基于ARM的紅外氣體傳感系統的設計與實現

文冠祺，王 忠，陳柏松

(火箭軍工程大學，陜西 西安 710025)

基于ARM的紅外氣體傳感系統的設計與實現

文冠祺，王 忠，陳柏松

(火箭軍工程大學，陜西 西安 710025)

為了實現對室內、坑道等較為封閉區域空氣中有毒有害氣體的監測預警，提高相關人員工作生產環境的安全性，設計并實現了一款基于ARM的紅外氣體傳感系統。該系統對某種指定氣體濃度進行監控，探測端通過USB數據線連接上位機PC終端，在配套開發的軟件系統上實現可視化監控并及時發出警報。利用擴散式監測方式，非分光紅外技術測量特定氣體濃度，可對應不同氣體種類而靈活更換紅外探測頭的濾波片，以此實現對多種氣體進行監測的功能。目前該傳感器可用于對氟化氫、一氧化氮、二氧化硫、二氧化碳、一氧化碳以及甲烷等氣體進行實時監測。實驗選取一氧化碳氣體分別進行精準性測試和重復性測試，以此檢驗系統在長時間工作中受到電壓波動和溫度波動等影響因素干擾下的工作狀態。結果表明，傳感系統能夠檢測出相應的氣體濃度，存在干擾現象但符合設計標準，達到了監測系統的功能要求。

ARM處理器；紅外氣體傳感系統；非分光；實時監測

0 引 言

隨著綜合國力的不斷攀升，經濟發展穩步向前，發展在帶給人民巨大利益的同時，面臨的問題也逐步顯現出來，個別方面的矛盾甚至日益激化，比如環境問題。在當今社會，環境保護已經成為發展道路上的一項重要任務，從民生角度考慮，人們越來越關注自己的生存環境變化，尤其在空氣質量方面，空氣中的有毒有害氣體和可吸入顆粒物等物質也成為老百姓們每天都關心談論的熱門話題。

人們賴以生存的空氣中有很多值得挖掘的信息，常見的如溫室效應主要成分CO2[1]氣體、采礦坑道中的CO[2]氣體、家用燃氣中的CH4[3]氣體等。人們利用這些氣體使其在生產生活中發揮重大作用，在科學研究中提供有力支撐，但又不得不面對它們帶來的種種負面影響。為了保護人們生產勞動的安全高效，盡早檢測出空氣中的有毒有害氣體，易操作低成本的氣體探測傳感器應運而生[4]。氣體傳感技術大致分為紅外傳感[5]、熱導式傳感[6]、電化學傳感[7]和催化燃燒傳感[8]等。紅外氣體傳感器因其使用壽命長、性價比高在大氣監測[9]、災害防治[10]、醫療農業[11]等諸多方面應用廣泛。

基于上述原因，運用非分光紅外技術設計及實現一種基于ARM處理器的氣體傳感系統，并進行了精準性測試和重復性實驗。結果表明，系統在遇到自產熱干擾和電壓波動情況下，所得數據均在正常范圍之內，達到了設計標準。

1 設計原理和思路

氣體傳感系統采用分段式結構，兩端分別是發光源和探測器，中段由氣室連接。系統采用非分光紅外(NDIR)技術，在此基礎上運用ARM處理器保證運算結果更快更精準。在氣體監測過程中向氣室內通含某一特定成分氣體的空氣，發光源發出寬譜紅外光穿過氣室，探測器接收并檢測吸收峰處吸收情況來計算某種氣體濃度值[12]。在探測器表面安裝不同的濾波片，可以監測不同類型的氣體濃度。目前該成品可監測氣體成分主要有CO、CO2、SO2、CH4、HF、NO等氣體。

