石俊杰 吳正平 馮小進 吳迪云

【摘要】介紹了基于STM32的氧含量檢測儀的設計思路與實現過程。以STM32RCT6為控制核心，采用雙氧化鋯氧氣傳感器O2S-FR[1]實現氧含量的測量，設計了熱電偶的測溫補償電路以及氧化鋯傳感器的信號處理電路。詳細闡述了該系統(tǒng)構成系統(tǒng)的軟硬件設計。氧含量數據可通過LCD顯示或通過串口上傳給上位計算機。

【關鍵詞】STM32;嵌入式;氧化鋯氧傳感器

在工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)學和環(huán)境等領域具有廣泛的應用，含氧量的分析對于生產過程有著重要的意義[2]。以往的微控制器實現測量，需要耗費大量的時間和精力設計外圍電路，其系統(tǒng)設計的軟硬件較為復雜、開發(fā)難度大、成本高，不利于安裝和生產[3]。相比基于FPGA的氧化鋯分析儀，以STM32為核心，利用片內的可編程數字陣列和高精度模擬資源，將外圍控制電路單元集成在單片上，能大大提高項目開發(fā)的效率、靈活性和可靠性[4]。本設計采用ST公司的STM32作為控制核心，使用英國SST公司的動態(tài)高精度氧化鋯氧氣傳感器作為檢測元件，具有結構簡單、響應快、量程廣、運行可靠、校準時不需要參比氣體等優(yōu)點。

1.氧含量檢測儀的系統(tǒng)結構

本檢測儀的系統(tǒng)結構如圖1所示，它由上位機通過串口通信與以STM32為核心的測量模塊相連。測量部分由恒流源、LCD顯示、氧化鋯氧氣傳感器、測量電路等部分組成，STM32核心部分負責被測信號的采集、運算、存儲、結果顯示、通信管理等工作。

圖1 氧含量檢測儀系統(tǒng)框圖

1.1 氧化鋯氧氣傳感器測氧原理

在650℃高溫以上，穩(wěn)定的氧化鋯（ZrO2）能夠部分電解產生移動的氧離子，氧化鋯電極上通以恒定的直流源，電極的陽極就會釋放大量游離的氧離子。根據法拉第電解第一定律，氧離子與被傳送的電荷呈正比，即電化學泵吸：

（1）

式中：N為被傳送氧氣的摩爾數;i為恒流;t為時間;z為氧離子的化合價;F是法拉第常數（F=96485C/mol）。而當氧化鋯兩端有氧氣壓差，就會產生能斯托電壓。氧壓比與能斯托電壓滿足能斯托方程[5]：

（2）

其中：kB是波爾茲曼常數（kB=1.38×10-23J/K）;T為氧化鋯元件工作溫度（℃）;e0是元電荷（e0=1.602×10-19C）;Ci是氧化鋯兩端氣體離子濃度（mol/kg）。O2S-FR型傳感器利用上述原理制成，其傳感元件由兩個氧化鋯方片組成，方片上涂有鉑電極，鉑電極起催化劑的作用，氧化鋯方片通過鉑電極隔開，形成了一個密封的傳感室，如圖3所示。其中一個氧化鋯方片連接到可逆恒流源起電化學泵吸作用，鉑電極Pump端和Common端之間通以可逆恒流源，根據恒流源的方向，氧離子通過該方片從一個電極移動到另一個電極，這就改變了傳感室內的壓力P2，另外一個方片隨著壓力P2的改變產生能斯托電壓，一個完整的泵周期就是抽空傳感器室再將其充滿所需要的時間，根據能斯托電壓的變化測量泵周期，而泵周期與氧氣濃度呈比例關系。

圖2 氧化鋯傳感器傳

圖3 傳感元件內部結構

1.2 片內測量電路和信號處理電路

由式（2）可知：

（3）

常溫下空氣中的氧含量一般為20.77%，取C2為1%，由式（3）可知：

含量為1%時：

（4）

當傳感器工作在750℃時，傳感器的靈敏度非常高，溫度每變化1℃，能斯托電壓的變化量為0.261mV。由于傳感器檢測的信號就是毫伏級的能斯托電壓，所以氧氣探頭內部加熱絲的供電電壓要比較穩(wěn)定，以降低測量誤差。本系統(tǒng)選用L5973D作為加熱絲的供電芯片，該芯片的輸出阻抗小，帶負載能力強，輸出精度高，抗干擾能力較強，能夠提供穩(wěn)定的供電電壓。O2S-FR型傳感器是一個5端傳感器如圖3所示，端口分別為Pump、Common、Sense、GND和加熱端。L5973D的輸出引腳則直接和加熱端相連，提供穩(wěn)定的加熱電壓。而測量時，需要Pump端和Common端之間通以40μA可逆的恒定電流（如圖2所示），這個過程，然后測量Sense端和Common端不斷地對傳感器室進行增壓和減壓，并重復的能斯托電壓V-sense作為傳感信號。

