張冬　王桂海

摘要：設計一種基于STM32的便攜式紅外氣體分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STM32F103VET6微處理器為核心，通過數據采集電路，進行數據采集；A/D轉換模塊進行A/D轉換，數據處理；數據導出模塊進行數據存儲和上傳；上位機模塊接收數據并顯示。經過實驗驗證，該系統(tǒng)實現了對相應氣體（NO，SO2，O2等氣體）的濃度、流量、流速、溫度、靜壓等參數進行實時監(jiān)控和測量的功能。

關鍵詞：STM32F103VET6；氣體分析系統(tǒng)；A/D；數據處理

中圖分類號：TP368 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）08-0247-02

隨著工業(yè)的發(fā)展，工業(yè)大氣氣體污染問題越來越受到人們的重視，霧霾現象也受到公眾的關注。氣體監(jiān)測問題也開始受到人們的重視。目前工業(yè)級的氣體分析系統(tǒng)普遍存在體積大、價格高、難以操作的問題，而且傳統(tǒng)的氣體采集系統(tǒng)精度低，性能不高，難以滿足社會人們的需求?；诖耍O計新型的氣體分析系統(tǒng)成為了現實的緊迫需要。本文設計了一種便攜式的紅外氣體分析系統(tǒng)，以STM32微處理器為核心，采用先進的，高精度的紅外氣體測量技術，測量工業(yè)中多種氣體的濃度、溫度、流量等參數，可以隨時監(jiān)測工業(yè)環(huán)境下空氣中的污染氣體。此分析系統(tǒng)采用了先進的紅外氣體紅外氣體檢測技術，具有體積小，操作簡單，性價比高，適合工業(yè)環(huán)境下使用的特點。

1 氣體分析系統(tǒng)的總體設計

本文設計的氣體分析系統(tǒng)分為5個部分，分為：數據導出模塊、數據采集模塊、A/D轉換模塊、上位機模塊（包括顯示模塊、按鍵模塊）以及STM32微處理器。其系統(tǒng)結構框圖，如圖1所示。

數據采集模塊采集氣體數據，通過相應傳感器采集待測量的氣體濃度、流量、流速等信號得到相應的模擬信號，經過信號調制電路，將模擬信號傳遞給STM32微處理器，經過A/D轉換將模擬信號轉換為數字信號。微處理器對數字信號進行處理、計算，得到相應的氣體的濃度、流量、流速、溫度，靜壓等數據。將計算得出的氣體參數數值傳給上位機，顯示到顯示屏上。同時數據導出模塊，既可以將數據存儲到U盤中，也可通過USB接口將數據導出到PC機上，以便分析歷史數據。

2 硬件設計

2.1 微處理器的選擇

本系統(tǒng)中采用32位的中容量STM32F103VET6作為處理器。STM32F103VET6基于高性能32位RISC的ARM Cortex—M3內核。工作主頻達到72MHz[1]。片上集成了高速存儲器（Flash最多可達512K，SRAM最多可達64K）和通過APB總線連接的豐富和增強的外設和I/0。

其片內資源豐富，I/O接口豐富。片上帶有兩個12位的ADC、一個12位的雙通道DAC、11個16位計時器。同時還包括兩個I2C接口，三個SPI接口和五個USART接口。

系統(tǒng)集成度高，便于開發(fā)?？蓽p少產品的開發(fā)周期。同時STM32還具有功耗低、體積小、性價比高，配置豐富靈活、可靠性高等優(yōu)點。利于工業(yè)級產品的生產、使用。

2.2 硬件電路設計

2.2.1數據采集模塊

數據采集模塊由傳感器、氣室、紅外光源組成。主要采用非分散紅外法進行采集氣體數據。這種原理基于不分光紅外線吸收原理。利用一定的波長的紅外線的吸收衰減來測量氣體的濃度值等參數值。由于氣體的吸收光譜隨物質的不同而存在差異[2，4]。同一物質不同濃度，在同一吸收峰位置有不同的吸收強度，吸收強度與濃度呈指數函數關系。通過檢測氣體對光的波長和強度的影響，便可以確定待測氣體的濃度[3]。

紅外線測量原理：CO，SO2等極性分子具有永久電偶極矩，因而具有振動、轉動等結構。按量子力學分成分裂的能級，可與入射的特征波長紅外輻射耦合產生吸收，不同的極性分子由不同的光譜吸收帶，例如，CO的吸收峰在4.65μm處，SO2的吸收峰在7.35μm。

測量經吸收后紅外光的強度便能計算出相應氣體的濃度，這便是紅外氣體分析的理論根據。此紅外氣體檢測技術，具有世界先進水平，具有優(yōu)良的穩(wěn)定性、選擇性和高靈敏度，可以廣泛用于鍋爐、電廠煙道氣、化工流程、石化工業(yè)、冶金工業(yè)等領域，也可以用于實驗室分析。原理圖如圖2所示。

