基于STM32的氨氣檢測系統的設計

成俊娜 楊凌 郝欣 趙韋靜 王曉辰

摘 ?要：為了滿足工業上對氨氣精準檢測的需求，設計了一種基于STM32的氨氣檢測系統，利用基于可調諧二極管激光光譜吸收技術（TDLAS）的氣體檢測傳感器，配合高穩定性抽氣泵和高精度流量計，以STM32C8T6為主控芯片，設計了供電電路、傳感器控制電路、電磁閥控制電路、抽氣泵控制電路等。通過對已知濃度氨氣測量，得到相應的測量數據，誤差范圍合理，能夠采集到完整的數據曲線，實驗結果證明硬件選型合適，軟件程序運行正常。

關鍵詞：氨氣 ?STM32 ?TDLAS ?氣體檢測

中圖分類號：TP319 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）03（a）-0060-04

An ammonia gas detection system based on STM32

CHENG Junna* ?YANG Ling ?HAO Xin ?ZHAO Weijing ?WANG Xiaochen

（The 718th Research Institute of CSIC， Handan， Hebei Province， 056000 ?China）

Abstract：In order to meet the requirements of industry of ammonia accurate detection， designs an ammonia detection system based on STM32， based on tunable diode laser absorption spectrum technology （TDLAS） gas detection sensors， pump with high stability and high precision meter， STM32C8T6 as main control chip， designed the power supply circuit， sensors， control circuit， electromagnetic valve control and pump control circuit， etc. Through the known concentration of ammonia gas measurement， get the corresponding measurement data， the error range is reasonable， can collect a complete data curve， the experimental results prove that the hardware selection is appropriate， the software program runs normally.

Key words： Ammonia; STM32; TDLAS; Gas detection

氨氣是一種常見的有害氣體，是環境污染的主要貢獻者之一。近年來隨著國家對環境保護工作的重視，出臺了各類環保政策，其中對氮氧化物（NOx）的治理要求尤為嚴格。工業企業常選用選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction， SCR）技術對廢氣進行脫硝處理。通過對企業的實地考察發現，廠區內的總是彌漫著氨氣的味道，探查發現在實際的治理過程中為了確保尾氣中的NOx完全被還原，往往會添加過量的尿素溶液，使得尾氣中帶有未反應的氨氣，易造成氨氣泄漏。因此，為了保護工人的健康，減少環境污染，對微量氨氣的檢測尤為重要。

1 ?系統總體設計

目前，針對氨氣的檢測方法有很多種，朱寶余等研究者[1]對氨氣檢測儀的現狀進行了分析總結，按照檢測機理分類，可分為化學檢測法、化學傳感器檢測法[2]、氣相色譜檢測法以及光譜檢測法。工業上常用的氨氣檢測器有火焰離子化檢測器（FID）和光離子化檢測器（PID），都具有一定的局限性。調查研究發現，可調諧二極管激光吸收光譜技術（TDLAS）[3-4]具有高選擇性，是目前較為熱門的氨氣檢測技術。比如：華中農業大學的譚鶴群等研究者[5]提出了一種基于可調諧吸收光譜的畜禽舍氨氣濃度檢測方法;中國科學院大學的鹿洪飛[6]研制了一種近紅外VCSEL型TDLAS氨氣檢測系統，并驗證了系統的性能;天津科技大學的李叢蓉[7]設計了一種基于TDLAS的柴油機SCR氨污染檢測系統;天津大學的王喆[8]通過建模與實驗分析了基于TDLAS氨氣檢測原理的性能。該文選用基于TDLAS的氣體檢測模塊，設計了一種氨氣檢測系統，該系統具有選擇性強、靈敏度高、反應迅速等特點。

氨氣檢測系統采用模塊化設計思維進行整體設計，包括由STM32微處理器構成的最小系統、電源、測量、控制、通信等模塊。氨氣檢測系統的工作流程為：通信模塊將傳感器采集的數據實時顯示在液晶顯示屏上，實現人機交互。

2 ?系統搭建

2.1 硬件電路設計

氨氣檢測系統設計之初，傳感器的通信協議為UART，存儲芯片為W25Q64，數據傳輸協議為SPI協議，流量傳感器的通信協議為IIC，故氨氣檢測系統硬件的微處理器選用的STM32C8T6芯片，能夠滿足通信需求。硬件系統框圖如圖1所示。

按照功能進行電路板的模塊化設計，主要分為以下幾個方面。

2.1.1 傳感器模塊

選用TDLAS原理測量空氣中氨氣的濃度并將采集到的傳感器參數進行信號處理并傳輸至主控制器，傳感器是Axeteris公司的LGD F200 A型，該傳感器的測量范圍為0～100 ppm。通過串口RS232協議進行數據傳輸，MAX232芯片是美信（MAXIM）公司專為RS-232標準串口設計的單電源電平轉換芯片，使用+5 v單電源供電。器件特別適合電池供電系統，這是由于其低功耗關斷模式可以將功耗減小到5 μW以內。故采用max3232芯片進行數據的轉換，滿足數據的傳輸要求，搭建控制電路如圖2所示。

