文冠祺，王 忠，陳柏松

(火箭軍工程大學(xué)，陜西 西安 710025)

基于ARM的紅外氣體傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

文冠祺，王 忠，陳柏松

(火箭軍工程大學(xué)，陜西 西安 710025)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)、坑道等較為封閉區(qū)域空氣中有毒有害氣體的監(jiān)測(cè)預(yù)警，提高相關(guān)人員工作生產(chǎn)環(huán)境的安全性，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款基于ARM的紅外氣體傳感系統(tǒng)。該系統(tǒng)對(duì)某種指定氣體濃度進(jìn)行監(jiān)控，探測(cè)端通過USB數(shù)據(jù)線連接上位機(jī)PC終端，在配套開發(fā)的軟件系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)可視化監(jiān)控并及時(shí)發(fā)出警報(bào)。利用擴(kuò)散式監(jiān)測(cè)方式，非分光紅外技術(shù)測(cè)量特定氣體濃度，可對(duì)應(yīng)不同氣體種類而靈活更換紅外探測(cè)頭的濾波片，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)多種氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)的功能。目前該傳感器可用于對(duì)氟化氫、一氧化氮、二氧化硫、二氧化碳、一氧化碳以及甲烷等氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)選取一氧化碳?xì)怏w分別進(jìn)行精準(zhǔn)性測(cè)試和重復(fù)性測(cè)試，以此檢驗(yàn)系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間工作中受到電壓波動(dòng)和溫度波動(dòng)等影響因素干擾下的工作狀態(tài)。結(jié)果表明，傳感系統(tǒng)能夠檢測(cè)出相應(yīng)的氣體濃度，存在干擾現(xiàn)象但符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能要求。

ARM處理器；紅外氣體傳感系統(tǒng)；非分光；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

0 引 言

隨著綜合國(guó)力的不斷攀升，經(jīng)濟(jì)發(fā)展穩(wěn)步向前，發(fā)展在帶給人民巨大利益的同時(shí)，面臨的問題也逐步顯現(xiàn)出來，個(gè)別方面的矛盾甚至日益激化，比如環(huán)境問題。在當(dāng)今社會(huì)，環(huán)境保護(hù)已經(jīng)成為發(fā)展道路上的一項(xiàng)重要任務(wù)，從民生角度考慮，人們?cè)絹碓疥P(guān)注自己的生存環(huán)境變化，尤其在空氣質(zhì)量方面，空氣中的有毒有害氣體和可吸入顆粒物等物質(zhì)也成為老百姓們每天都關(guān)心談?wù)摰臒衢T話題。

人們賴以生存的空氣中有很多值得挖掘的信息，常見的如溫室效應(yīng)主要成分CO2[1]氣體、采礦坑道中的CO[2]氣體、家用燃?xì)庵械腃H4[3]氣體等。人們利用這些氣體使其在生產(chǎn)生活中發(fā)揮重大作用，在科學(xué)研究中提供有力支撐，但又不得不面對(duì)它們帶來的種種負(fù)面影響。為了保護(hù)人們生產(chǎn)勞動(dòng)的安全高效，盡早檢測(cè)出空氣中的有毒有害氣體，易操作低成本的氣體探測(cè)傳感器應(yīng)運(yùn)而生[4]。氣體傳感技術(shù)大致分為紅外傳感[5]、熱導(dǎo)式傳感[6]、電化學(xué)傳感[7]和催化燃燒傳感[8]等。紅外氣體傳感器因其使用壽命長(zhǎng)、性價(jià)比高在大氣監(jiān)測(cè)[9]、災(zāi)害防治[10]、醫(yī)療農(nóng)業(yè)[11]等諸多方面應(yīng)用廣泛。

基于上述原因，運(yùn)用非分光紅外技術(shù)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)一種基于ARM處理器的氣體傳感系統(tǒng)，并進(jìn)行了精準(zhǔn)性測(cè)試和重復(fù)性實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，系統(tǒng)在遇到自產(chǎn)熱干擾和電壓波動(dòng)情況下，所得數(shù)據(jù)均在正常范圍之內(nèi)，達(dá)到了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