2.氧含量檢測儀的軟件設計

STM32平臺上的軟件設計是在Keil集成開發(fā)環(huán)境中硬件平臺基礎上實現的，主要由主程序、傳感器信號檢測和處理程序、中斷服務程序、串口通信程序和LCD12864屏顯示程序組成，經過一系列的編譯、鏈接最后生成十六進制文件，下載到芯片中[7]。在整個測量程序開始工作前，先進行顯示屏的初始化并顯示等待界面，然后進行各個元件的初始化，待傳感器加熱到一定溫度后才能啟動各個元器件同時開啟泵電流進行測量。根據設計流程調用元器件的子程序，計算氧含量。如果氧含量達到報警值，則發(fā)出報警信號，并停止泵電流，以免泵電流頻繁換向損壞傳感器。最后將氧含量的值在LCD顯示屏上顯示出來。在各個元件啟動的同時，允許定時器全局中斷。測量時，當傳感信號的幅值達到預定值時，即完成一次抽空傳感器室的時候，就要改變恒流源的方向使傳感器室增壓。由于能斯托電壓具有較強的溫度依賴性，故測量泵周期時要考慮氧化鋯方片在通以恒流源時空間電荷層的影響，要盡可能地消除溫度依賴性。故在測量時選取預定的能斯托電壓值作為恒流源翻轉的參考值，為了減少泵電流轉向點的空間電荷層的影響，選擇的預定參考值要遠離翻轉點的能斯托電壓值。圖4是用數字示波器測得的經過放大后的能斯托電壓波形圖，能斯托電壓從V1上升到V5時，40μA電流從Pump端流向Common端，電化學泵開始抽空傳感器室。相反，能斯托電壓從V5下降到V1的過程中電流反向，傳感器室開始增壓，能斯托電壓開始下降，V1和V5就是電化學泵電流翻轉時的能斯托電壓值。設計中采用傳感器廠商推薦的能斯托電壓值，V1到V5的推薦值分別為40mV、45mV、64mV、85mV和90mV。任意選取一段完整的波形，將能斯托電壓從V2上升到V3，從V3上升到V4的時間分別記為T1、T2，從V4下降到V3以及從V3下降到V2的時間分別記為T4、T5。本設計采用兩個通用定時器Timer1和Timer2，對T1、T2、T5和T4進行定時計數，由于計數值有一定的波動，在此采用限幅平均濾波算法消除計數值對測量結果產生的不穩(wěn)定因素，即將每次采到的數據先進行限幅處理，再送入隊列進行平均濾波處理。利用處理后的時間值就可以計算出改進周期td=（T1-T2）+（T5-T4），再結合換算關系推算出傳感器所處環(huán)境下的氧分壓。氧分壓和改進周期的關系如下：

其中：O2為氧分壓;Td（Ave）為校準環(huán)境中的平均td;O2（Per）為校準環(huán)境中的氧分壓。

為保證儀器的長時間運行，設計中加入了看門狗防止程序跑飛，如果檢測到的氧含量達到報警值，在內部設計的報警電路能夠馬上發(fā)出報警信號，提醒操作者采取相應的措施。

圖4 傳感端的能斯托電壓

圖5 氧含量檢測儀

3.結語

基于嵌入式系統(tǒng)級芯片STM32的氧含量檢測儀與普通的微控制器設計的氧含量檢測儀相比，其豐富的片上資源使得外圍擴展器件少，降低了故障率。不僅節(jié)約了成本，縮短了開發(fā)周期，還大大擴寬了產品的升級空間。并對系統(tǒng)進行了標定，氧含量修正方程具有良好的線性。經過長時間的運作，該儀器能夠正確顯示如圖5所示，輸出的信號也正常。相信以嵌入式系統(tǒng)級芯片STM32為控制核心的控制方案一定能以其良好的靈活性和可擴展性被廣泛應用該于農業(yè)蔬菜大棚、煙道氧含量分析等領域[6]。

參考文獻

[1]劉怡忱，梁質林.氧化鋯傳感器工作特性研究[J].沈陽建筑工程學院學報，1991.

[2]姚素薇，郭萌.氧傳感器的研究與應用[J].傳感器世界，2004，10（3）：12-15.

[3]Robert J Phelan，Jr and A R Cook.Electrically calibrated pyro-electric op tical-radiation detector[J].Appl Opt，1973，12（10）：2494-2500.

[4]瑚琦，莊松林，顧玲娟等.基于單片機控制的ECPR光功率數據采集系統(tǒng)[J].儀表技術與傳感器，2006（2）：40-42.

[5]童詩白.模擬電路基礎[M].北京：高等教育出版社（4版），1988.

[6]楊邦昌，簡家文，段建華等.氧傳感器原理與進展[J].傳感器世界，2002，8（9）：1-8.

作者簡介：石俊杰（1987—），男，湖北黃石人，碩士，主要研究方向：微弱信號檢測技術。