鄭 蕊,王曉榮,吳 棋,李明朗,張冬華

(南京工業(yè)大學(xué)電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院，江蘇南京 211816)

0 引言

為了更好地解決大氣污染問題，必須要加強(qiáng)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)力度。根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)大氣中污染物的濃度變化，從而分析大氣的質(zhì)量。傳統(tǒng)的大氣監(jiān)測(cè)技術(shù)主要是靠人工定時(shí)定點(diǎn)采樣的被動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)[1]。隨著現(xiàn)代測(cè)量、控制以及自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，大氣監(jiān)測(cè)技術(shù)由被監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣?dòng)監(jiān)測(cè)，采樣范圍變寬，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目增多。本文設(shè)計(jì)一種具有體積小、線性度好、響應(yīng)時(shí)間快、穩(wěn)定性好以及人機(jī)交互友好等優(yōu)點(diǎn)的儀器。

1 微站的總體設(shè)計(jì)

根據(jù)微站要實(shí)現(xiàn)的功能要求以及監(jiān)測(cè)污染物的復(fù)雜性，微站的功能采用模塊化的設(shè)計(jì)。微站的工作流程大致是調(diào)理電路將傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行放大處理后傳送給主控制器，主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后實(shí)時(shí)將結(jié)果顯示在液晶顯示屏上，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，同時(shí)支持無(wú)線通訊功能。微站的工作流程如圖1所示。

圖1 微站的工作流程

泵控模塊：將大氣泵入腔內(nèi)，加快大氣的流動(dòng)速度，讓傳感器能更快感知大氣中各種參數(shù)的變化；

傳感器模塊：負(fù)責(zé)采集大氣中4種污染物的濃度以及環(huán)境的溫濕度，并對(duì)傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行處理；

主控制器：負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)硬件的控制和管理工作，是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心；

人機(jī)交互模塊：負(fù)責(zé)顯示被監(jiān)測(cè)污染物的實(shí)時(shí)濃度值、環(huán)境的溫濕度值，且用戶可通過觸摸屏查看歷史數(shù)據(jù)功能；

通訊模塊：支持無(wú)線通訊，便與后期進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸。

2 微站的硬件設(shè)計(jì)

微站硬件設(shè)計(jì)的微處理器選擇工業(yè)級(jí)芯片STM32F4，該芯片工作頻率高達(dá)180 MHz，具有2M的Flash閃存，同時(shí)擁有豐富的I2C、SPI、ADC、UART等多個(gè)通信接口，能夠滿足儀器功能設(shè)計(jì)需求[2-3]。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括供電模塊、主控制器模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、傳感器信號(hào)調(diào)理電路模塊、液晶顯示屏模塊、外部存儲(chǔ)器模塊以及通信模塊等。硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)框圖

2.1 泵控電路

本設(shè)計(jì)傳感器安裝采用內(nèi)嵌式，增加泵控電路是為了讓傳感器更快感知大氣中污染物的濃度變化。氣泵型號(hào)為KVP15-KM-1-C-A，具有低能耗、大流量、高壓、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，壽命長(zhǎng)達(dá)8 000 h，工作溫度為0～40 ℃，工作電壓為12 V，啟動(dòng)電流為1.2 A，氣體流量≥10 L/min。泵控電路采用MJE800G型號(hào)的達(dá)林頓管來(lái)驅(qū)動(dòng)氣泵。氣體泵控制電路如圖3所示。

圖3 氣體泵控電路

2.2 泵控電路

針對(duì)氣體電化學(xué)傳感器輸出的μA級(jí)電流，經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換成mV級(jí)的電壓信號(hào)后，經(jīng)濾波器得到一個(gè)穩(wěn)定的電壓值，最后調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，將電壓變化范圍限定在0～3.3 V后就可以送到微控制器的AD采集。本文選用噪聲小，偏置電流不大于100 pA、較小的1 μV偏置電壓，溫漂小以及開環(huán)增益大的雙通道運(yùn)算放大器AD8629。電路中場(chǎng)效應(yīng)管J175在短路時(shí)能確保參考電極和工作電極保持相同的電位。信號(hào)調(diào)理電路如圖4所示。

圖4 信號(hào)調(diào)理電路

2.3 顆粒物傳感器接口電路

顆粒物傳感器選用激光粉塵顆粒物傳感器SDS018。該傳感器采用串口輸出方式，能夠測(cè)出空氣中0.3～10 μm的懸浮顆粒物濃度，測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，響應(yīng)速度快，1次/s，壽命長(zhǎng)達(dá)8 000 h，測(cè)量量程為0～1 000 μg/m3。SDS018的接口電路如圖5所示。

