基于STM32的工業有毒有害氣體檢測系統

劉 波，趙曉慶

（山東工商學院 信息與電子工程學院，山東 煙臺 264003）

0 引 言

伴隨著科學技術的迅速發展，人類各方面的發展水平都有了顯著提升。但與人類發展相對應的，是自然環境的污染越來越嚴重，最為顯著的是大氣質量急劇惡化。環境問題已經不單單是一個國家的責任，而是上升為全人類的責任。當前，對大氣環境和人類身體健康產生嚴重危害的就是工業排放的有毒有害氣體，比如硫化氫、氨氣、總揮發性有機物等。20世紀以來，工業大發展，尤其是重工業的發展，化石燃料的燃燒排放大量有毒有害的氣體，對人類和全球環境的危害極其嚴重。人類已經意識到問題的嚴重性，植樹造林、退耕還林、減少排放等政策正在施行，同時加強監測、凈化空氣也勢在必行[1]。

本文設計了一種集H2S（硫化氫）、NH3（氨氣）、TVOC（總揮發性有機物）于一體的工業有毒有害氣體檢測系統，它不僅具有實時檢測、顯示、報警等基礎功能，還具備遠程數據傳輸功能，使得外部人員能夠實時了解工業環境信息。如遇到氣體泄漏等緊急情況，能夠盡快采取相應的處理措施，將大大減少人員傷亡和環境污染[2]。

1 總體設計方案

本系統能夠在混合氣體中同時檢測3類氣體的濃度（H2S、NH3和TVOC）。首先，氣室收集混合氣體，氣室內設有H2S、NH3和TVOC三類氣體傳感器，除此之外，氣室內還設置了溫濕度傳感器，以檢測當前環境的溫度和濕度?；旌蠚怏w與相應氣體傳感器進行充分接觸后，檢測的氣體濃度信號經傳感器內部的化學反應后，產生與氣體濃度呈線性關系的微弱電流信號[3]，經調理電路處理得出相應的電壓值，送入STM32F103VET6的ADC進行數據處理，然后通過OLED顯示。同時，還可以通過藍牙將檢測結果傳送到手機APP進行分析處理。

系統將STM32F103VET6微處理器與傳感器和無線傳輸模塊結合，設計了一種有毒有害氣體檢測裝置，主要具有以下功能：

（1）能夠精準檢測H2S、NH3和TVOC等常見的工業有毒有害氣體的濃度；

（2）能夠將濃度信息顯示在OLED顯示屏上；

（3）具有聲音報警功能；

（4）具有氣體濃度信息無線藍牙傳輸功能。

本系統的結構框架如圖1所示。

圖1 系統結構

2 硬件結構設計

2.1 微處理器

系統采用的處理器為STM32F103VET6，該芯片為32位ARM微控制器，以Cortex-M3為核心，頻率高達72 MHz，可滿足系統的實時性需求[4]。該芯片有3個12位ADC，3個SPI接口，2個I2C接口，5個串口，以及48 KB的SRAM和256 KB的FLASH，便于無線通信[5]。STM32F103VET6最小系統電路如圖2所示。

圖2 STM32F103VET6最小系統電路

2.2 傳感器

本設計采用電化學傳感器對H2S和NH3進行檢測，用PID（光離子化檢測器）對TVOC進行檢測。電化學傳感器具有良好的重復性、準確性和分辨率，精度高、功耗低，相比其他氣體檢測方式更經濟；PID傳感器具有精度高、響應速度快、壽命長、對檢測氣體無破壞等優點[6-7]。此外，系統還配備了溫濕度傳感器，以便隨時監測環境的溫度和濕度。PID傳感器電路如圖3所示，溫濕度傳感器電路如圖4所示。

圖3 PID傳感器電路

圖4 溫濕度傳感器電路

2.3 電源模塊

本裝置采用外接電源和電池雙供電，電源輸入電壓為24 V，電源輸入電路如圖5所示，傳感器電源電路如圖6所示。

圖5 24 V電源輸入電路

圖6 傳感器電源電路

2.4 通信模塊

通信模塊電路WH-BLE103通過超低功耗藍牙4.2模塊完成與上位機的通信，利用藍牙通信將數據傳送至上位機實現數據的存儲和分析。WH-BLE103模塊電路如圖7所示。

圖7 藍牙模塊電路

2.5 顯示模塊

設備通過OLED顯示，具有良好的人機交互界面。隨著顯示技術的發展，人們對信息顯示方式的要求也不再局限于數字，還包括字符、漢字和圖片等。OLED顯示屏因功耗低、顯示內容豐富而得到廣泛使用。本設計選擇一款128×64的點陣OLED，其電路如圖8所示。

圖8 OLED顯示電路

3 軟件設計

3.1 主程序

主程序主要包括系統初始化、傳感器采集、信號處理、無線收發、液晶顯示、超標報警等子程序。系統采集氣體并檢測H2S、NH3、TVOC的濃度，通過對比分析后，由OLED屏顯示檢測值，并通過藍牙傳輸，將數據信息發送至手機APP，方便人們隨時監測數據。系統主程序流程如圖9所示。

圖9 系統主程序流程

3.2 通信模塊軟件設計

系統采用藍牙連接上位機與設備，上位機與設備之間的通信協議命名為JMQ102，能夠傳輸的命令類型為：模式設置、發送實時數據、讀取校準參數、參數寫入設備、重置相應傳感器參數、讀取設備信息、修改設備信息、主動發送環境參數、主動發送設備時間以及時間同步。JMQ102校準通信協議如圖10所示。

圖10 JMQ102校準通信協議

4 實驗與分析

4.1 硬件調試

本系統的硬件電路和PCB原理圖使用Altium Designer軟件繪制[8]。為方便調試，將3個傳感器安裝在電路板上，焊接元器件后，用萬用表測試，在確保硬件電路正常的情況下，燒錄程序并調試[9]。氣體檢測部分的實物如圖11所示。

圖11 測試實物

4.2 手機APP

測試人員可在手機APP上設置相應參數并獲取各氣體的濃度信息，隨時了解工業環境氣體濃度并及時做出響應。手機APP信息界面如圖12所示。

圖12 APP信息界面

4.3 儀器測試

選擇的測試環境溫度為20 ℃，濕度為50%RH。將不同濃度的待測氣體通過氣室送給傳感器，待檢測系統檢測到的濃度數值穩定后，記錄數據。測試數據表明，進行檢測的各待測氣體濃度數值均處于合理的誤差范圍內。測試結果見表1所列。

表1 測試誤差數據表

5 結 語

本文設計的工業有毒有害氣體檢測裝置可以實現多種氣體的檢測與精準監測，與傳統的氣體檢測裝置相比，該裝置集H2S、NH3、TVOC傳感器于一體，測量精度高，操控方便，還可無線傳輸數據，大大提高了系統的工作效率。在工業園區開放環境中，系統內部的藍牙模塊可第一時間將實時信息傳輸到監測人員終端，一旦有氣體泄漏，可以立即采取相應措施，減少人員傷亡與環境污染[10]。