基于STM32RBT6的便携式甲烷浓度检测仪

杨发盛, 赵培陆, 朱 哲, 张厚博, 胡小龙, 王 彪, 卢革宇

(1. 吉林大学 电子科学与工程学院, 长春 130012； 2. 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 长春 130033)

0 引 言

在生产活动和日常生活中的许多场合, 对甲烷气体浓度的快速实时检测非常重要。传统的甲烷气体浓度检测方法由于受到检测精度、 数据采集容量和采集速度等因素的限制, 不能很好地满足实际应用的要求。笔者提出了一种全新的解决方案, 能快速、 准确地检测目标气体中甲烷气体浓度, 并可通过LCD(Liquid Crystal Display)显示界面实时显示所获取的信息, 同时根据需要将浓度数据保存到大容量铁存储器中, 通过USB接口快速上传到上位机, 利用上位机软件绘制出目标气体中甲烷浓度变化曲线, 实现对目标气体中甲烷浓度信息的快速获取和存储。

1 系统硬件设计

1.1 系统硬件设计概述

检测系统硬件原理框图如图1所示。系统包括： 甲烷传感器、 信号调理电路、 数模转换器、 中央处理器、 存储器以及液晶交互界面。甲烷传感器采用MQ4催化燃烧式传感器, 处理器使用意法半导体公司的STM32RBT6[1], 接收由信号调理电路和数模转换电路采集到的甲烷气体传感器信号, 并根据拟合算法得到目标气体中的甲烷浓度。信号调理电路以集成运算放大器[2]AD8251和数字电位器MAX5481作为核心器件, 将从气体传感器采集到的信号调整后, 作为STM32RBT6片上集成12位高精度模数转换电路的输入, 把气体传感器[3-5]输出的信号数字化。选用铁电存储器FM24V01作为数据存储单元, 用于仪器校准参数和拟合算法参数的存储。另外为了便于用户使用, 采用3.2寸TFT(Thin Film Transistor)液晶屏结合XPT2046触摸屏芯片作为仪器的人机交互接口。用户可通过此交互接口对甲烷检测仪进行设置, 同时在液晶界面上实时显示气体浓度信息。该系统采用优化设计, 实现了低功耗条件下对目标气体中甲烷气体浓度的快速实时检测[6]。

图1 检测系统硬件原理框图

1.2 甲烷气体传感器和信号调理电路

目标气体中甲烷的浓度由催化燃烧式甲烷传感器[7,8]检测, 在甲烷气体中传感器产生一个数毫伏的电压信号, 气体传感器选用郑州炜盛电子科技有限公司的MQ4, 可在-40～70 ℃低于95%RH(Relative Humidity)的环境中测量甲烷浓度, 检测浓度范围为0～2.232 mol/L。传感器的测量电路采用惠斯登电桥, 当工作电压为2.5 V时, 传感器的零点输出电压约为27.3 mV; 当甲烷浓度为0.134 mol/L时, 输出电压升至为56.4 mV; 当甲烷浓度升高到0.446 mol/L时, 传感器输出电压上升到79 mV。输出电压信号经过以带参考输入端的仪表放大器AD8251及数字电位器MAX5481为核心的电路调理后, 传感器电压信号被调整到0.5～4.5 V,输入到STM32RBT6片上集成12位模数转换电路中, 通过模数转换电路的高分辨率提高对甲烷气体的检测精度, 其作用是将甲烷气体浓度信息转换为CPU(Central Processing Unit)能识别的数字电压信号。信号调理电路原理图如图2所示。

图2 信号调理电路原理图

1.3 甲烷气体浓度数据的采集和处理

系统的数据存储传输模块原理图如图3所示。STM32RBT6片上集成的12位模数转换器具有精度高和功耗低的特点, 可连续获取气体传感器的输出电压值, 通过硬件IIC(Inter-Integrated Circuit), 铁电存储器FM24V01和CPU STM32RBT6之间能实现高速通信。根据STM32RBT6内部存储的气体浓度拟合算法和存储在铁存储器FM24V01内的浓度拟合参数, 将传感器输出电压值转换成精确的甲烷浓度值。该存储器有128 kbit的存储容量, 可读写100万亿次, 掉电数据保存10年以上, 并且在低功耗、 低电压工作条件下其IIC接口的时钟频率高达32 MHz。STM32RBT6片上集成了USB接口, 在高速通信模式下, 通信速率高达12 Mbit/s,可将系统采集到的甲烷浓度信息快速上传到上位机, 利用上位机软件可绘制出甲烷浓度变化曲线, 并保存数据[9,10]。

图3 数据存储传输模块原理图

2 系统软件设计

系统的软件设计主要包括系统初始化、 USB数据上传子函数、 测试子函数和休眠子函数等功能模块。

2.1 系统初始化

系统上电后, 进入系统初始化程序, 根据甲烷浓度检测仪的使用要求, 初始化CPU内部的寄存器、 配置片上模数转换器及USB等外设的初始状态, 初始化SPI(Serial Peripheral Interface)、 IIC接口、 通用IO(Input/Output port)等操作, 配置液晶人机交互接口及铁电存储器, 使系统进入最佳的工作状态, 为后续甲烷浓度检测做好准备。

2.2 甲烷浓度数据采集和处理

系统初始化完成后, 通过由触摸芯片XPT2046和3.2寸TFT液晶组成的人机交互接口, 用户可选择甲烷气体浓度数据采集、 保存、 检测和校准等操作。系统进入检测功能子函数后, 检测目标气体中甲烷的浓度, 判断是否需要用标准气体校准检测仪, 以便使用更新的校准参数拟合出甲烷浓度算法曲线, 实现由气体传感器输出数字电压到甲烷浓度的精确计算, 这一操作可以保证检测的精度。当校准完毕或判断不需要较准时, CPU开始检测目标气体中甲烷的浓度, 并将浓度信息显示在人机交互界面上, 用户可通过液晶人机交互界面选择是否保存检测数据、 结束检测和校准等操作。当用户选择保存数据时, 甲烷浓度信息会保存在铁电存储器FM24V01内, 同时通过USB总线上传到上位机, 利用上位机软件, 绘制出甲烷浓度变化曲线。最后, 用户选择结束检测时, 程序将退出检测功能子函数, 进入休眠子程序。检测功能子函数流程图如图4所示。

2.3 休眠待机

当系统进入休眠子程序时, 处理器将系统运行的重要参数保存到铁存储器FM24V01, 另外将CPU本身的重要数据保存到备份域寄存器, 此后, 将判断是否有外部事件输入。当有事件输入时, 将唤醒CPU, 并迅速恢复CPU配置, 进入检测状态, 根据用户要求实施对甲烷气体的检测。图5为该检测仪结合上位机软件绘制的实验室环境下检测的甲烷气体浓度曲线。

图4 检测功能子函数流程图

图5 甲烷浓度随时间变化曲线

3 结 语

利用STM32RBT6的集成高速SPI、 IIC及USB总线, 将气体传感器输出电压经过片上高速模数转换器高效地采集, 经拟合算法处理后得到甲烷浓度信息, 并根据需要, 将重要的校准信息保存到铁存储器内, 保证每次开机后能由模数转换器输出的数字电压正确地计算得到精确的甲烷气体浓度, 实现对甲烷气体的精确检测和高速数据采集。系统的便利化设计使用户容易操作, 满足了实际应用的需求。

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