基于STM32的便携式臭氧检测仪设计

郝雅静 郝欣 成俊娜 孙喜堂 宋春丽

摘 要：臭氧浓度的检测是环境监测的重要指标。该文设计了一款准确度高、响应迅速、操作简单的便携式臭氧检测装置。该装置利用基于紫外吸收原理的臭氧测量模块，采用高清串口显示屏作为输出和操作终端，以STM32F1系列单片机作为主控芯片，设计了系统供电电路、AD采集电路以及臭氧测量模块和显示屏的控制电路等。实验测试结果表明，该检测仪的示值误差、重复性测试以及响应时间等参数满足目前臭氧测量仪器的行业标准。

关键词：STM32 臭氧监测 紫外吸收原理 便携式

中图分类号：TH83文献标识码：A   文章编号：1672-3791（2022）03（a）-0000-00

TheDesign of aportable ozone detector based on STM32

HAO YajingHAOXinCHENGJunnaSUNXitangSONGChunli

（The 718th Research Institute of CSSC，Handan，Hebei Province，056000 China）

Abstract： Ozone concentration detection is an important environmental monitoring index. A portable ozone detector with the high accuracy， quick response-time and simple operation is designed in this paper. An ozone measurement module based on UVpcx is used in the detector， and an high-definition serial screen is used as the output and operation terminal. Based on STM32F1， the system power-supply circuit， AD acquisition circuit， ozone measurement module and the display control circuit aredesigned. The experimental results show that the measurement instrument， such as the error of indication， the repeatability and the response time， can meet the current industrial standards of ozone measurement instruments.

Key Words： STM32; Ozone Monitoring; UVpcx; Portable

臭氧是氧气的同素异形体，常温下带有特殊的气味。地球的平流层中，低浓度臭氧可以保护地球表面免受有害紫外线的照射;臭氧也会出现在对流层，是人类的一些生产活动产生的，比如钢铁、建材、火电等行业和燃煤锅炉、机动车船等排放的氮氧化物，石化、化工、工业涂装、包装印刷等行业排放的挥发性有机物，这些污染物在太阳光和热的作用下形成以臭氧为主要成分的光化学烟雾污染[1]。光化学烟雾污染严重影响了人类生存环境[2]，因此要加强对臭氧的有效检测，才能从源头上治理。

1系统总体架构

目前常用于臭氧检测的方法有碘量滴定法、分光光度法、化学发光法和紫外吸收法等。其中，紫外吸收法以其操作简便、反应灵敏等特点，已成为臭氧测量的主流方法[3]。该文选用一款基于紫外吸收原理的臭氧检测模块，搭配STM32F1系列单片机和基于RS485协议的串口显示屏，设计密闭性好、吸附性小的气路，构成一套功能完整的臭氧检测设备。同时考虑测量现场的复杂多样性，配备锂电池充电装置，满足在无交流电情况下的测量需求[4-5]。

2系统结构设计

2.1硬件系统

2.1.1传感器模块

采用崂应臭氧测量光学模块，该模块以紫外吸收技术为核心，具有测量精度高、响应时间快、轻便可靠等优点。该传感器测量范围为0～1000nmol/mol，测量时，将待测气体以恒定流速抽入测量模块，经颗粒物过滤器和除湿器后分成两路，其中一路经过臭氧洗涤器后作为参考气体进入UV吸收池，一路气体作为待测气体直接进入UV吸收池，两路气体由电磁阀控制，通过测量两路气体在臭氧特征吸收波长处的光强，获得待测气体中臭氧的吸光度，通过吸光度的大小可以计算臭氧的浓度[6]。

2.1.2 AD采集模块

该检测仪内置锂电池，为了实时观测电池电量，利用STM32的AD采集功能模塊和定时器模块，定时采集电池电量信息。为了提高AD采集的准确度，多次采集取平均值，经过单片机分析处理，利用串口显示屏实现电量变化的图形化显示。其中，AD采集模块的电路图如图1所示。光耦合器实现了输入端和输出端的电气隔离，同时可将输出电压转换到STM32 ADC的检测范围内。

2.1.3 供电模块

该检测仪通过锂电池为系统提供12V的稳定电源，经过两级压降，可满足系统各模块的电压需求。

2.2软件系统

该检测仪软件系统包括STM32硬件控制程序和显示屏控制程序。STM32硬件控制程序基于C语言在Keil的uVison5上设计开发，主要完成实时数据采集、解析处理和实时数据传送等功能，其工作流程图如图2所示。显示屏控制程序基于VisualTFT软件开发环境设计开发，实现系统人机交互，完成实时数据显示、零点量程校准、流量标定和查询设备信息等功能[7]。

