基於STM32L151的可攜式氣體檢測儀設計

作者 / 何源 黃夢濤 王偉峰

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201712/373595.htm

　　西安科技大學 電氣與控制工程學院(陝西 西安 710054)

　　何源(1990-)，男，嵌入式系統設計師，研究方向：智能傳感器、工業控制系統、物聯網。

摘要：針對環境有毒有害氣體檢測，本文設計了一種可同時檢測多種氣體的可攜式氣體檢測儀。該設計通過使用TI公司的新型電化學模擬前端晶片LMP91000和高精度ADC晶片ADS1115改善硬體統一性和硬體測量精度;微控制器STM32L151軟體設計中通過數字濾波和溫度補償提高氣體檢測的溫度穩定性和精度。

引言

　　環境中常見的有毒有害氣體如：氨氣(NH₃)、二氧化硫(SO₂)、一氧化碳(C0)、硫化氫(H₂S)、氮氧化物(NO_X)等。對於上述有毒有害氣體都有對應的電化學傳感器;電化學傳感器的主要優勢是：線性輸出、低功耗、良好的解析度、良好的重複性和準確性，所以電化學傳感器在氣體檢測領域得到了廣泛的應用^[1-4]。

　　現如今市場中大部分多合一氣體檢測儀是以分立元件組建的電化學傳感器前端調理電路而且以微控制器自身10位或者12位的ADC轉換器作數據採集，很多產品沒有考慮溫度對電化學傳感器的影響;因此其在溫度穩定性和精度上不盡人意。對此，本文通過改善硬體電路設計和找尋有效的溫度修正方法，從而提高氣體檢測的溫度穩定性和精度。

1 電化學傳感器工作原理

　　目前大部分電化學傳感器都是三電極結構，其工作原理是氣體通過選擇型敏感膜擴散到傳感器內，並與傳感器內化學溶液產生氧化反應或者還原反應，並在在工作電極上產生電流信號，其反應類型決定工作電極上的電流方向^[3,7]。

　　簡化三電極電化學傳感器調理電路如圖1所示。工作電流在對電極與工作極之間流動，通過A2運放器將電流信號轉化為電壓信號。分立電路中調整RF的值，使A2輸出的值滿足後端轉換電路的要求^[5]。可以看出分立調理電路較為複雜，由於分立元件個體差異調整難度較大，同時引入誤差也隨之增大。

　　採用LMP91000晶片可極大簡化調理電路的設計，提高調理電路的可靠性。晶片內部結構圖如圖2所示。晶片內部具有可編程的增益控制和基準電壓控制，能夠適應多種電化學傳感器，晶片通過I²C 總線與微控制器通信。I²C總線可掛接多個晶片從而實現多氣體檢測傳感器陣列的設計。其內部寄存器在官方數據手冊中已有詳細的說明，在此就不再贅述。

　　根據運算放大器虛短虛斷的特性可得到以下表達式：

(1)

　　式中，V_{ref_div}為基準電壓，V_out為LMP91000輸出電壓，I_we為電化學傳感器工作電流。±是由電化學傳感器性質所決定的。

　　測量氣體濃度與電化學傳感器工作電流的關係表達式：

(2)

　　表達式中C為被測氣體濃度，SI為電化學傳感器靈敏度。

　　以上表達式中R_TIA、V_{ref_div}、S_I都為已知量，測量V_out就能推算出被測氣體濃度C。

2 硬體系統設計

　　硬體系統框圖如圖3所示，硬體系統主要由微控制器、溫溼度傳感器、ADC轉換器、電化學傳感器調理電路、顯示和按鍵控制組成。使用REF3020高精度電壓基準晶片提供基準電壓，電化學傳感器調理電路使用LMP91000，ADC轉換器使用ADS1115，這三個要素是保證硬體電路高精度測量的基礎。

3 軟體系統設計

　　軟體主要部分流程圖如圖4所示，其餘顯示和控制部分程序不是本文重點，在此不予闡述。其中最為重要的是數字濾波與溫度曲線修正兩個步驟。

　　3.1 數字濾波

　　對於數字濾波本文主要使用中值加均值的綜合濾波方法，即先為採集的n個電化學輸出值集合Sn排序得到新的集合Tn，根據實際情況去掉集合Tn頭尾m個數，然後再求集合中剩下數的平均值，即;此方法既能抑制隨機幹擾，又能濾除明顯的脈衝幹擾。

　　3.2 溫度曲線修正

　　電化學傳感器的工作溫度一般在-20℃~50℃，在其極限工作溫度下傳感器壽命非常短。在溫度為20℃時，電化學傳感器被看作沒有溫漂，即20℃為電化學傳感器的中心溫度;因此本文計算溫度擬合曲線就以20℃時的數值為基準點。以一氧化碳傳感器4CO-2000為例，在-5℃~50℃溫度區間，以5℃遞增;分別使用一氧化碳含量為250ppm、706ppm、1001ppm、1701ppm標氣做高低溫實驗，實驗溫度曲線如圖5(a)所示，實驗溫漂曲線如圖5(b)所示，實驗溫漂比曲線如圖5(c)所示，實驗平均溫漂比曲線如圖5(d)所示。

　　溫漂值是以20℃時的測量值為基準值，分別與其他溫度下測量值作差得到的集合。溫漂比值是以20℃時的測量值為基準值，分別與溫漂值集合中的值作比得到的集合。平均溫漂比值是4種標氣實驗中得到的溫漂比值，在同一個溫度點做算術平均得到的集合。

　　從溫漂比曲線圖(圖5(c))中不難看出，傳感器在各個標氣溫度實驗中變化趨勢基本是一致的，再用平均溫漂比曲線(圖5(d))作最小二乘法多項式曲線擬合，就可得到比較適合的溫度修正擬合曲線。

　　溫度修正擬合曲線(K_(T))一般是兩次或者三次多項式的計算，它的參數即為實時的溫度值，計算得到是當前溫度下的偏差比值;因此完整的公式為：

(3)

　　表達式中V_(T)為修正後的氣體濃度值;V為未修正的氣體濃度值;K_(T)為溫度修正擬合曲線。

4 性能測試

　　將高低溫實驗後擬合的溫度曲線加入嵌入式軟體程序中，將氣體檢測儀在純氮氣中進行校零。再次在-5℃~50℃的溫度區間進行性能測試，同樣以CO傳感器為例測試結果如表1所示。

　　由表1中的數據可以看出，CO傳感器溫度在-5℃~50℃區間內，對4種標氣的測量誤差都保持在了±4ppm範圍內，有效的證明了本文中提取溫度修正擬合曲線的方法是可行、有效的。此方法在氣體檢測儀其他傳感器如：O₂傳感器、H₂S傳感器、SO₂傳感器、NH₃傳感器中得到同樣驗證。

5 結論

　　本文討論了基於STM32L151的可攜式氣體檢測儀的設計和實現，對其硬體電路結構及關鍵的數字濾波與溫度修正方法進行了詳細的介紹。通過大量高低溫實驗證明：本文提出以「平均溫漂比」作參考樣本計算溫度修正擬合曲線，要比溫度分段式溫度修正方法[6~7]更為有效。為氣體檢測領域硬體結構設計和修正方法提供了新的參考。但是由於電化學傳感器自身的保質期一般在1~5年不等，期間其特性會發生細微變化，可通過定期校準能減小此變化對測量的影響。

　　參考文獻：

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　　本文來源於《電子產品世界》2018年第1期第49頁，歡迎您寫論文時引用，並註明出處。