圖5 SDS018的接口電路

2.4 外部存儲(chǔ)模塊

采用型號(hào)為M25P16的Flash芯片，工作電壓范圍為2.7～3.6 V，容量為16 Mbit，可分為32個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)分為256頁(yè)，每頁(yè)長(zhǎng)度為256個(gè)字節(jié)，支持頁(yè)編程。M25P16采用四線制SPI通信方式。Flash存儲(chǔ)電路如圖6所示。

圖6 Flash存儲(chǔ)電路

2.5 液晶顯示接口電路

選用的23.33 cm的彩色液晶顯示觸摸屏，型號(hào)為GL25U070AT8048T，該顯示屏使用5 V電壓供電，采用SPI通信方式與主芯片實(shí)現(xiàn)串行通信，在時(shí)鐘線和信號(hào)線各串聯(lián)一個(gè)33 Ω的小電阻用來(lái)減少導(dǎo)線電感的影響，增加阻尼，降低信號(hào)過沖。液晶顯示接口電路如圖7所示。

圖7 液晶顯示接口電路

2.6 無(wú)線通訊接口電路

選用型號(hào)為L(zhǎng)218的GPRS模塊。該模塊具有超小的體積，功耗低，支持GPS+北斗雙星定位系統(tǒng)，使定位更加精準(zhǔn)，支持GSM/GPRS無(wú)線通信功能，擁有TCP/UDP/FTP等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，只需通過發(fā)送AT指令就可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用開發(fā)[4-5]，簡(jiǎn)化了用戶開發(fā)工作。L218模塊接口電路如圖8所示。

圖8 L218模塊接口電路

3 微站的軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件設(shè)計(jì)流程

微站的軟件設(shè)計(jì)是基于RT-thread實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。RT-Thread操作系統(tǒng)相對(duì)于其他操作系統(tǒng)也具有很大的優(yōu)勢(shì)，與 Linux 操作系統(tǒng)相比較，體積小、成本低、功耗低、啟動(dòng)快速，除此以外，RT-Thread 還具有實(shí)時(shí)性高、占用資源小等特點(diǎn)，非常適用于各種資源受限(如成本、功耗限制等)的場(chǎng)合[6-7]。

軟件設(shè)計(jì)首先在硬件平臺(tái)上移植RT-Thread操作系統(tǒng)，然后在移植的操作系統(tǒng)上調(diào)用API函數(shù)編寫底層的驅(qū)動(dòng)程序以及各線程的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)流程如圖9所示。

圖9 軟件設(shè)計(jì)流程

3.2 人機(jī)交互模塊軟件設(shè)計(jì)

采用emWin進(jìn)行界面開發(fā)。emWin源代碼是采用C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)的，可用于大多數(shù)平臺(tái)。本文設(shè)計(jì)的是多窗口可切換操作界面，通過WM的消息傳遞機(jī)制和回調(diào)機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)界面顯示、控件操作以及界面更新等多種功能。界面設(shè)計(jì)如圖10所示。

圖10 界面設(shè)計(jì)

4 實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證儀器的性能，在實(shí)驗(yàn)室搭建的環(huán)境下先進(jìn)行了響應(yīng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)，隨后對(duì)儀器進(jìn)行了準(zhǔn)確性實(shí)驗(yàn)來(lái)分析儀器的性能。

4.1 響應(yīng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)

響應(yīng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)首先通入零氣，待顯示屏數(shù)值穩(wěn)定后，通入各傳感器滿量程的80%濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體，分別記錄從界面開始有數(shù)值反應(yīng)到界面顯示的數(shù)值達(dá)標(biāo)準(zhǔn)氣體的90%濃度值時(shí)所用的時(shí)間，即為該傳感器的響應(yīng)時(shí)間，記錄數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 響應(yīng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4.2 準(zhǔn)確性實(shí)驗(yàn)

通入不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)樣氣進(jìn)行測(cè)試，每種濃度分別記錄10次(每隔1 min記錄一次)，求平均值后作為測(cè)量值。準(zhǔn)確性實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。1 ppm=10-6。

表2 準(zhǔn)確性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

數(shù)據(jù)結(jié)果表明，測(cè)量的數(shù)據(jù)誤差最大值為1.83%<2%，說明該設(shè)備具有很好的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹基于STM32F4針對(duì)大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)微站的軟硬件設(shè)計(jì)。本文給出了微站主要的軟硬件設(shè)計(jì)方案，并對(duì)儀器進(jìn)行了準(zhǔn)確性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該儀器具備很好的準(zhǔn)確性，為大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。