基于ARM單片機的CO檢測系統設計

內蒙古科技大學信息工程學院，內蒙古包頭 014010

一、引言

一氧化碳（CO）是常見的污染物之一，凡是碳或含碳物質在不充燃燒時均可產生CO。由于CO是無色、無味的毒性氣體，其危害性易被人們忽視，因此對CO濃度進行實時、準確的檢測和報警是與人身安全、社會可持續發展切實相關的重要問題。目前CO的檢測主要集中在工業排放領域，對人類生產生活環境中CO監測重視程度嚴重不足，其檢測精度和靈敏度達不到實際需求。

本文介紹了一種基于可調諧半導體激光吸收光譜（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS）的實時監測系統，將差分光學吸收光譜技術和ARM微處理技術相結合，克服了同類氣體檢測儀器檢測速度慢，準確度、靈敏度不高的缺點，對工業安全生產和日常生活安全具有十分重要的現實意義和工程應用價值。

二、測量原理

TDLAS技術是基于朗伯-比爾定律（Lambert-Beer）建立起來的，當一束光強為I0，頻率為v的激光通過某種氣體介質時，若v與氣體特征吸收帶相重合時，便會發生吸收。其輸出光強和輸入光強滿足朗伯-比爾定律[1]，如式（1）所示：

其中，I0—待測氣體的吸收光強；

I—氣體吸收衰減后的光強；

α—吸收系數（與波長有關）；

C—待測氣體濃度；

L—光路吸收過程中的有效長度。

對式（1）進行簡單的變形，可以得到被測氣體濃度表達式為：

在α(λ)和L已知的情況下，氣體的濃度就只與光強的衰減有關，由此可計算出被測氣體濃度[2]。

三、系統描述

CO測量系統的整體結構圖如圖1所示。

由可調諧激光器發射出1.568μm波長的激光，光纖分路器將其分成兩束。其中一束通過含有一定濃度CO的氣室，稱為檢測氣室，另外一束通過沒有待測氣體的氣室，稱為參考氣室。分別將兩路光電探測器得到的信號送信號調理電路放大降噪處理，并將調理后的兩路電信號進行比值計算。然后將該信號送至微處理器STM32進行處理運算，并采用LCD顯示模塊實時顯示檢測到的濃度信息。

四、硬件系統

1、信號調理模塊設計

在一氧化碳測試系統中，探測器輸出的信號非常微弱，且噪聲干擾比較大，如何從噪聲信號中提取出精確地測量數據是本設計的難點之一。

系統采用具有高靈敏度和高帶寬的InGaAs雪崩光電二極管（Avalanche Photo Detector，APD） 作為光電檢測元件，以提高靈敏度。APD工作時需要施加一個反向結壓，在反向偏置電壓的作用下會引發雪崩效應。雪崩增益可通過改變偏壓的大小進行調節，但外界施加的偏壓不易過大，以防APD被擊穿。系統中APD偏置電源電路采用低噪聲、固定頻率的PWM升壓轉換器MAX5026，外圍電路利用一個工作于非連續電流模式的電感來降低了高頻電壓毛刺[3]。同時偏置電路采用ADC進行數字控制，由微控制器對APD進行溫度補償，以減少溫度對探測器轉化精度的影響，從而提高了系統檢測靈敏度。為保證雪崩二極管響應靈敏度，最終確定28V作為工作偏壓。偏置電路圖如圖2所示。

探測器的輸出為電流信號，為了方便信號處理將電流信號通過外接接地電阻進行I/V轉換。由于探測器輸出的信號比較微小，因此需對電壓信號進行濾波和放大處理，系統選用德州儀器公司制作的低噪聲單電源精密運算放大器OPA376。為了滿足A/D轉換的要求還需對信號進行二次放大，二次放大芯片選用低成本、低功耗、高精度儀表放大器AD620。AD620需要雙電源供電，系統選用ICL7660芯片來獲取-5V電源信號。另外，高精度微功率電壓參考芯片LM4040為放大電路提供高精度參考電壓。調理電路的原理圖如圖3所示。

為了消除光路干擾，提高檢測靈敏度，系統將經信號調理后的兩路信號進行比值計算，選用集成芯片AD734實現兩路差分信號的比值計算，它特有的直接除法模式大大降低了電路噪聲的產生。AD734電源供電為±15V，系統選用TPS61080升壓芯片來實現。除法器電路及±15V電源如圖4所示。

2、微處理器

除法器輸出的信號經A/D轉換送微處理器，為了提高系統信號處理速度，中央處理器選用具有超低功耗ARMCortex-M3內核的32位微控制器STM32F103RBT6。A/D轉換完成后，MCU對氣體進行濃度的反演計算。計算出的濃度結果以串口USART的方式發送至LCD顯示，同時，在檢測到的氣體濃度超過系統設定的額定值時將會由蜂鳴器發出報警信號[4]。系統采用ASM1117對ARM芯片進行供電，通信接口選用RS232串口通信[5]。顯示模塊采用TFTLCD，液晶顯示模塊共顯示兩行，分別為測試時間和CO氣體濃度。STM32外圍電路框圖如圖5所示。

五、軟件系統

選用Keil公司的uVision4作為編程軟件，使用J-link硬件仿真器對軟件系統仿真調試，其仿真速度和功能就其他調試器而言都有很大的優越性。系統主流程圖如圖6所示。主程序中包含時鐘、中斷、顯示、按鍵等各個模塊的初始化，完成之后，單片機進如低功耗模式。當有中斷信號時，MCU進入正常工作模式，將采集來的信號進行相關運算，并判斷計算濃度值是否超出報警值，若超出設定值進行聲光報警，最后通過計算得出結果送給液晶顯示。

六、實驗結果

本設計采用查詢表的方式在LCD上顯示CO濃度。采用主成分回歸分析法建立數學模型對CO濃度進行預測分析，建立查詢表，在實際測量中通過測量電壓值，單片機就會自動根據查詢表找到對應的濃度值[6]。從安全性考慮，系統只配置了0～10%的10種氣體濃度，測得的CO氣體濃度平均相對誤差為2.735%。實驗結果表明該系統有較好的檢測靈敏度，性能良好適用性強。系統在室溫（T=24±2℃）條件下其測試結果如表1所示。

表1 CO濃度測量結果

七、結束語

針對傳統一氧化碳氣體檢測技術靈敏度差、響應時間慢的問題，設計了一種新型的CO檢測系統。參比氣室的加入消除了由外界環境帶來對的干擾。同時系統選用靈敏度高響應速度快的雪崩二極管做光電探測器，通過高精度濾波放大電路對攜帶CO濃度信息的電信號進行信號調理和高速32位ARM單片機作為中央處理器，大大的提高了系統性能，具有檢測速度快，測量精度高，便攜性強等優點。比較適用于環境監測、防災減災等領域。

采用GM82009可調諧激光光源模塊作為光源，使用UC-INSTRUMENTS提供的應用軟件對激光器的輸出參數控制可以輸出多種不同波長的光。改變檢測波長該系統也可方便的應用于CO2、CH4、H2S等其它氣體的測量，具有很好的適用性。