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。

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