郎寶華劉哲孫魯艷

（1.西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院西安710021）（2.西北工業(yè)集團有限公司西安710043）

多通道新型氣體檢測儀

郎寶華1劉哲1孫魯艷2

（1.西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院西安710021）（2.西北工業(yè)集團有限公司西安710043）

為了測量在工業(yè)現(xiàn)場或者在一些氣體已經(jīng)發(fā)生泄漏場所的氣體濃度，降低其危險程度，設(shè)計一種基于ARM的多功能氣體檢測儀，以STM32F103為主要控制核心，軟件采用模塊化的思想進行程序編寫。檢測儀在檢測現(xiàn)場環(huán)境的氣體種類以及其濃度的同時，通過LCD屏幕將數(shù)據(jù)進行實時的顯示，使用者可以直觀地看到測量數(shù)據(jù)。儀器中保存的數(shù)據(jù)可以通過USB模塊傳入利用LabVIEW軟件編寫的上位機系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)進行更近一步的處理。

多通道；氣體檢測儀；ARM；LabVIEW

Class NumberTP29

1 引言

在現(xiàn)今這個物質(zhì)逐漸豐富的時代，物質(zhì)的豐富同時也代表著制作工藝的復(fù)雜多樣化。因為現(xiàn)今工業(yè)技術(shù)的約束，制作環(huán)節(jié)之中會時常的伴有無用的副產(chǎn)品，比如氣體、廢渣等。工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境監(jiān)測變得缺失不可，這樣既可以保障工作人員的身體健康又可以確證工業(yè)現(xiàn)場的安全?，F(xiàn)今人們對于健康的問題日漸關(guān)注，越來越多的人們已經(jīng)認識到環(huán)境，尤其是氣體對于身體健康的損害，所以加強對于氣體的檢測和改善勢在必行。文獻［1］中介紹了現(xiàn)在的氣體檢測儀的發(fā)展趨勢，包括小型化、智能化、多功能化、通用化以及網(wǎng)絡(luò)化。從現(xiàn)今市場分析來看，氣體檢測儀的發(fā)展越來越符合這樣的趨勢。文獻［2］中介紹了德國的兩款多種氣體檢測儀即MiniWarm和X-am 700，這兩種儀器都符合體積小、質(zhì)量輕、操作簡單等特點。但是在測量氣體種類方面局限于四到五種，并且工作環(huán)境溫度只是適用于室溫場合，不適應(yīng)于具有較高溫度的工業(yè)現(xiàn)場。此次設(shè)計的檢測儀在通道上面可檢測八種氣體，并且自帶有溫度檢測傳感器，在檢測時可通過導(dǎo)管將測量氣體流經(jīng)傳感器。

2 系統(tǒng)概要設(shè)計

氣體檢測的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，儀器通過傳感器模塊將氣體濃度數(shù)據(jù)采集到以后，通過AD7173處理電路將數(shù)據(jù)進行校正及模數(shù)轉(zhuǎn)換，并且通過SPI通信將處理后的信號傳入到STM32主控制芯片之中。同時，在氣體溫度傳感器之中的數(shù)據(jù)也會隨之傳入到芯片之中，在ARM芯片之中可將數(shù)據(jù)保存至EEPROM之中，并且通過LCD屏幕顯示出來。利用LabVIEW軟件為儀器編寫了相應(yīng)的上位機程序，完成對測量數(shù)據(jù)的進一步處理，使數(shù)據(jù)變得更加直觀，可視化。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 核心控制器

核心控制器采用ST公司的STM32F103系列芯片，在接口連接方面可利用芯片自帶有2個SPI接口分別對氣體濃度和溫度傳感器進行數(shù)據(jù)監(jiān)測，還可以利用。PA11，PA12可實現(xiàn)USB的傳輸，進行檢測儀與LabVIEW上位機的通信。

3.2 氣體信號采集處理電路

在儀器功能設(shè)置中需要測量的包括氣體濃度和溫度。這就表示了采集信號的電路包括了氣體濃度和現(xiàn)場溫度采集兩種電路。在采集到環(huán)境的溫度后，可憑借此參數(shù)［3］正確地計算出氣體的真實濃度參數(shù)。另外傳感器的工作條件有環(huán)境溫度的限制，這樣的條件約束了儀器使用的環(huán)境。所以，為了保護儀器中的傳感器不會受到損害，溫度的測量就顯得不可缺失。

3.2.1 氣體濃度采集電路

在此測量儀的氣體傳感器［4］選擇方面，其一為電化學(xué)傳感器，測量的氣體包括了SO2、H2S、CO2、NO2、O2、NO，此類傳感器的處理電路具有一定的相似性。其二為紅外線氣體傳感器，CH4和CO2主要采用了這種傳感器進行信號采集。紅外線傳感器的輸出電壓信號量程為0.4V～2V，傳感器的輸出信號可分別直接連接到AD7173的Vi_CH4和Vi_CO2引腳處。