①紅外光源 ② 反射體 ③同步馬達 ④切光器 ⑤樣氣室

⑥前吸收室 ⑦后吸收室 ⑧毛細管 ⑨微流量傳感器

紅外光束通過濾光片、樣氣池到達檢測器，在樣氣池與紅外光源之間有一個由同步馬達帶動的切光器，將紅外光束變成交替的脈沖光源，如果樣氣池中有吸收，由微流量傳感器產生脈沖電信號。檢測部分是由前后兩個吸收室組成。吸收帶中心部分在檢測器前吸收室首先被吸收，而邊緣部分則被后吸收室吸收。前后吸收室的吸收大致相同。前吸收室和后吸收室之間通過一個微流量傳感器相連。

數據采集模塊的作用是通過傳感器將氣體的濃度、流量等信號轉換為模擬信號，并經過信號調制電路將模擬信號傳給STM32微處理器進行處理。

2.2.2 A/D轉換模塊

STM32F103內部集成了2個獨立的12位ADC模塊，具有18個通道，可測量16個外部和2個內部信號源。每個通道的A/D轉換可以單次、連續(xù)、掃描或間斷模式執(zhí)行[5]。為了提高測量精度與測量通道數量，本系統(tǒng)沒有采用STM32自帶ADC。采用Maxim的MAX1300模數轉換器。

MAX1300是多量程、低功耗、16位、逐次逼近型模數轉換器（ADC），采用+5v單電源供電，具有高達115ksps的吞吐量。

MAX1300提供8路（單端）或4路（真差分）模擬輸入通道。每一路模擬輸入通道都可通過軟件獨立編程設置為7種單端輸入范圍和3種差分輸入范圍。

A/D轉換模塊部分電路如圖3所示。

參考電壓VREF為4.096v，MAX1300，將通過數據采集電路采集到的數據進行A/D轉換，MAX1300采用芯片內部的SPI總線，進行數據傳輸。

2.2.3 USB接口電路

本系統(tǒng)中數據導出模塊使用USB接口電路將數據導出。USB接口電路，既可以將數據導出存儲到U盤中，存儲歷史數據，也可以通過USB接口直接將數據導出到PC機，以供分析歷史數據。選用USB接口是因為U盤具有存儲容量大、成本低、讀寫速度快的優(yōu)點，支持熱插拔，連接方便。USB接口電路如圖4 所示。

2.3 上位機模塊

上位機模塊包括兩個部分：顯示模塊和按鍵模塊。

上位機模塊通過按鍵電路接收用戶指令，將用戶指令傳給STM32微處理器，微處理器根據接收的指令進行數據處理，傳輸等操作。顯示模塊為顯示屏電路，上位機接收微處理器傳送的數據，將數據顯示到顯示屏上。

3 軟件設計

主程序流程圖如圖5所示。上電開始，系統(tǒng)進行預熱初始化。STM32進行數據采集，等待上位機發(fā)送指令，STM32微處理器根據指令數據操作，處理采樣數據，計算采樣數據，求出測量氣體的濃度值、流量等參數值。然后進行數據存儲，將得出的數據傳遞給上位機，并通過顯示屏顯示出來。

數據處理階段的程序流程圖如圖6所示。在數據處理階段，A/D轉換芯片將采集得到的模擬信號進行A/D轉換，得到相應的數字信號電壓值，將此電壓值進行處理。

在數據處理過程中，為了精確得到測量值，減少噪聲干擾，需要對經過AD轉換得到的數據需要進行濾波處理，以減少數據的誤差。本程序采用的是數值平滑濾波的方式進行數據處理，將經過處理后的數據進行計算，得要計算值之后，根據線性氣體標定公式計算出相應氣體的濃度、流量等數值。

4 結束語

本文設計的基于STM32的便攜式紅外線煙氣氣體分析系統(tǒng)，以STM32微處理器為核心，由上位機、數據采集模塊、數據導出模塊、A/D轉換模塊組成，可測多種氣體的氣體的濃度、流量、溫度等值。即可以顯示實時數據，同時也可以存儲歷史數據分析。本系統(tǒng)適合工業(yè)環(huán)境使用，整個系統(tǒng)設計簡潔、測量精度高、可靠性高?？梢詼y量多種氣體的濃度，可擴展行高，體積小，性價比高，易于維護，應用廣泛。

參考文獻：

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[5] 彭剛，秦志強.基于ARM Cortex-M3的STM32系列嵌入式微控制器應用實踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011：213-220.