系统上电后，先进行初始化，定时去采集传感器实时数据和电量信息，并通过显示屏更新显示。显示屏上进行的操作也经硬件控制程序解析处理，转化成传感器指令去获取传感器相关信息，同时对传感器反馈的指令进行处理显示。

3仪器校准测试

3.1仪器校准

3.1.1零点校准

仪器测量前需进行零点校准和量程校准。进入零点校准界面，启用零点校准功能，通入零气。观察浓度值变化，待浓度值稳定后进行校准。零点校准后，零气的测量值28 s已经趋于稳定。

3.1.2量程校准

为了满足仪器在全量程范围内测量的准确性，量程校准采用满量程80%～100%范围内的标准气体进行。进入量程校准界面，读取当前量程校准系数，通入800nmool/mol的标准浓度臭氧气体，待浓度值稳定后计算新的量程校准系数，完成量程校准。量程校准可以多次进行，直至得到满意的校准结果。

3.2仪器性能测试

3.2.1示值误差

仪器通电预热后，进行零点和量程校准。然后依次通入浓度分别为200nmol/mol，500nmol/mol和800nmol/mol的标准气体，记录仪器稳定示值。每点测3次，所测的数据如表1所示。3次测量的平均值分别为204.77nmol/mol，512.53nmol/mol和808.98nmol/mol，计算的示值误差分别为0.48%，1.25%和0.9%，取其中绝对值最大值，该仪器的示值误差即为1.25%。

可以看出，该检测仪的示值误差出现在满量程50%的位置，这是由于仪器校准采用的是零气和满量程80%的标气进行的，这就导致离校准点较远浓度的测量值误差较大。但是仪器的示值误差在相关标准要求的范围内[8]，故可用此方法对其进行校准。

3.2.2重复性

实验时先通零气对仪器进行调零，再通入浓度为500nmol/mol的标准气体，待示值稳定后读值。重复测量6次，所测数据如表2所示。

计算的检测仪的重复性为0.29%，满足《臭氧气体分析仪检定规程》中仪器重复性不大于2%的要求。

3.2.3响应时间

通入零点气体调整检测仪零点，通入500nmol/mol的臭氧标准气体，读取稳定示值，停止通气，让仪器回到零点。再通入上述标准气体，记录示值升值稳定值的90%所需时间，重复3次，测试数据如表3所示，计算的平均时间26.67S即为仪器的响应时间。

4结语

该文设计的基于STM32的便携式臭氧检测仪，可实现0～1000nmol/mol范围内臭氧的测量，示值误差1.25%，重复性为0.29%，响应时间26.67 s。可通过显示屏对仪器进行校准，可应用在无交流电源的环境，并能实时观察仪器的电量情况。经过反复多次测量，该仪器运行稳定，反应灵敏，可实现对臭氧的精准测量。

参考文献

[1] 徐怡珊，文小明，苗国斌，等.臭氧污染及防治對策[J].中国环保产业，2018（6）：35-38.

[2] DREW B D，XIANG J B，JinhanMo，etal.Association of Ozone Exposure With Cardiorespiratory Pathophysiologic Mechanisms in Healthy Adults[J].JAMA Internal Medicine，2017，177（9）：1344-1353.

[3] 郭淑萍.基于紫外光谱分析的大气臭氧浓度检测仪的研究与实现[D].石家庄：河北科技大学2020.

[4] 叶花，张春花，农永光.基于紫外吸收法研究便携式大气臭氧分析仪[J].价值工程，2019，38（33）：169-170.

[5] 徐彩军.一种便携式臭氧浓度测量仪的研制[J].中国计量，2020（8）：65-67.

[6] 吴娟，迟颖，冯东方，等.基于双光室的自校准臭氧分析仪的设计与实现[C]//科学出版集团.2021第五届能源，环境与自然资源国际会议论文集，2021：79-82.

[7] 李裕荣，邱健， 彭力，等.基于紫外吸收的单光室大气臭氧浓度分析仪[J].自动化与信息工程，2017，38（2）：15-21.

[8] 中国计量科学研究院.臭氧气体分析仪检定规程：JJG 1077-2012[S].北京：中国标准出版社，2012：6.