當有紅外光照射氣體時，氣體分子會吸收能量，因為氣體不同分子也不同結構，所以對于紅外光能量的吸收頻段也不相同，特定氣體分子吸收能量之后紅外光會形成對應的吸收峰。探測器運用熱電堆技術，當有紅外光照射探測器時，熱電堆會感應溫度變化，因熱電效應[13]使得電動勢發生改變，通過測量電壓變化可推出通過某種氣體之后的紅外照射光被吸收了多少能量，由能量的變化間接計算出氣室內某氣體的濃度。電壓信號經輸出給AD轉換器轉換為數字信號，由ARM處理器處理后控制顯示器顯示出來或者同時報警。

因為持續照射會產生熱堆積影響檢測結果，所以紅外光以調制方式照射。通道末端設有溫度感應器單獨輸出溫度信號，將其轉換成數字信號之后，采用數字補償法消除環境溫度對熱電堆的影響。

2 電路設計

2.1 單片機電路

stm32f103v48是ARM32位的Cortex-M3 CPU，64 K字節的閃存程序存儲器，20 K的SRAM，有2個12位ADC，7個定時器和9個通信接口。如圖1所示，為給單片機供能并提供穩定的正弦波信號，起振電容C11和C12與Y1組成正弦波震蕩電路。電容值22pF，晶體振蕩器震蕩頻率8MHz。電容器C18接處理器的異步復位腳，NRST端輸入低電平時單片機處于復位狀態，電平由低升高時PC指針從0開始。當輸入電壓低于1.9V左右時，芯片復位。

2.2 穩壓電源電路

如圖2所示，輸入電壓為5 V，經過降壓、整流、濾波后，通過LM1117MPX-3.3電壓調節器向系統輸出3.3 V工作電壓，同時提供電流限制和熱保護，其最大線性調整率為0.2%，最大負載調整率為0.4%。電路中電容作用是過濾干擾。

圖1 單片機電路局部

圖2 穩壓電源電路和紅外光源電路開關

2.3 紅外光源電路開關

如圖2所示，NMOS是低端驅動，適用于源極接地的情況，Vgs大于4 V就會導通;PMOS是高端驅動，適用于源極接VCC的情況，Vgs小于閾值電壓就會導通。MOS管是電壓控制元件，損耗小，熱阻特性好，適合作為紅外光源的電子開關。

2.4 信號濾波放大模塊

探測器后接兩條信號路線，一是圖3中所示紅外信號，二是探測器信號。因為其輸出時已經變成電壓信號，故無需轉換直接放大即可。電路中信號皆為低頻信號，高頻判斷為噪聲。要使有效的低頻信號得以

圖3 濾波放大電路

放大而不放大高頻噪聲，參考同向濾波電路設計，添加電容C4可過濾高頻噪聲，起到濾波作用。

電路對低頻信號放大倍數為：

(1)

3 系統設計

氣體濃度監測儀的軟件設計釆用程序模塊化的方法進行,除主程序外,主要的子模塊有數據釆集子摸塊、數據處理子模塊、顯示子模塊和串口通信子模塊。

從紅外探測器輸出的信號經過放大濾波電路處理后得到stm32f103v48電壓處理范圍內的信號。這些信號將由數據采集處理模塊計算,得出最終濃度值輸出到顯示器,同時通過串口RS232連接到個人PC上進行數據的存儲和分析。

該系統主要用stm32f103v48單片機實現脈沖觸發、A/D轉換、數據采樣及數據處理。進入處理器的信號由片內12位模數轉換模塊進行模數轉換,將模擬信號轉換成數字信號,將所得數據處理后最終計算出被測氣體濃度。

4 結構設計

傳感系統主體采用的是分段式結構，即紅外信號發射端、氣室和紅外信號接收端分離成三段，兩頭器件可以用螺絲與氣室固定組裝在一起，拆卸非常方便。設計用意：一是方便組裝探測器；二是在出現硬件故障之時能夠快速排解問題。整個器件采用表面光滑的鋁材質進行加工，不僅能防止器件被某些有害氣體腐蝕，而且光滑的氣室通道內能減少紅外光束的散射，提高測量精度。

