姚小芳，劉 洋，孫 磊，馮僑華

（哈爾濱理工大學 測控技術與通信工程學院 測控技術與儀器黑龍江省高校重點實驗室，哈爾濱 150080）

氨氣是一種有毒、無色而有強烈刺激性臭味的氣體，水溶解度頗高，故常被吸附在動物的皮膚粘膜和眼結(jié)膜上，從而對其產(chǎn)生刺激并引發(fā)各種炎癥，影響動物的生產(chǎn)和生長。而且養(yǎng)殖場高溫高濕的環(huán)境會使養(yǎng)殖場內(nèi)的物體腐爛而發(fā)出霉臭味，同時也會加速沒有及時清理的糞便腐化，從而導致氨氣等有毒氣體的濃度急劇增加，因此養(yǎng)殖場中溫濕度和氨氣濃度的檢測非常重要[1]。

目前氨氣檢測研究中[2]，電化學氨氣傳感器由于測量精度高、測量范圍廣，廣泛應用于各種現(xiàn)場檢測。而現(xiàn)在為了保護人員的人身安全，避免監(jiān)測者直接受到危害，監(jiān)測大面積有毒環(huán)境時，多采用低功耗、低成本和分布式的無線傳感器網(wǎng)絡技術[3-6]。無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)量大而且還處在隨時變化的環(huán)境中，電化學傳感器因為價格昂貴、性價比低，不能滿足智能檢測終端的要求。

為了彌補這種不足，本文根據(jù)半導體傳感器測量范圍廣、適應復雜環(huán)境能力強等特點[7]，采用半導體氨氣傳感器、溫濕度傳感器、無線傳輸模塊構(gòu)成氨氣智能檢測終端，對養(yǎng)殖場進行溫度、濕度和氨氣濃度的檢測，具有低功耗、低成本和耐用等優(yōu)點。當養(yǎng)殖場面積大時，還可增加監(jiān)測節(jié)點組成無線傳感器網(wǎng)絡，既避免監(jiān)測者直接受到危害，又可監(jiān)測養(yǎng)殖場的環(huán)境參數(shù)。

1 工作原理

本文設計的氨氣智能檢測終端，既能現(xiàn)場檢測氨氣濃度，又可作為節(jié)點將檢測結(jié)果發(fā)送到主機上，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。系統(tǒng)由氨氣濃度測量、溫濕度測量、顯示報警、無線通信、以單片機為核心的數(shù)據(jù)采集處理部分、電源管理組成。

圖1 氨氣智能檢測終端結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Ammonia intelligent detection terminal structure diagram

系統(tǒng)在實際工作時，氨氣測量部分、溫濕度測量部分把相應的參量分別轉(zhuǎn)換為電壓信號、數(shù)字信號傳送給STM32F103芯片核心處理部分，控制芯片對采集到的數(shù)據(jù)進行處理同時在LCD上顯示出來。在STM32F103芯片的Flash中存儲著用戶設定好的氨氣濃度報警值，當測量的氨氣濃度超過報警值時則單片機控制進行聲光報警，以此提醒用戶采取措施。聲光報警為蜂鳴器和紅色LED小燈的同節(jié)奏鳴響和閃爍。如果用戶想改變報警值則可以通過鍵盤進行設置，設置完成后報警值會被重新保存到Flash中，其值不會因為掉電而丟失。SIM900A無線傳輸模塊完成傳感器節(jié)點和中心接入點之間的指令和數(shù)據(jù)的收發(fā)。電源管理模塊負責電量管理，為各個模塊提供穩(wěn)定、可靠的供電。

2 硬件電路設計

本文主要設計了電源電路、半導體傳感器和溫濕度傳感器調(diào)理電路等幾個模塊。

2.1 電源電路

本系統(tǒng)需要的電源電壓類型有半導體氨氣傳感器模塊的DC+5 V、主電路板需要的DC±5 V直流電壓、單片機需要的DC+3.3 V直流電壓，系統(tǒng)的總輸入電源是AC 220 V，轉(zhuǎn)化為12 V電壓需要先降壓、再整流、穩(wěn)壓，如圖 2（a）。+3.3 V電源由ASM1117-3.3從DC+5 V得到。AC 220 V電源首先經(jīng)過總開關，再經(jīng)過過流保護管后接入開關電源，電路原理如圖2所示。

圖2 電源電路Fig.2 Power circuit

電源電路使用LM7805和LM7905三端穩(wěn)壓IC組成穩(wěn)壓電源，所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流過熱及調(diào)整管的保護電路，功耗大，具有可靠、方便、價格便宜的優(yōu)點。適用于半導體傳感器這種需要加熱的傳感器，使用電容濾波。另外在輸出電流上留有一定的余量，以避免個別集成穩(wěn)壓電路失效時導致其他電路的連鎖燒毀。

2.2 半導體傳感器調(diào)理電路

本系統(tǒng)采用的半導體氨氣傳感器為MQ137，其敏感體表面電阻為2 kΩ～10 kΩ，將傳感器輸出的電阻信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柌⑦M行放大，放大采用OP07，OP07具有很低的輸入失調(diào)電壓，所以在使用時不需要額外的調(diào)零措施。該運算放大器還具有輸入偏置電流低、高共模抑制比和長期穩(wěn)定性的優(yōu)點，所以適用于獲得穩(wěn)定的信號和放大傳感器的微弱信號等方面。本文設計的半導體氨氣傳感器信號調(diào)理電路如圖3所示，設計放大倍數(shù)為200，對應5～300 ppm氨氣濃度，信號調(diào)理電路的輸出為0.6～3.3 V。

