多功能便攜式氣體濃度檢測報警儀的研究與設計

李瑞華 孔曉紅

摘要：基于UCGUI圖像系統設計一種氣體濃度智能檢測報警儀。介紹該儀器儀表的系統硬件及軟件設計，闡述該儀器儀表的功能及與傳統的儀器儀表相比的優勢。該儀器儀表結構小巧、功能實用、操作便捷、攜帶方便，適宜推廣應用。

關鍵詞：自動檢測儀器儀表；氣體傳感器；氣體濃度；報警；便攜

中圖分類號：TP216 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2016）06-0019-04

H2S，CO，O2及可燃氣體是一類對人類和環境有很大危害性的氣體[1]。大多數有毒有害且可燃的氣體都有電化學特性，可以發生電化學氧化反應或還原反應，氣體的成分和濃度通過這些化學反應就可以檢測出來[2]。電化學類氣體檢測儀主要用于檢測毒性氣體如H2S，CO，O2及可燃性氣體[3-4]；電化學氣體傳感器的主要優點是氣體濃度檢測靈敏度高、選擇性好，消耗量極小，可采用便攜的干電池來供電。對很多氣體，電化學傳感器能夠實現極低濃度下的有效測量[5-6]。便攜式智能儀器儀表以其體積小、質量輕、便捷的優點已經在許多領域得到了應用。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，大多數都是固定功能設計的，更換傳感器種類需要重新設計電路。本設計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個按鍵作為系統的輸入屏幕，菜單的深度為4，具有溫度補償功能，可自由設定RTC時間、亮度、氣體報警的參數、屏幕睡眠時間，在很大程度上能夠滿足用戶的各種需求。

1 系統的硬件設計

本設計的硬件電路主要由電源管理電路、主控顯示系統和信號采集系統三部分組成。考慮到系統的通用性，將信號采集系統單獨布在獨立的PCB上，并采用連接器連接。信號采集部分是基于電化學傳感器的恒電位電路，經差分式運放變換之后送往STM32的AD采集接口。主控部分主要由STM32最小系統、外圍電路及TFT顯示單元組成，負責信號采集部分送來的數據的處理與顯示，以及整個系統的各個參數的設定與修改。

1.1 信號采集

信號采集電路如圖1所示。系統的電化學傳感器是由U11的A運放，R28，R29，C31，C34，C36組成的恒電位電路，以滿足電化學傳感器的特性；經R39，U11的B運放和C40，C46，R43，R48組成IV放大電路之后，由SIG端口輸出信號經過U13的A運放和周邊電容電阻組成差分放大電路；最后經1腳輸出送往主控芯片進行AD處理。氧氣傳感器輸出的是電流信號，在R52上形成電壓之后，經過U14的B運放和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。可燃氣體傳感器內部由傳感電橋組成，并且外加R56和R57作為另外一個橋臂組成電橋，RP1用來調整電橋的零點，輸出的信號送往U13的B運放和周邊電容電阻組成的差分放大電路，之后由7腳送往主控芯片進行處理，為了抑制電路的共模干擾，選擇基準電壓芯片TL431作為運放的參考電位形成共模偽地（即圖1中的標號VRR）。集成運放采用TI公司生產的精密儀表類集成運放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個按鍵組成，根據主控芯片的特性，返回鍵具有開關機功能，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；報警部分采用PWM分別控制開關三極管輸出聲、光、震動3種方式來報警；為了進一步提高AD的轉換精度和穩定性，采用一個TL431輸出2.5 V的參考電壓作為AD外設的參考。

1.3 電源管理電路

由于系統采用內置鋰電池作為系統的電源，所以需要對電池進行充電，以及對電壓進行監測。采用CN3068作為電源電路的管理芯片，可對電池進行分段式智能充電管理，通過改變芯片第二引腳的對地電阻R8的阻值來調節正常充電的電流大小，以有效延長電池的使用壽命。電源管理電路如圖2所示。圖中由R2，R3，C7對電池電壓分壓濾波，由送往主控芯片的PC4的AD外設輸入端口進行AD變換，Ds1，Ds2分別作為系統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普通端口來監測當前是否正在充電。系統由MicroUSB經過D2和電池經過D1這兩個快速恢復二極管到VPP作為整個系統的電源輸入，然后由VPP分別經過U1，U2，U3等直流DC芯片CAT6219變換成系統所需要的各種電壓。另外，為了避免因報警等引起的電源不穩定而造成對系統干擾，采用分離供電方式，以提高系統的穩定性。

2 系統的軟件設計

2.1 下位機的設計

軟件系統采用基于免費、開源且可根據項目需求裁剪內核的UCGUI圖形系統，并以STM32的FSMC外設控制器模擬8080接口時序來控制TFT，從而進一步解決了單片機顯存小、速度慢的問題。GUI部分界面如圖3所示。

信號采集部分將采集到的數據進行處理放大后送給主控單元，由主控單元對數據進行溫度補償。補償的方法是：通過讀取存儲在flash中的由標準溫度環境下測得的數據，并進行比例線性變換，之后再同由標準氣體環境下測得的AD值數據進行比例線性變換，得到最終的濃度數據，分別送往顯示單元進行顯示，并與設定的值進行對比，判斷是否需要報警。當使用者有需要的時候，可以使用配套的上位機，通過計算機串口訪問存儲在flash中的數據。電化學傳感器普遍存在著穩定性差的問題，所以在標準氣體環境中標定過之后會出現數據閃爍的問題，為此，本設計程序中對采集到的AD值數據進行邊界值限定，從而擴大容差范圍。STM32本身沒有集成EEPROM，但是卻提供了IAP功能，所以為了節省硬件的成本，特使用STM32本身的程序存儲器來存儲系統的設置參數。然而STM32的閃存擦除壽命卻很有限（大約1萬次），為此，本設計提出一種可以延長閃存壽命的方法，利用虛擬地址與變量值相結合，以閃存的單個扇區為擦除單位，循環寫入，直到寫滿此扇區，之后暫存與虛擬地址對應的有效數據，擦除整個扇區，再把暫存的有效數據連同虛擬地址一同存儲在扇區的開頭，如此可以利用空間來換取壽命，對數據進行訪問時，只需要知道將要訪問的數據的虛擬地址，并從扇區的后面開始查找，遍歷到虛擬地址位置就是當前的有效數據的位置。寫入數據流程圖如圖4所示。

整個軟件的程序采用多叉樹的數據結構，并圍繞6個按鍵組成一個查詢響應不同深度屏幕的方式。各個樹杈中嚴禁出現延時類的函數，故速度優化不存在樹節點輪詢速度慢的問題。軟件的整體流程如圖5所示。

2.2 上位機的設計

上位機系統采用VB編程，通過串口和STM32進行通信，讀取過來的數據按照年、月、日的格式存儲在Excel表格中，繪制成圖標文件，并且可以分別查看單一和全部通道的數據曲線和保存當前曲線截圖，軟件分別用紅、黃、藍、紫4種顏色代表H2S[7]，CO[8-9]，O2和可燃氣體的濃度，X軸代表所處一天中的某個時間段。上位機界面的設計如圖6所示。

3 結語

基于UCGUI圖像系統，以STM32硬件平臺設計一種便攜式多功能氣體濃度報警儀。該儀器具有兩級報警和聲、光、震動3種報警方式，安全可靠，并配套開發有上位機，通過串口通信訪問存儲的歷史數據，以方便用戶進行分析處理。該儀器儀表設計小巧，攜帶方便，適宜推廣應用。

參考文獻

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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