電化學(xué)傳感器處理電路中［5］，場效應(yīng)管短接了參考電極和感應(yīng)電極，保證儀器在斷路時處于準備工作狀態(tài)，運算放大器與傳感器的感應(yīng)電極和對電極形成電化學(xué)通路，另一個運算放大器將感應(yīng)電極輸出的微弱電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，在通過電容將信號進行濾波并調(diào)整到AD電路的適應(yīng)電壓范圍，如圖2所示。

圖2 氣體電化學(xué)傳感器測量電路

紅外線傳感器采用的是來自英國Dynament公司的產(chǎn)品，型號為MSH-P-HR。這類傳感器在測量氣體時具有高達0.1%的分辨率，可以滿足很多工業(yè)測量需求。而且，該類傳感器可根據(jù)用戶的需求進行配置。傳感器輸出信號經(jīng)過溫度補償，具有卓越的線性輸出性能和穩(wěn)定性。所以傳感器輸出在0.4V～2V的輸出范圍之內(nèi)時，參數(shù)呈現(xiàn)出了明顯的線性化原則。并且因為其輸出參數(shù)足夠大，并不需要經(jīng)過放大電路進行處理，所以傳感器輸出OUT可直接連接到AD7173的IN5引腳。

3.2.2 熱電偶測溫接口電路

熱電偶電路處理芯片選用的是AD7793［6］。此類芯片測量精度較高，并且還有低功耗、低噪聲等優(yōu)勢，其內(nèi)置的基準電壓源和激勵電流，可簡化熱電偶系統(tǒng)的電路設(shè)計。熱電偶的輸出電壓信號多為毫伏級，需要通過AD7793的內(nèi)置儀表放大器將信號放大。芯片的輸入通道具有緩沖作用，可將大去耦電容置于前端，以便消除可能出現(xiàn)在熱電偶引腳上面的噪聲影響。電路中的熱敏電阻具有冷端補償作用，芯片內(nèi)的激勵電流較為穩(wěn)定可作為熱敏電阻的激勵源。此外，冷端測量的基準電壓來自于該熱敏電阻串聯(lián)的精密電阻。由此可實現(xiàn)比率式測量，在此情況下，激勵電流的波動不會對測量產(chǎn)生影響。在測得溫度后，可以通過一定的方法對測量的氣體參數(shù)進行溫度補償［7］，得到比較精確的氣體濃度參數(shù)。

3.3 信號處理AD模塊

AD轉(zhuǎn)換電路的芯片選擇的是Analog Devices公司的AD7173，該芯片具有快速建立、高分辨率、多用復(fù)用等功能。其多通道的通信方式使硬件的選擇變得簡單，此次主要是使用SPI通信與主控制芯片進行通信。在芯片的IN端口，連接有八種氣體的采集處理電路信號，經(jīng)過內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換后，將信號傳入控制芯片進行處理。

3.4 LCD顯示電路

系統(tǒng)選用3.2寸的TFT屏幕模塊，ILI9341為其驅(qū)動芯片，它可以顯示字母、數(shù)字符號和圖片等，在顯示氣體參數(shù)時，可以分離不同的區(qū)域顯示不同的氣體濃度參數(shù)。

3.5 數(shù)據(jù)存儲模塊

系統(tǒng)選用了AT24C02，這是一個2K位串行CMOS E2PROM，內(nèi)部含有256個8位字節(jié)，CATALYST公司的先進CMOS技術(shù)實質(zhì)上減少了器件的功耗。AT24C02有一個8字節(jié)頁寫緩沖器。該器件通過IIC總線接口進行操作，并有一個專門的寫保護功能。WP為寫保護引腳，當該引腳接地或懸空時，芯片能夠進行讀/寫操作。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件采用了模塊化的思想進行編寫。通過主程序調(diào)用各個模塊去完成相應(yīng)的功能，通信方式包括有SPI通信［8］和I2C通信。開始時，儀器首先完成自檢及初始化，其后開始進行儀器的數(shù)據(jù)測量并加之顯示、存儲。PC上位機是采用LabVIEW軟件編寫完成的，并完成相應(yīng)設(shè)置的功能，具體程序框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件程序框圖

在儀器運行初始傳時感器檢測到的數(shù)據(jù)為設(shè)為原始數(shù)據(jù)。根據(jù)氣體化學(xué)性質(zhì)的部分類似性，所以檢測的氣體對于不同的傳感器會產(chǎn)生交叉干擾，為了獲得精確的測量數(shù)據(jù)就需要利用交叉干擾算

