基于ARM的三氟甲磺酸气体泄漏检测仪的研发

翟奇

摘要：为提高在应用三氟甲磺酸的工作环境下的安全管理强度和环境监控力度，设计了一个以STM32F103VET6微控制器为核心的便携式气体检测仪。使用空气质量传感器与空气温湿度传感器共同约束检测三氟甲磺酸气体泄漏，设计了间接的方法检测该物质。主要介绍了检测仪的数据采集电路，电源电路等及系统主程序，数据采集与滤波子程序等，完成硬件系统软件系统的设计。

关键词：三氟甲磺酸；ARM；软件设计；硬件设计；气体检测

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）33-0248-02

1 背景

三氟甲磺酸是一种超强有机酸，近年来广泛应用于医药，塑料产业，电子化工等方面。三氟甲磺酸在生产使用过程中难免会发生泄漏，而它易挥发，有强腐蚀性质，暴露在空气中对工作人员将造成极大的伤害与威胁。对揮发出来的三氟甲磺酸气体尽行快速，准确的检测。能有效降低工作人员的危险，同时提高工作效率。但目前，国内并没有专业的传感器探头供检测该种物质泄漏。因此，迫切需要设计一款价格合理，操作简单，易携带的现场三氟甲磺酸气体泄漏检测仪。

2 三氟甲磺酸检测仪总体方案

气体检测仪是利用传感器元件与调理电路相结合从而得到目标气体浓度相关数据的仪器，为保证其应用过程中的准确性和实时性，同步配置有显示装置和报警装置。气体检测仪基本组成是气体传感器，MUC控制模块，信号处理模块，电源模块，警报模块等。应用STM32处理器作为该次设计检测仪器的关键元件，在有限的条件下，尽量减少其功耗，保证其续航能力。设计采用空气质量传感器与温度传感器传感器，空气质量传感器将采集到的电信号经过调理电路放大处理，传送给数模转换，将传感器采集到的模拟信号转换为数字信号，得到的数字信号与预先设计好的报警阈值比较，大于设定值时显示警报信号。一个气体检测的基本结构组成由图1所示。

3 三氟甲磺酸气体检测硬件设计

3.1 气体信号采集电路设计

气体信号采集用两种传感器约束，空气质量传感器TGS2600，湿度传感器DHT11。由于三氟甲磺酸在空气中暴露回挥发白烟，且吸湿性很强，所以判定该物质泄漏时，首先空气质量传感器采集到浓度变化，并且空气湿度发生变化时，检测仪报警。

3.1.1 空气质量传感器

系统采用TGS2600空气质量传感器，是半导体传感器。如果空气中存在检测气体，该气体的浓度越高传感器的电导率也会越高。其采集到的输出电流信号微弱，控制芯片STM32F103无法识别判断气体浓度， 需要信号调理电路将信号放大到A/D转换器能够处理的范围。

3.1.2 空气湿度传感器

DHT11与STM32之间的通讯方式采用单总线通讯，简单方便，仅一个I/O口就可实现通讯。传感器内部湿度和温度数据40Bit的数据一次性传给单片机，DHT11的功耗很低，若在5V的工作电压下，平均最大电流只有0.5毫安。

3.2 电源电路设计

电源模块是整个平台系统最基础同时也是最重要的模块，没有电源供应是不可能工作检测气体的。该设计系统使用3.7V单节2000mA 锰酸锂电池，使用两节锰酸锂电池并联形成 4000mAh/3.7V。电池组充电最高电压为4.2V，该设计电池组为本安型，设计一个F1为750mA保险，保护锂电池，短路时断开电路。

3.3 RS485通讯电路设计

通讯电路采用RS485通讯方式，与外部设备进行连接。在传统的电路上进行改进，可自动收发信息SP3485是符合RS-485串行协议的+3.3V低功耗半双工收发器.设计采用自动收发的RS485，RO接单片机的RXD引脚，RE与DE接单片机的CTRL引脚，DI接TXD引脚。TXD发1，AB发1；TXD发0，AB发0。在接收数据的过程中，TXD引脚一直保持高电平，当TXD是高电平时，RE是低电平，此时调理成接收状态，485芯片的RO引脚（接RXD的引脚）就会反应AB传输过来的数据。

4 三氟甲磺酸气体检测软件设计

三氟甲磺酸气体泄漏检测仪的软件编程使用C语言，对应硬件的模块化设计，对功能划分，软件编写同样采用模块化设计。气体检测仪主程序流程如图所示。系统处于关机状态，长按3s开机，检测仪进行程序初始化，然后开始随后开始进行三氟甲磺酸气体泄漏检测，将传感器采集到的数据经调理电路数据处理后进行数模转换，之后送入单片机处理将信息显示到OLED屏上。此时将采集到的浓度信息与系统设定好的报警值对此，如超过则声光报警，同时可通过485通讯方式将报警信息传输给周围设备，及时采取措施。过程中扫描是否有按键按下，有则执行相应子程序，没有则继续进行主程序循环，检测气体浓度信息。可定期对锂电池进行扫描，查看电池电压使用情况，欠压时及时报警充电。软件流程图见图2所示。

4.1 数字滤波

该设计采用中位值平均滤波算法，一般情况下，气体浓度的变化比较缓慢，因此在气体检测行业中，中位平均值波方法是一种较为普遍的方法。此次使用的中位值平均滤波算法是兼顾了中位值滤波法和算术平均滤波法各自的优势，基本不会受到采集时偶然出现脉冲干扰，避免部分电信号的定时干扰，保证了过程中采样值的准确性本，对周期干扰有良好的抑制作用，缺点是计算速度较慢。

首先将传感器收集到的N个数据A={X1，X2，X3……XN-2，XN-1，XN}按从小到大的顺序进行排列，再从中去掉首尾的最大值和最小值，对剩下的数据求平均值。即得滤波后的值为：

5 试验

该设计基于ARM的三氟甲磺酸的硬件电路设计达到设计要求，测量值可反应出气体泄漏，并能实时反馈给单片机。所测量的结果如汇总见表1所示。

根据其物理性质检测三氟甲磺酸气体泄漏，主要有两个条件为约束，在检测到气体浓度变化的同时，空气中湿度必然发生变化。在不同浓度下空气湿度的测试结果见表2所示。很明显看出，当气体泄漏浓度增加，空气中湿度减少，浓度越高，湿度变化越明显。

6 结束语

介绍了检测仪的硬件电路与软件设计，包含传感器信号采集电路、通讯电路、系统的主程序和子程序，对接收到的传感器非线性信号，进行处理，设计合理的数据处理算法得出准确的气体浓度值及报警信号。完成试验设计与调试，实现在线实时检测，用以解决三氟甲磺酸气体泄漏的工程问题，以此对特殊气体检测提供思路。

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