1 設(shè)計(jì)原理和思路

氣體傳感系統(tǒng)采用分段式結(jié)構(gòu)，兩端分別是發(fā)光源和探測(cè)器，中段由氣室連接。系統(tǒng)采用非分光紅外(NDIR)技術(shù)，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用ARM處理器保證運(yùn)算結(jié)果更快更精準(zhǔn)。在氣體監(jiān)測(cè)過程中向氣室內(nèi)通含某一特定成分氣體的空氣，發(fā)光源發(fā)出寬譜紅外光穿過氣室，探測(cè)器接收并檢測(cè)吸收峰處吸收情況來計(jì)算某種氣體濃度值[12]。在探測(cè)器表面安裝不同的濾波片，可以監(jiān)測(cè)不同類型的氣體濃度。目前該成品可監(jiān)測(cè)氣體成分主要有CO、CO2、SO2、CH4、HF、NO等氣體。

當(dāng)有紅外光照射氣體時(shí)，氣體分子會(huì)吸收能量，因?yàn)闅怏w不同分子也不同結(jié)構(gòu)，所以對(duì)于紅外光能量的吸收頻段也不相同，特定氣體分子吸收能量之后紅外光會(huì)形成對(duì)應(yīng)的吸收峰。探測(cè)器運(yùn)用熱電堆技術(shù)，當(dāng)有紅外光照射探測(cè)器時(shí)，熱電堆會(huì)感應(yīng)溫度變化，因熱電效應(yīng)[13]使得電動(dòng)勢(shì)發(fā)生改變，通過測(cè)量電壓變化可推出通過某種氣體之后的紅外照射光被吸收了多少能量，由能量的變化間接計(jì)算出氣室內(nèi)某氣體的濃度。電壓信號(hào)經(jīng)輸出給AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，由ARM處理器處理后控制顯示器顯示出來或者同時(shí)報(bào)警。

因?yàn)槌掷m(xù)照射會(huì)產(chǎn)生熱堆積影響檢測(cè)結(jié)果，所以紅外光以調(diào)制方式照射。通道末端設(shè)有溫度感應(yīng)器單獨(dú)輸出溫度信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)之后，采用數(shù)字補(bǔ)償法消除環(huán)境溫度對(duì)熱電堆的影響。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)電路

stm32f103v48是ARM32位的Cortex-M3 CPU，64 K字節(jié)的閃存程序存儲(chǔ)器，20 K的SRAM，有2個(gè)12位ADC，7個(gè)定時(shí)器和9個(gè)通信接口。如圖1所示，為給單片機(jī)供能并提供穩(wěn)定的正弦波信號(hào)，起振電容C11和C12與Y1組成正弦波震蕩電路。電容值22pF，晶體振蕩器震蕩頻率8MHz。電容器C18接處理器的異步復(fù)位腳，NRST端輸入低電平時(shí)單片機(jī)處于復(fù)位狀態(tài)，電平由低升高時(shí)PC指針從0開始。當(dāng)輸入電壓低于1.9V左右時(shí)，芯片復(fù)位。

2.2 穩(wěn)壓電源電路

如圖2所示，輸入電壓為5 V，經(jīng)過降壓、整流、濾波后，通過LM1117MPX-3.3電壓調(diào)節(jié)器向系統(tǒng)輸出3.3 V工作電壓，同時(shí)提供電流限制和熱保護(hù)，其最大線性調(diào)整率為0.2%，最大負(fù)載調(diào)整率為0.4%。電路中電容作用是過濾干擾。

圖1 單片機(jī)電路局部

圖2 穩(wěn)壓電源電路和紅外光源電路開關(guān)

2.3 紅外光源電路開關(guān)