圖3 半導體氨氣傳感器調(diào)理電路Fig.3 Semiconductor ammonia gas sensor conditioning circuit diagram

其電路原理推導如下：

調(diào)理電路的第一個OP07運算放大器的作用是獲得一個穩(wěn)定的小信號電壓，其輸入阻抗為R2，輸出電壓為Uo1，則：

由式（1）計算得出，第1個反向放大電路獲得了一個約100 mV的穩(wěn)定電壓。

調(diào)理電路的第2個OP07運算放大器的作用是放大穩(wěn)定的小信號電壓，其輸入阻抗為R6，輸出電壓為 Uo2，則：

其中，滑動變阻器R7相當于傳感器，用不同的電阻代替遇到不同濃度的氨氣時傳感器的輸出電阻值，以便于模擬智能終端的工作原理，輸出電壓的范圍為0.6～3.3 V，方便單片機的讀取與處理。調(diào)理電路中的2個電容C1、C2用于濾波。

2.3 溫濕度傳感器的調(diào)理電路

DHT11溫濕度傳感器由電阻式感濕元件、NTC測溫元件及1個高性能的單片機組成，所以其響應時間快、抗干擾能力強、性能優(yōu)良。溫濕度芯片接口電路如圖4所示，連接長度不足20 m時需要接入1個5.1 k的上拉電阻。DHT11的工作電壓為3.3～6 V，傳感器通電后，為了度過非穩(wěn)態(tài)階段必須要等待1 s，這段時間無需任何動作指令，然后微控制器向DHT11發(fā)送1次開始信號，DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚倌Ｊ剑却鳈C開始信號結(jié)束后，DHT11發(fā)出相應信號并發(fā)送數(shù)據(jù)。同時為了去耦合和濾波考慮需要在芯片的電源引腳和接地之間增加1個l00 nF的電容。

圖4 溫濕度芯片接口電路Fig.4 Temperature and humidity chip interface circuit

3 軟件設計

智能檢測終端以STM32F103為控制核心，輔助外圍電路，通過軟件使系統(tǒng)變得智能化。本系統(tǒng)的下位機硬件程序是用C語言編寫的，軟件實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制，對數(shù)據(jù)的處理和運算。其軟件主流程如圖5所示。系統(tǒng)上電復位后，先對微處理器初始化，設置定時器，單片機進行一系列工作后在LCD屏上顯示環(huán)境溫濕度和氨氣濃度，并在氨氣濃度超過設定報警值時進行聲光報警。

圖5 軟件主流程Fig.5 Software main process diagram

4 實驗結(jié)果及分析

4.1 實驗測量數(shù)據(jù)分析

采用靜態(tài)法檢測設計的傳感器調(diào)理電路的性能，分別將10～300 ppm之間不同濃度的氨氣注入試驗箱中，調(diào)理電路實際輸出的電壓值為U1，通過Matlab軟件擬合得到與氨氣濃度相對應的電壓U的關系，如圖6所示。

圖6 氨氣濃度與輸出電壓的關系Fig.6 Diagram of ammonia concentration and output voltage

為了精確地得到電壓與氨氣濃度之間的關系，本文通過Matlab軟件擬合，根據(jù)實際輸出電壓U1和氨氣濃度C之間的關系曲線，將曲線分成2個部分，第一部分是氨氣濃度在10 ppm～50 ppm之間，得到擬合電壓U與氨氣濃度C的關系為

第二部分是氨氣濃度在50 ppm～300 ppm之間，得到擬合電壓U與氨氣濃度C的關系為

經(jīng)過擬合得到的U與實際測得的電壓U1之間的誤差小于0.05 V，在誤差允許范圍內(nèi)。因此將電壓U與濃度C之間的擬合關系編寫在單片機固件程序中，以實現(xiàn)氨氣濃度的測量，滿足測量的要求。

4.2 響應時間和恢復時間

智能終端的響應時間主要是由傳感器決定的，因此檢測半導體傳感器的響應恢復時間，就是智能檢測終端的響應時間。

當氨氣濃度為12 ppm時，檢測的傳感器的響應恢復特性如圖7所示。其中把從傳感器與氨氣接觸開始，到傳感器阻值達到穩(wěn)定值的110%所需要的時間定義為響應時間；當氨氣被迅速排空后，傳感器輸出的電阻值恢復到初態(tài)時的90%所花費的時間為恢復時間。其響應時間約為19 s，恢復時間約為129 s。傳感器的響應時間較短，恢復時間較長，但是可以滿足智能檢測終端實時檢測氨氣濃度的要求。

圖7 傳感器的響應恢復特性Fig.7 Response-recovery features of the sensor

5 結(jié)語

本文通過半導體傳感器、單片機以及無線傳輸模塊設計并制作了氨氣智能檢測終端，可檢測氨氣濃度范圍為5～500 ppm，響應時間約為19 s，能實時顯示氨氣濃度，具有聲光報警功能，可以滿足智能檢測終端實時檢測的要求。采用的模塊化設計可派生出多種氣體的檢測方案，發(fā)展?jié)摿^大，前景廣闊。

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