2.1.2 泵控模塊

儀器工作模式為泵抽式，選用采用進口THOMAS的抽氣泵，提供穩定的氣源，滿足傳感器需求，達到最優的測試效果。通過IO接口輸出高低電平控制泵的啟停，控制電路見圖3。

2.1.3 穩壓模塊

選用車用模塊，為系統提供12 V的穩定電源，增強系統運行的穩定性。為了增強電壓的穩定性，進行分步驟降壓，首先將輸入電壓到5 V，然后5 V到3.3 V。

2.2 軟件系統

氨氣檢測系統軟件系統分為顯示屏控制模塊和硬件電路控制模塊。硬件控制程序基于Keil C語言軟件開發系統進行開發控制，首先對傳感器進行初始化，清空串口緩存數據，開啟傳感器，默認為采樣模式，可選擇標定模式，進入控制界面，設備進入工作狀態。

選用廣州大彩串口屏實現系統人機交互功能，通過顯示屏控制并實時顯示和記錄數據。控制程序基于Visual TFT軟件開發環境設計，將控制程序遷移嵌套進入主控程序，實現監測數據的實時顯示、數據記錄、工作模式選擇、數據標定等功能。

開機后進入初始化程序，待初始化完成后進入檢測界面，可顯示實時濃度、當前的流速、工作狀態、故障、報警、設置。當傳感器出現故障，經過軟件程序的判斷會打開故障燈，如果濃度超過當前設定的報警值，則報警燈紅燈提示。

點擊采樣和標定按鈕，將在采樣模式和標定模式中切換。采樣模式下泵開啟進行采樣。標定模式下停泵，通過鋼瓶壓力控制流速進行標定。

2.3 氣路設計

為了減小氨氣的吸附，管路的材料選擇低吸附的聚四氟乙烯，接頭采用進口世偉洛克卡套接頭，保證氣路密封性，整個氣路流向如圖4所示。

3 ?儀器測試結果

3.1 零點漂移

氨氣檢測系統是連續監控0～100 ppm以內的氨氣變化的系統。按照設計方案搭建好試驗樣機之后，多次通入零點氣進行測試，經觀察發現零點氣的顯示范圍為-0.6～0.3 ppm之間，通過軟件設置可將小于0 ppm的點截去，設置完成后每隔30 min進行一次記錄，記錄數據如表1所示，經計算零點漂移為0.187%。

3.2 線性誤差

氨氣檢測系統是連續監控0～100 ppm以內的氨氣變化的系統。按照設計方案搭建 ?好試驗樣機之后，依次通入10 ppm、50 ppm、80 ppm的標準氨氣，穩定后分別記錄儀器的示值，以上步驟至少重復3次，經計算各測量值的線性誤差分別為-1.81%、1.88%、5.41%。

試驗結果顯示，當通入濃度為80 ppm的標準氣體時，線性誤差超過;了5%。啟動標校模式，校準后再次測量，試驗數據如表2所示，經計算各測量值的線性誤差分別為-2.05%、0.33%、2.85%，線性誤差控制在±3%以內。

3.3 響應時間

根據記錄的曲線分析：10 ppm的標準氣體，儀器響應只能到達8.18 ppm，T90響應時間在32 s。可以通過屏幕將8 ppm點修正為10 ppm，零點不修正，則信號整體擴大1.25倍，儀器響應的最大值變為10.26 ppm，T90響應時間仍為32 s。50 ppm的標準氣體，T90響應時間在25 s;80 ppm的標準氣體，T90響應時間在13 s。NH3濃度越大，T90響應時間越短，最大值的穩定時間也越短。

4 ?結語

這種基于STM32的氨氣檢測系統，響應時間最大為32 s，線性誤差在±3%以內，可以實現對微量氨氣進行快速精確的檢測。通過對已知濃度氨氣測量，計算誤差范圍合理，能夠采集到完整的數據曲線，測試結果顯示硬件選型合理，軟件程序設計正常。在江蘇某化工廠實際運行結果顯示，該設備在工業現場能夠穩定地運行，具有較高的靈敏度。

參考文獻

[1] 朱寶余，孫成勛，王蘭，等.氨氣檢測儀研究現狀[J].化工進展，2017（36）：27-33.

[2] Liang Xishuang， Lu Geyu， Zhong Tiegang.et al.New type of ammonia/toluene sensor combining NASICON with a couple of oxide electrodes[J].Sensors and Actuators B，2010（150）：355-359.

[3] 倪子顏.基于TDLAS技術同時檢測氨氣與氫氣濃度的研究[D].東北石油大學，2020.

[4] 何啟欣.基于紅外激光吸收光譜技術的氣體檢測技術研究[D].吉林大學，2018.

[5] 譚鶴群，李鑫安，艾正茂.基于可調諧吸收光譜的畜禽舍氨氣濃度檢測[J].農業工程學報，2020，36（13）：186-194.

[6] 鹿洪飛.近紅外VCSEL型TDLAS氨氣檢測系統的研制[D].中國科學院大學，2020.

[7] 李叢蓉.基于TDLAS的柴油機SCR氨污染檢測系統研究[D].天津科技大學，2017.

[8] 王喆.基于可調諧二極管激光吸收光譜的氨氣濃度檢測系統研究[D].天津大學，2015.