如圖2所示，NMOS是低端驅(qū)動(dòng)，適用于源極接地的情況，Vgs大于4 V就會(huì)導(dǎo)通;PMOS是高端驅(qū)動(dòng)，適用于源極接VCC的情況，Vgs小于閾值電壓就會(huì)導(dǎo)通。MOS管是電壓控制元件，損耗小，熱阻特性好，適合作為紅外光源的電子開關(guān)。

2.4 信號(hào)濾波放大模塊

探測(cè)器后接兩條信號(hào)路線，一是圖3中所示紅外信號(hào)，二是探測(cè)器信號(hào)。因?yàn)槠漭敵鰰r(shí)已經(jīng)變成電壓信號(hào)，故無需轉(zhuǎn)換直接放大即可。電路中信號(hào)皆為低頻信號(hào)，高頻判斷為噪聲。要使有效的低頻信號(hào)得以

圖3 濾波放大電路

放大而不放大高頻噪聲，參考同向?yàn)V波電路設(shè)計(jì)，添加電容C4可過濾高頻噪聲，起到濾波作用。

電路對(duì)低頻信號(hào)放大倍數(shù)為：

(1)

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氣體濃度監(jiān)測(cè)儀的軟件設(shè)計(jì)釆用程序模塊化的方法進(jìn)行,除主程序外,主要的子模塊有數(shù)據(jù)釆集子摸塊、數(shù)據(jù)處理子模塊、顯示子模塊和串口通信子模塊。

從紅外探測(cè)器輸出的信號(hào)經(jīng)過放大濾波電路處理后得到stm32f103v48電壓處理范圍內(nèi)的信號(hào)。這些信號(hào)將由數(shù)據(jù)采集處理模塊計(jì)算,得出最終濃度值輸出到顯示器,同時(shí)通過串口RS232連接到個(gè)人PC上進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分析。

該系統(tǒng)主要用stm32f103v48單片機(jī)實(shí)現(xiàn)脈沖觸發(fā)、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采樣及數(shù)據(jù)處理。進(jìn)入處理器的信號(hào)由片內(nèi)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),將所得數(shù)據(jù)處理后最終計(jì)算出被測(cè)氣體濃度。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳感系統(tǒng)主體采用的是分段式結(jié)構(gòu)，即紅外信號(hào)發(fā)射端、氣室和紅外信號(hào)接收端分離成三段，兩頭器件可以用螺絲與氣室固定組裝在一起，拆卸非常方便。設(shè)計(jì)用意：一是方便組裝探測(cè)器；二是在出現(xiàn)硬件故障之時(shí)能夠快速排解問題。整個(gè)器件采用表面光滑的鋁材質(zhì)進(jìn)行加工，不僅能防止器件被某些有害氣體腐蝕，而且光滑的氣室通道內(nèi)能減少紅外光束的散射，提高測(cè)量精度。

氣室有出氣和進(jìn)氣兩個(gè)氣孔，在探測(cè)器端中心圓孔處放置探測(cè)頭，圓孔一側(cè)有小孔用來放置溫度傳感器，消除因堆積熱對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生的負(fù)面影響。

5 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

為使實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確，滿足實(shí)驗(yàn)條件令其符合氣體傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)部分參數(shù)如表1所示。

5.1 精準(zhǔn)性測(cè)試

考慮到實(shí)驗(yàn)氣體一氧化碳在空氣中爆炸極限是12.5%～74%[14]，為安全起見，在測(cè)試中分別用濃度為1%和5%的兩種一氧化碳?xì)怏w向傳感器氣室中通氣，總共通20 min，每分鐘記錄一個(gè)測(cè)得的濃度數(shù)值。

影響測(cè)量結(jié)果的因素有氣室內(nèi)溫度變化的情況，氣瓶中氣體濃度異?；蛘咄馑俣炔痪那闆r，電壓不穩(wěn)的情況,等等。

表1 氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)部分參數(shù)表

由圖4所示，在8～11 min和17～20 min時(shí)段測(cè)量濃度分別有較大起伏。查看記錄數(shù)據(jù)分析原因知，氣室內(nèi)部溫度升高引起電壓波動(dòng)，反映在測(cè)量值上出現(xiàn)了較大差距的波峰和波谷，差值最大為0.016%，低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)0.05%誤差，精度滿足要求，判定結(jié)果有效。

