基于STM32的工业有毒有害气体检测系统

刘 波，赵晓庆

（山东工商学院 信息与电子工程学院，山东 烟台 264003）

0 引 言

伴随着科学技术的迅速发展，人类各方面的发展水平都有了显著提升。但与人类发展相对应的，是自然环境的污染越来越严重，最为显著的是大气质量急剧恶化。环境问题已经不单单是一个国家的责任，而是上升为全人类的责任。当前，对大气环境和人类身体健康产生严重危害的就是工业排放的有毒有害气体，比如硫化氢、氨气、总挥发性有机物等。20世纪以来，工业大发展，尤其是重工业的发展，化石燃料的燃烧排放大量有毒有害的气体，对人类和全球环境的危害极其严重。人类已经意识到问题的严重性，植树造林、退耕还林、减少排放等政策正在施行，同时加强监测、净化空气也势在必行[1]。

本文设计了一种集H2S（硫化氢）、NH3（氨气）、TVOC（总挥发性有机物）于一体的工业有毒有害气体检测系统，它不仅具有实时检测、显示、报警等基础功能，还具备远程数据传输功能，使得外部人员能够实时了解工业环境信息。如遇到气体泄漏等紧急情况，能够尽快采取相应的处理措施，将大大减少人员伤亡和环境污染[2]。

1 总体设计方案

本系统能够在混合气体中同时检测3类气体的浓度（H2S、NH3和TVOC）。首先，气室收集混合气体，气室内设有H2S、NH3和TVOC三类气体传感器，除此之外，气室内还设置了温湿度传感器，以检测当前环境的温度和湿度。混合气体与相应气体传感器进行充分接触后，检测的气体浓度信号经传感器内部的化学反应后，产生与气体浓度呈线性关系的微弱电流信号[3]，经调理电路处理得出相应的电压值，送入STM32F103VET6的ADC进行数据处理，然后通过OLED显示。同时，还可以通过蓝牙将检测结果传送到手机APP进行分析处理。

系统将STM32F103VET6微处理器与传感器和无线传输模块结合，设计了一种有毒有害气体检测装置，主要具有以下功能：

（1）能够精准检测H2S、NH3和TVOC等常见的工业有毒有害气体的浓度；

（2）能够将浓度信息显示在OLED显示屏上；

（3）具有声音报警功能；

（4）具有气体浓度信息无线蓝牙传输功能。

本系统的结构框架如图1所示。

图1 系统结构

2 硬件结构设计

2.1 微处理器

系统采用的处理器为STM32F103VET6，该芯片为32位ARM微控制器，以Cortex-M3为核心，频率高达72 MHz，可满足系统的实时性需求[4]。该芯片有3个12位ADC，3个SPI接口，2个I2C接口，5个串口，以及48 KB的SRAM和256 KB的FLASH，便于无线通信[5]。STM32F103VET6最小系统电路如图2所示。

图2 STM32F103VET6最小系统电路

2.2 传感器

本设计采用电化学传感器对H2S和NH3进行检测，用PID（光离子化检测器）对TVOC进行检测。电化学传感器具有良好的重复性、准确性和分辨率，精度高、功耗低，相比其他气体检测方式更经济；PID传感器具有精度高、响应速度快、寿命长、对检测气体无破坏等优点[6-7]。此外，系统还配备了温湿度传感器，以便随时监测环境的温度和湿度。PID传感器电路如图3所示，温湿度传感器电路如图4所示。

图3 PID传感器电路

图4 温湿度传感器电路

2.3 电源模块

本装置采用外接电源和电池双供电，电源输入电压为24 V，电源输入电路如图5所示，传感器电源电路如图6所示。

图5 24 V电源输入电路

图6 传感器电源电路

2.4 通信模块

通信模块电路WH-BLE103通过超低功耗蓝牙4.2模块完成与上位机的通信，利用蓝牙通信将数据传送至上位机实现数据的存储和分析。WH-BLE103模块电路如图7所示。

图7 蓝牙模块电路

2.5 显示模块

设备通过OLED显示，具有良好的人机交互界面。随着显示技术的发展，人们对信息显示方式的要求也不再局限于数字，还包括字符、汉字和图片等。OLED显示屏因功耗低、显示内容丰富而得到广泛使用。本设计选择一款128×64的点阵OLED，其电路如图8所示。

图8 OLED显示电路

3 软件设计

3.1 主程序

主程序主要包括系统初始化、传感器采集、信号处理、无线收发、液晶显示、超标报警等子程序。系统采集气体并检测H2S、NH3、TVOC的浓度，通过对比分析后，由OLED屏显示检测值，并通过蓝牙传输，将数据信息发送至手机APP，方便人们随时监测数据。系统主程序流程如图9所示。

图9 系统主程序流程

3.2 通信模块软件设计

系统采用蓝牙连接上位机与设备，上位机与设备之间的通信协议命名为JMQ102，能够传输的命令类型为：模式设置、发送实时数据、读取校准参数、参数写入设备、重置相应传感器参数、读取设备信息、修改设备信息、主动发送环境参数、主动发送设备时间以及时间同步。JMQ102校准通信协议如图10所示。

图10 JMQ102校准通信协议

4 实验与分析

4.1 硬件调试

本系统的硬件电路和PCB原理图使用Altium Designer软件绘制[8]。为方便调试，将3个传感器安装在电路板上，焊接元器件后，用万用表测试，在确保硬件电路正常的情况下，烧录程序并调试[9]。气体检测部分的实物如图11所示。

图11 测试实物

4.2 手机APP

测试人员可在手机APP上设置相应参数并获取各气体的浓度信息，随时了解工业环境气体浓度并及时做出响应。手机APP信息界面如图12所示。

图12 APP信息界面

4.3 仪器测试

选择的测试环境温度为20 ℃，湿度为50%RH。将不同浓度的待测气体通过气室送给传感器，待检测系统检测到的浓度数值稳定后，记录数据。测试数据表明，进行检测的各待测气体浓度数值均处于合理的误差范围内。测试结果见表1所列。

表1 测试误差数据表

5 结 语

本文设计的工业有毒有害气体检测装置可以实现多种气体的检测与精准监测，与传统的气体检测装置相比，该装置集H2S、NH3、TVOC传感器于一体，测量精度高，操控方便，还可无线传输数据，大大提高了系统的工作效率。在工业园区开放环境中，系统内部的蓝牙模块可第一时间将实时信息传输到监测人员终端，一旦有气体泄漏，可以立即采取相应措施，减少人员伤亡与环境污染[10]。