氣室有出氣和進氣兩個氣孔，在探測器端中心圓孔處放置探測頭，圓孔一側有小孔用來放置溫度傳感器，消除因堆積熱對測量結果產生的負面影響。

5 實驗及結果

為使實驗結果準確，滿足實驗條件令其符合氣體傳感系統設計要求。氣體監測系統部分參數如表1所示。

5.1 精準性測試

考慮到實驗氣體一氧化碳在空氣中爆炸極限是12.5%～74%[14]，為安全起見，在測試中分別用濃度為1%和5%的兩種一氧化碳氣體向傳感器氣室中通氣，總共通20 min，每分鐘記錄一個測得的濃度數值。

影響測量結果的因素有氣室內溫度變化的情況，氣瓶中氣體濃度異常或者通氣速度不均的情況，電壓不穩的情況,等等。

表1 氣體監測系統部分參數表

由圖4所示，在8～11 min和17～20 min時段測量濃度分別有較大起伏。查看記錄數據分析原因知，氣室內部溫度升高引起電壓波動，反映在測量值上出現了較大差距的波峰和波谷，差值最大為0.016%，低于設計標準0.05%誤差，精度滿足要求，判定結果有效。

在上一次實驗結束后，將探測器于通風口處靜置10 min，使內部殘留氣體釋放干凈。此次實驗開始之前先將傳感器置于激活狀態預熱5 min，之后再向氣室內逐步通入5%濃度的CO氣體，探測數據相對平穩，與氣體濃度標準值的最大誤差不超過0.008%，如圖4所示。由于系統充分預熱，干擾項少，該次實驗測量值較前一次數據反映情況看有很大改觀，符合實際情況，結果有效。

圖4 精準性測試

5.2 重復性實驗

在測試中，用濃度為1%的二氧化碳氣體向氣體傳感器中通氣，每次通2 min，2 min后停機5 min再次開機通氣2 min，每次記錄一個測得的濃度數值。實驗結果如圖5所示。

圖5 濃度1%一氧化碳氣體重復性實驗

如圖5所示，重復性實驗測量值誤差小，性能表現較為穩定，能夠滿足設計要求。

6 結束語

為了實現對室內、坑道等較為封閉區域空氣中有毒有害氣體的監測預警，提高相關人員工作生產環境的安全性，設計并實現了一款基于ARM的紅外氣體傳感系統。采用單片機進行控制，具有運算速度快、方便操作等特點，非分光紅外技術的氣體監測實現簡單，精準度高，使用壽命長。實驗結果表明，該系統具備一定的適應性和實用價值，且具有良好的市場前景。下一步要做的工作是減小體積，將光路從直射變成反射，進一步研究溫度對感應系統監測結果的影響，增加探測頭設置對照組消除誤差，同時設計更加可靠的結構提高用戶體驗。

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Design and Implementation of Infrared Gas Sensor System with ARM

WEN Guan-qi,WANG Zhong,CHEN Bai-song

(Rocket Force University of Engineering,Xi’an 710025,China)

In order to monitor poisonous and harmful gas in the rooms,tunnels and other closed region and improve the safety of the relevant personnel work and production environment,an infrared gas sensor system with ARM has been designed.This system is realized and connected with PC terminal via USB data line,by which certain specified gas concentration can be monitored on the bundled software system and alarm can be given timely if necessary.By applying the non-dispersive infrared technology,infrared detection head can be flexibly changed with different gas types.At present,this sensor can be used to monitor such gas as hydrogen fluoride,nitric oxide,sulfur dioxide,carbon dioxide,carbon monoxide and methane in real time.Detection of carbon monoxide gas has been tested in experiments and its results show that the gas concentrations detected by the system accord with the design standard and meet the functional requirements of the monitoring system.

ARM;infrared gas sensor system;non-dispersive;real-time monitoring

2016-05-16

2016-09-08

時間：2017-03-07

國家自然科學基金資助項目(614023397)

文冠祺(1991-)，男，碩士，研究方向為嵌入式系統與嵌入式網絡；王 忠，教授，CCF高級會員，研究方向為嵌入式和移動Ad-hoc。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170307.0921.036.html

TP391

A

1673-629X(2017)04-0180-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.04.040