在上一次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將探測(cè)器于通風(fēng)口處靜置10 min，使內(nèi)部殘留氣體釋放干凈。此次實(shí)驗(yàn)開始之前先將傳感器置于激活狀態(tài)預(yù)熱5 min，之后再向氣室內(nèi)逐步通入5%濃度的CO氣體，探測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)平穩(wěn)，與氣體濃度標(biāo)準(zhǔn)值的最大誤差不超過0.008%，如圖4所示。由于系統(tǒng)充分預(yù)熱，干擾項(xiàng)少，該次實(shí)驗(yàn)測(cè)量值較前一次數(shù)據(jù)反映情況看有很大改觀，符合實(shí)際情況，結(jié)果有效。

圖4 精準(zhǔn)性測(cè)試

5.2 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

在測(cè)試中，用濃度為1%的二氧化碳?xì)怏w向氣體傳感器中通氣，每次通2 min，2 min后停機(jī)5 min再次開機(jī)通氣2 min，每次記錄一個(gè)測(cè)得的濃度數(shù)值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 濃度1%一氧化碳?xì)怏w重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

如圖5所示，重復(fù)性實(shí)驗(yàn)測(cè)量值誤差小，性能表現(xiàn)較為穩(wěn)定，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)束語

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)、坑道等較為封閉區(qū)域空氣中有毒有害氣體的監(jiān)測(cè)預(yù)警，提高相關(guān)人員工作生產(chǎn)環(huán)境的安全性，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款基于ARM的紅外氣體傳感系統(tǒng)。采用單片機(jī)進(jìn)行控制，具有運(yùn)算速度快、方便操作等特點(diǎn)，非分光紅外技術(shù)的氣體監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，精準(zhǔn)度高，使用壽命長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具備一定的適應(yīng)性和實(shí)用價(jià)值，且具有良好的市場(chǎng)前景。下一步要做的工作是減小體積，將光路從直射變成反射，進(jìn)一步研究溫度對(duì)感應(yīng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響，增加探測(cè)頭設(shè)置對(duì)照組消除誤差，同時(shí)設(shè)計(jì)更加可靠的結(jié)構(gòu)提高用戶體驗(yàn)。

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Design and Implementation of Infrared Gas Sensor System with ARM

WEN Guan-qi,WANG Zhong,CHEN Bai-song

(Rocket Force University of Engineering,Xi’an 710025,China)

In order to monitor poisonous and harmful gas in the rooms,tunnels and other closed region and improve the safety of the relevant personnel work and production environment,an infrared gas sensor system with ARM has been designed.This system is realized and connected with PC terminal via USB data line,by which certain specified gas concentration can be monitored on the bundled software system and alarm can be given timely if necessary.By applying the non-dispersive infrared technology,infrared detection head can be flexibly changed with different gas types.At present,this sensor can be used to monitor such gas as hydrogen fluoride,nitric oxide,sulfur dioxide,carbon dioxide,carbon monoxide and methane in real time.Detection of carbon monoxide gas has been tested in experiments and its results show that the gas concentrations detected by the system accord with the design standard and meet the functional requirements of the monitoring system.

ARM;infrared gas sensor system;non-dispersive;real-time monitoring

2016-05-16

2016-09-08

時(shí)間：2017-03-07

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(614023397)

文冠祺(1991-)，男，碩士，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)與嵌入式網(wǎng)絡(luò)；王 忠，教授，CCF高級(jí)會(huì)員，研究方向?yàn)榍度胧胶鸵苿?dòng)Ad-hoc。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170307.0921.036.html

TP391

A

1673-629X(2017)04-0180-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.04.040