氨气智能检测终端的设计

姚小芳，刘 洋，孙 磊，冯侨华

（哈尔滨理工大学 测控技术与通信工程学院 测控技术与仪器黑龙江省高校重点实验室，哈尔滨 150080）

氨气是一种有毒、无色而有强烈刺激性臭味的气体，水溶解度颇高，故常被吸附在动物的皮肤粘膜和眼结膜上，从而对其产生刺激并引发各种炎症，影响动物的生产和生长。而且养殖场高温高湿的环境会使养殖场内的物体腐烂而发出霉臭味，同时也会加速没有及时清理的粪便腐化，从而导致氨气等有毒气体的浓度急剧增加，因此养殖场中温湿度和氨气浓度的检测非常重要[1]。

目前氨气检测研究中[2]，电化学氨气传感器由于测量精度高、测量范围广，广泛应用于各种现场检测。而现在为了保护人员的人身安全，避免监测者直接受到危害，监测大面积有毒环境时，多采用低功耗、低成本和分布式的无线传感器网络技术[3-6]。无线传感网络节点数量大而且还处在随时变化的环境中，电化学传感器因为价格昂贵、性价比低，不能满足智能检测终端的要求。

为了弥补这种不足，本文根据半导体传感器测量范围广、适应复杂环境能力强等特点[7]，采用半导体氨气传感器、温湿度传感器、无线传输模块构成氨气智能检测终端，对养殖场进行温度、湿度和氨气浓度的检测，具有低功耗、低成本和耐用等优点。当养殖场面积大时，还可增加监测节点组成无线传感器网络，既避免监测者直接受到危害，又可监测养殖场的环境参数。

1 工作原理

本文设计的氨气智能检测终端，既能现场检测氨气浓度，又可作为节点将检测结果发送到主机上，其结构示意图如图1所示。系统由氨气浓度测量、温湿度测量、显示报警、无线通信、以单片机为核心的数据采集处理部分、电源管理组成。

图1 氨气智能检测终端结构示意Fig.1 Ammonia intelligent detection terminal structure diagram

系统在实际工作时，氨气测量部分、温湿度测量部分把相应的参量分别转换为电压信号、数字信号传送给STM32F103芯片核心处理部分，控制芯片对采集到的数据进行处理同时在LCD上显示出来。在STM32F103芯片的Flash中存储着用户设定好的氨气浓度报警值，当测量的氨气浓度超过报警值时则单片机控制进行声光报警，以此提醒用户采取措施。声光报警为蜂鸣器和红色LED小灯的同节奏鸣响和闪烁。如果用户想改变报警值则可以通过键盘进行设置，设置完成后报警值会被重新保存到Flash中，其值不会因为掉电而丢失。SIM900A无线传输模块完成传感器节点和中心接入点之间的指令和数据的收发。电源管理模块负责电量管理，为各个模块提供稳定、可靠的供电。

2 硬件电路设计

本文主要设计了电源电路、半导体传感器和温湿度传感器调理电路等几个模块。

2.1 电源电路

本系统需要的电源电压类型有半导体氨气传感器模块的DC+5 V、主电路板需要的DC±5 V直流电压、单片机需要的DC+3.3 V直流电压，系统的总输入电源是AC 220 V，转化为12 V电压需要先降压、再整流、稳压，如图 2（a）。+3.3 V电源由ASM1117-3.3从DC+5 V得到。AC 220 V电源首先经过总开关，再经过过流保护管后接入开关电源，电路原理如图2所示。

图2 电源电路Fig.2 Power circuit

电源电路使用LM7805和LM7905三端稳压IC组成稳压电源，所需的外围元件极少，电路内部还有过流过热及调整管的保护电路，功耗大，具有可靠、方便、价格便宜的优点。适用于半导体传感器这种需要加热的传感器，使用电容滤波。另外在输出电流上留有一定的余量，以避免个别集成稳压电路失效时导致其他电路的连锁烧毁。

2.2 半导体传感器调理电路

本系统采用的半导体氨气传感器为MQ137，其敏感体表面电阻为2 kΩ～10 kΩ，将传感器输出的电阻信号转变为电压信号并进行放大，放大采用OP07，OP07具有很低的输入失调电压，所以在使用时不需要额外的调零措施。该运算放大器还具有输入偏置电流低、高共模抑制比和长期稳定性的优点，所以适用于获得稳定的信号和放大传感器的微弱信号等方面。本文设计的半导体氨气传感器信号调理电路如图3所示，设计放大倍数为200，对应5～300 ppm氨气浓度，信号调理电路的输出为0.6～3.3 V。

图3 半导体氨气传感器调理电路Fig.3 Semiconductor ammonia gas sensor conditioning circuit diagram

