20℃時的測量值為基準(zhǔn)值,分別與其他溫度下測量值作差得到的集合。溫漂比值是以20℃時的測量值為基準(zhǔn)值,分別與溫漂值集合中的值作比得到的集合。平均溫漂比值是4種標(biāo)氣實驗中得到的溫漂比值,在同一個溫度點做算術(shù)平均得到的集合。

      從溫漂比曲線圖(圖5(c))中不難看出,傳感器在各個標(biāo)氣溫度實驗中變化趨勢基本是一致的,再用平均溫漂比曲線(圖5(d))作最小二乘法多項式曲線擬合,就可得到比較適合的溫度修正擬合曲線。

      溫度修正擬合曲線(K(T))一般是兩次或者三次多項式的計算,它的參數(shù)即為實時的溫度值,計算得到是當(dāng)前溫度下的偏差比值:因此完整的公式為:

      V(T)=V×(1-K(T))

      (3)

      表達式中V(T)為修正后的氣體濃度值;V為未修正的氣體濃度值;K(T)為溫度修正擬合曲線。

      4 性能測試

      將高低溫實驗后擬合的溫度曲線加入嵌入式軟件程序中,將氣體檢測儀在純氮氣中進行校零。再次在-50℃~50℃的溫度區(qū)間進行性能測試,同樣以CO傳感器為例測試結(jié)果如表1所示。

      由表1中的數(shù)據(jù)可以看出,CO傳感器溫度在-5℃~50℃區(qū)間內(nèi),對4種標(biāo)氣的測量誤差都保持在了±4ppm范圍內(nèi),有效的證明了本文中提取溫度修正擬合曲線的方法是可行、有效的。此方法在氣體檢測儀其他傳感器如:O2傳感器、H2S傳感器、SO2傳感器、NH3傳感器中得到同樣驗證。

      5 結(jié)論

      本文討論了基于STM32L151的便攜式氣體檢測儀的設(shè)計和實現(xiàn),對其硬件電路結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵的數(shù)字濾波與溫度修正方法進行了詳細的介紹。通過大量高低溫實驗證明:本文提出以“平均溫漂比”作參考樣本計算溫度修正擬合曲線,要比溫度分段式溫度修正方法[6-7]更為有效。為氣體檢測領(lǐng)域硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計和修正方法提供了新的參考。但是由于電化學(xué)傳感器自身的保質(zhì)期一般在1~5年不等,期間其特性會發(fā)生細微變化,可通過定期校準(zhǔn)能減小此變化對測量的影響。

      參考文獻:

      [1]劉立紅,車文實,孫晶,等.電化學(xué)傳感器在環(huán)境檢測中的應(yīng)用研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2017,(01):43.

      [2]姚毓升,解永平,文濤.三電極電化學(xué)傳感器的恒電位儀設(shè)計[J]儀表技術(shù)與傳感器,2009,(09):23-25.

      [4]王翠翠,周真,奏勇,等.電流型電化學(xué)傳感器恒電位儀電路的研究[J].傳感器世界,2009,(02):36-39.

      [5]孫宇峰,黃行九,劉偉,等.電化學(xué)CO氣體傳感器及其敏感特性[J].傳感器技術(shù),2004,(07):14-17.

      [5]許劍鋒,蘆靜,郝歡,等.基于LMP91000的電化學(xué)傳感器調(diào)理電路設(shè)計[J].傳感器世界,2014,(02):22-25.

      [6]李世偉,金貴新,陳彬,等.溫度對電化學(xué)NH3氣傳感器影響研究[J].現(xiàn)代計算機(專業(yè)版),2016,(28):3-6.

      [7]方長青,葉樺,尤衛(wèi)衛(wèi).基于STM32的礦用電化學(xué)一氧化碳傳感器的設(shè)計[J].信息技術(shù)與信息化,2013,(05):145-148.

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