法解得實際的氣體濃度參數(shù)，具體方法如下：氣體交叉干擾系數(shù)矩陣為A，

其中aij，bij，cij，dij，eij，fij，gij，hij() 1≤i≤8，1≤j≤8為8種氣體對8種傳感器的干擾系數(shù)。X=[x1，x2,x3, x4,x5,x6,x7,x8]T為真實氣體濃度對應(yīng)的數(shù)據(jù)；Y=[y1,y2,y3,y4,y5,y6,y7,y8]T為傳感器輸出信號矩陣。

由AX=Y，可以得出

由于Y和A可根據(jù)實驗結(jié)果計算出，故可通過jacobi（雅克比）迭代法解線性方程組求出X。

雖然檢測儀自帶存儲，但是在數(shù)據(jù)的顯示和處理方面還是不夠便捷直觀，所以需采用上位機將數(shù)據(jù)進行深層次的處理和保存。上位機系統(tǒng)采用LabVIEW軟件進行編寫，軟件圖型化的控件使程序的編寫變得尤為簡單。前面板可以通過放置按鍵、顯示控件、輸入控件等，完成上位機界面的功能設(shè)定。

將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C過程伊始，需利用USB接口［9］將儀器和電腦進行連接，然后打開儀器和上位機界面。在確認連接成功后，可以通過按鈕控制數(shù)據(jù)的傳輸，并且可將這些傳輸?shù)臄?shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫中［10］。在數(shù)據(jù)庫中的參數(shù)可以通過LabVIEW中的界面進行數(shù)據(jù)的查詢、刪除以及繪制相應(yīng)的曲線。上位機的數(shù)據(jù)顯示界面如圖4所示，當儀器與上位機通信正常，可以進行數(shù)據(jù)的傳輸后，可通過選擇界面添加記錄按鍵，開始傳輸數(shù)據(jù)，當數(shù)據(jù)傳輸成功后記錄添加成功指示燈閃爍一次。

5 結(jié)語

針對氣體測量市場的發(fā)展趨勢和現(xiàn)今氣體測量儀的局限性，通過研究所需測量氣體的化學(xué)性質(zhì)，并設(shè)計了基于STM32的多通道氣體檢測儀。此氣體檢測儀在檢測氣體濃度、溫度時將數(shù)據(jù)進行保存，并在LCD屏幕上面顯示實時檢測數(shù)據(jù)，且該儀器配備相應(yīng)的上位機系統(tǒng)，可進一步地將數(shù)據(jù)進行處理，包括刪除、查詢、保存、打印和顯示曲線等功能，利用此上位機可以全面地反應(yīng)被測氣體在特定環(huán)境中所顯示的變化趨勢。檢測儀采取了熱電偶進行實際場所的溫度測量，并且通過管道將需測量的氣體通入儀器傳感器中，可實現(xiàn)遠距離的測量，不必去擔心因為溫度而影響了儀器的使用范圍，此熱電偶的選擇使檢測儀的使用范圍得到了擴充。實驗測得的氣體參數(shù)包括溫度、濃度等通過液晶顯示屏顯示，如圖5所示。LCD屏幕中顯示的依次為八種氣體的濃度參數(shù)。此類參數(shù)實測地點為日常生活的場所，數(shù)據(jù)近似等于實際參數(shù)。當某種氣體的濃度超過極限值時，在屏幕中可突出顯示出來，并作出相應(yīng)的提醒。

圖5 儀器LCD顯示

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New Multi-Channel Gas Detector

LANG Baohua1LIU Zhe1SUN Luyan2
（1.School of Electronic Information Engineering，Xi'an Technological University，Xi'an710021）（2.The Northwest Industrial Group Co.，Ltd，Xi'an710043）

In order to measure the gas concentration in the industrial field，or some of the gas leak has occurred in places，reduce its level of risk，a kind of multifunctional gas detector is designed based on ARM.The instrument STM32F103 is treated as the main control center，the software uses modular programming thoughts.When gas detection instruments in the type of site environment and its concentration are detecting，through the LCD screen will display the data in real time，the user can visually see the measurement data.Data stored in the instrument can be passed using LabVIEW software prepared by the host computer system via a USB module，the data processing steps closer.

multi-channel，gas detector，ARM，LabVIEW

TP29

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.06.044

2016年12月10日，

2017年1月28日

郎寶華，男，博士，副教授，研究方向：高精度交流電機控制、嵌入式系統(tǒng)等。劉哲，男，碩士研究生，研究方向：控制理論與控制工程、嵌入式系統(tǒng)。孫魯艷，女，助理工程師，研究方向：系統(tǒng)工程和企業(yè)管理。