鄭 蕊,王曉榮,吳 棋,李明朗,張冬華

(南京工業(yè)大學電氣工程與控制科學學院，江蘇南京 211816)

0 引言

為了更好地解決大氣污染問題，必須要加強大氣環(huán)境監(jiān)測力度。根據(jù)實時檢測大氣中污染物的濃度變化，從而分析大氣的質(zhì)量。傳統(tǒng)的大氣監(jiān)測技術(shù)主要是靠人工定時定點采樣的被動監(jiān)測技術(shù)[1]。隨著現(xiàn)代測量、控制以及自動化技術(shù)的發(fā)展，利用計算機、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，大氣監(jiān)測技術(shù)由被監(jiān)測轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣颖O(jiān)測，采樣范圍變寬，監(jiān)測項目增多。本文設計一種具有體積小、線性度好、響應時間快、穩(wěn)定性好以及人機交互友好等優(yōu)點的儀器。

1 微站的總體設計

根據(jù)微站要實現(xiàn)的功能要求以及監(jiān)測污染物的復雜性，微站的功能采用模塊化的設計。微站的工作流程大致是調(diào)理電路將傳感器采集的數(shù)據(jù)進行放大處理后傳送給主控制器，主控制器進行數(shù)據(jù)處理后實時將結(jié)果顯示在液晶顯示屏上，實現(xiàn)人機交互，同時支持無線通訊功能。微站的工作流程如圖1所示。

圖1 微站的工作流程

泵控模塊：將大氣泵入腔內(nèi)，加快大氣的流動速度，讓傳感器能更快感知大氣中各種參數(shù)的變化；

傳感器模塊：負責采集大氣中4種污染物的濃度以及環(huán)境的溫濕度，并對傳感器采集的信號進行處理；

主控制器：負責整個系統(tǒng)硬件的控制和管理工作，是整個系統(tǒng)的控制核心；

人機交互模塊：負責顯示被監(jiān)測污染物的實時濃度值、環(huán)境的溫濕度值，且用戶可通過觸摸屏查看歷史數(shù)據(jù)功能；

通訊模塊：支持無線通訊，便與后期進行數(shù)據(jù)遠距離傳輸。

2 微站的硬件設計

微站硬件設計的微處理器選擇工業(yè)級芯片STM32F4，該芯片工作頻率高達180 MHz，具有2M的Flash閃存，同時擁有豐富的I2C、SPI、ADC、UART等多個通信接口，能夠滿足儀器功能設計需求[2-3]。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括供電模塊、主控制器模塊、實時時鐘模塊、傳感器信號調(diào)理電路模塊、液晶顯示屏模塊、外部存儲器模塊以及通信模塊等。硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)框圖

2.1 泵控電路

本設計傳感器安裝采用內(nèi)嵌式，增加泵控電路是為了讓傳感器更快感知大氣中污染物的濃度變化。氣泵型號為KVP15-KM-1-C-A，具有低能耗、大流量、高壓、穩(wěn)定性好等特點，壽命長達8 000 h，工作溫度為0～40 ℃，工作電壓為12 V，啟動電流為1.2 A，氣體流量≥10 L/min。泵控電路采用MJE800G型號的達林頓管來驅(qū)動氣泵。氣體泵控制電路如圖3所示。

圖3 氣體泵控電路

2.2 泵控電路

針對氣體電化學傳感器輸出的μA級電流，經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換成mV級的電壓信號后，經(jīng)濾波器得到一個穩(wěn)定的電壓值，最后調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，將電壓變化范圍限定在0～3.3 V后就可以送到微控制器的AD采集。本文選用噪聲小，偏置電流不大于100 pA、較小的1 μV偏置電壓，溫漂小以及開環(huán)增益大的雙通道運算放大器AD8629。電路中場效應管J175在短路時能確保參考電極和工作電極保持相同的電位。信號調(diào)理電路如圖4所示。

圖4 信號調(diào)理電路

2.3 顆粒物傳感器接口電路

顆粒物傳感器選用激光粉塵顆粒物傳感器SDS018。該傳感器采用串口輸出方式，能夠測出空氣中0.3～10 μm的懸浮顆粒物濃度，測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，響應速度快，1次/s，壽命長達8 000 h，測量量程為0～1 000 μg/m3。SDS018的接口電路如圖5所示。