其电路原理推导如下：

调理电路的第一个OP07运算放大器的作用是获得一个稳定的小信号电压，其输入阻抗为R2，输出电压为Uo1，则：

由式（1）计算得出，第1个反向放大电路获得了一个约100 mV的稳定电压。

调理电路的第2个OP07运算放大器的作用是放大稳定的小信号电压，其输入阻抗为R6，输出电压为 Uo2，则：

其中，滑动变阻器R7相当于传感器，用不同的电阻代替遇到不同浓度的氨气时传感器的输出电阻值，以便于模拟智能终端的工作原理，输出电压的范围为0.6～3.3 V，方便单片机的读取与处理。调理电路中的2个电容C1、C2用于滤波。

2.3 温湿度传感器的调理电路

DHT11温湿度传感器由电阻式感湿元件、NTC测温元件及1个高性能的单片机组成，所以其响应时间快、抗干扰能力强、性能优良。温湿度芯片接口电路如图4所示，连接长度不足20 m时需要接入1个5.1 k的上拉电阻。DHT11的工作电压为3.3～6 V，传感器通电后，为了度过非稳态阶段必须要等待1 s，这段时间无需任何动作指令，然后微控制器向DHT11发送1次开始信号，DHT11从低功耗模式转变为高速模式，等待主机开始信号结束后，DHT11发出相应信号并发送数据。同时为了去耦合和滤波考虑需要在芯片的电源引脚和接地之间增加1个l00 nF的电容。

图4 温湿度芯片接口电路Fig.4 Temperature and humidity chip interface circuit

3 软件设计

智能检测终端以STM32F103为控制核心，辅助外围电路，通过软件使系统变得智能化。本系统的下位机硬件程序是用C语言编写的，软件实现对整个系统的控制，对数据的处理和运算。其软件主流程如图5所示。系统上电复位后，先对微处理器初始化，设置定时器，单片机进行一系列工作后在LCD屏上显示环境温湿度和氨气浓度，并在氨气浓度超过设定报警值时进行声光报警。

图5 软件主流程Fig.5 Software main process diagram

4 实验结果及分析

4.1 实验测量数据分析

采用静态法检测设计的传感器调理电路的性能，分别将10～300 ppm之间不同浓度的氨气注入试验箱中，调理电路实际输出的电压值为U1，通过Matlab软件拟合得到与氨气浓度相对应的电压U的关系，如图6所示。

图6 氨气浓度与输出电压的关系Fig.6 Diagram of ammonia concentration and output voltage

为了精确地得到电压与氨气浓度之间的关系，本文通过Matlab软件拟合，根据实际输出电压U1和氨气浓度C之间的关系曲线，将曲线分成2个部分，第一部分是氨气浓度在10 ppm～50 ppm之间，得到拟合电压U与氨气浓度C的关系为

第二部分是氨气浓度在50 ppm～300 ppm之间，得到拟合电压U与氨气浓度C的关系为

经过拟合得到的U与实际测得的电压U1之间的误差小于0.05 V，在误差允许范围内。因此将电压U与浓度C之间的拟合关系编写在单片机固件程序中，以实现氨气浓度的测量，满足测量的要求。

4.2 响应时间和恢复时间

智能终端的响应时间主要是由传感器决定的，因此检测半导体传感器的响应恢复时间，就是智能检测终端的响应时间。

当氨气浓度为12 ppm时，检测的传感器的响应恢复特性如图7所示。其中把从传感器与氨气接触开始，到传感器阻值达到稳定值的110%所需要的时间定义为响应时间；当氨气被迅速排空后，传感器输出的电阻值恢复到初态时的90%所花费的时间为恢复时间。其响应时间约为19 s，恢复时间约为129 s。传感器的响应时间较短，恢复时间较长，但是可以满足智能检测终端实时检测氨气浓度的要求。

图7 传感器的响应恢复特性Fig.7 Response-recovery features of the sensor

5 结语

本文通过半导体传感器、单片机以及无线传输模块设计并制作了氨气智能检测终端，可检测氨气浓度范围为5～500 ppm，响应时间约为19 s，能实时显示氨气浓度，具有声光报警功能，可以满足智能检测终端实时检测的要求。采用的模块化设计可派生出多种气体的检测方案，发展潜力较大，前景广阔。

[1]张潜，王立人，杨祥龙，等.养殖场氨气检测方法研究现状[J].农业环境科学学报，2007，26（增刊）：309-312.

[2]赵笑宇，李宝华，赵良羽，等.便携式氨气检测仪[J].传感器与仪器仪表，2007，23（6-1）：143-145.

[3]韩英梅，赵建平，白慧静.基于DHT11的无线温湿度传感器网络节点的设计[J].井冈山大学学报：自然科学版，2011（1）：67-70．

[4]吕强，刘玉华，刘志军，等.基于ZigBee技术的无线温湿度检测终端设计[J].科学技术与工程，2008（23）：6231-6235．

[5]崔妮，关咏梅，郭涛，等.基于ZigBee的采煤机监测系统的设计[J].自动化与仪表，2015，30（7）：29-32.

[6]陈祥，薛美盛，王俊，等.基于ZigBee协议的温室环境无线测控系统[J].自动化与仪表，2007，22（3）：39-41，50.

[7]张强，管自生.电阻式半导体气体传感器[J].仪表技术与传感器，2006（7）：1-5．