圖5 SDS018的接口電路

2.4 外部存儲模塊

采用型號為M25P16的Flash芯片，工作電壓范圍為2.7～3.6 V，容量為16 Mbit，可分為32個扇區(qū)，每個扇區(qū)分為256頁，每頁長度為256個字節(jié)，支持頁編程。M25P16采用四線制SPI通信方式。Flash存儲電路如圖6所示。

圖6 Flash存儲電路

2.5 液晶顯示接口電路

選用的23.33 cm的彩色液晶顯示觸摸屏，型號為GL25U070AT8048T，該顯示屏使用5 V電壓供電，采用SPI通信方式與主芯片實現(xiàn)串行通信，在時鐘線和信號線各串聯(lián)一個33 Ω的小電阻用來減少導線電感的影響，增加阻尼，降低信號過沖。液晶顯示接口電路如圖7所示。

圖7 液晶顯示接口電路

2.6 無線通訊接口電路

選用型號為L218的GPRS模塊。該模塊具有超小的體積，功耗低，支持GPS+北斗雙星定位系統(tǒng)，使定位更加精準，支持GSM/GPRS無線通信功能，擁有TCP/UDP/FTP等網(wǎng)絡協(xié)議，只需通過發(fā)送AT指令就可以實現(xiàn)應用開發(fā)[4-5]，簡化了用戶開發(fā)工作。L218模塊接口電路如圖8所示。

圖8 L218模塊接口電路

3 微站的軟件設計

3.1 軟件設計流程

微站的軟件設計是基于RT-thread實時操作系統(tǒng)。RT-Thread操作系統(tǒng)相對于其他操作系統(tǒng)也具有很大的優(yōu)勢，與 Linux 操作系統(tǒng)相比較，體積小、成本低、功耗低、啟動快速，除此以外，RT-Thread 還具有實時性高、占用資源小等特點，非常適用于各種資源受限(如成本、功耗限制等)的場合[6-7]。

軟件設計首先在硬件平臺上移植RT-Thread操作系統(tǒng)，然后在移植的操作系統(tǒng)上調(diào)用API函數(shù)編寫底層的驅(qū)動程序以及各線程的設計。設計流程如圖9所示。

圖9 軟件設計流程

3.2 人機交互模塊軟件設計

采用emWin進行界面開發(fā)。emWin源代碼是采用C語言來實現(xiàn)的，可用于大多數(shù)平臺。本文設計的是多窗口可切換操作界面，通過WM的消息傳遞機制和回調(diào)機制可以實現(xiàn)界面顯示、控件操作以及界面更新等多種功能。界面設計如圖10所示。

圖10 界面設計

4 實驗分析

為驗證儀器的性能，在實驗室搭建的環(huán)境下先進行了響應時間實驗，隨后對儀器進行了準確性實驗來分析儀器的性能。

4.1 響應時間實驗

響應時間實驗首先通入零氣，待顯示屏數(shù)值穩(wěn)定后，通入各傳感器滿量程的80%濃度的標準氣體，分別記錄從界面開始有數(shù)值反應到界面顯示的數(shù)值達標準氣體的90%濃度值時所用的時間，即為該傳感器的響應時間，記錄數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 響應時間實驗數(shù)據(jù)

4.2 準確性實驗

通入不同濃度的標準樣氣進行測試，每種濃度分別記錄10次(每隔1 min記錄一次)，求平均值后作為測量值。準確性實驗結(jié)果如表2所示。1 ppm=10-6。

表2 準確性實驗結(jié)果

數(shù)據(jù)結(jié)果表明，測量的數(shù)據(jù)誤差最大值為1.83%<2%，說明該設備具有很好的準確性。

5 結(jié)束語

本文介紹基于STM32F4針對大氣監(jiān)測系統(tǒng)的一個微站的軟硬件設計。本文給出了微站主要的軟硬件設計方案，并對儀器進行了準確性實驗。實驗結(jié)果表明，該儀器具備很好的準確性，為大氣監(jiān)測系統(tǒng)設計提供參考。