成俊娜 楊凌 郝欣 趙韋靜 王曉辰

摘 ?要：為了滿足工業(yè)上對氨氣精準檢測的需求，設(shè)計了一種基于STM32的氨氣檢測系統(tǒng)，利用基于可調(diào)諧二極管激光光譜吸收技術(shù)（TDLAS）的氣體檢測傳感器，配合高穩(wěn)定性抽氣泵和高精度流量計，以STM32C8T6為主控芯片，設(shè)計了供電電路、傳感器控制電路、電磁閥控制電路、抽氣泵控制電路等。通過對已知濃度氨氣測量，得到相應(yīng)的測量數(shù)據(jù)，誤差范圍合理，能夠采集到完整的數(shù)據(jù)曲線，實驗結(jié)果證明硬件選型合適，軟件程序運行正常。

關(guān)鍵詞：氨氣 ?STM32 ?TDLAS ?氣體檢測

中圖分類號：TP319 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）03（a）-0060-04

An ammonia gas detection system based on STM32

CHENG Junna* ?YANG Ling ?HAO Xin ?ZHAO Weijing ?WANG Xiaochen

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

Abstract：In order to meet the requirements of industry of ammonia accurate detection， designs an ammonia detection system based on STM32， based on tunable diode laser absorption spectrum technology （TDLAS） gas detection sensors， pump with high stability and high precision meter， STM32C8T6 as main control chip， designed the power supply circuit， sensors， control circuit， electromagnetic valve control and pump control circuit， etc. Through the known concentration of ammonia gas measurement， get the corresponding measurement data， the error range is reasonable， can collect a complete data curve， the experimental results prove that the hardware selection is appropriate， the software program runs normally.

Key words： Ammonia; STM32; TDLAS; Gas detection

氨氣是一種常見的有害氣體，是環(huán)境污染的主要貢獻者之一。近年來隨著國家對環(huán)境保護工作的重視，出臺了各類環(huán)保政策，其中對氮氧化物（NOx）的治理要求尤為嚴格。工業(yè)企業(yè)常選用選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction， SCR）技術(shù)對廢氣進行脫硝處理。通過對企業(yè)的實地考察發(fā)現(xiàn)，廠區(qū)內(nèi)的總是彌漫著氨氣的味道，探查發(fā)現(xiàn)在實際的治理過程中為了確保尾氣中的NOx完全被還原，往往會添加過量的尿素溶液，使得尾氣中帶有未反應(yīng)的氨氣，易造成氨氣泄漏。因此，為了保護工人的健康，減少環(huán)境污染，對微量氨氣的檢測尤為重要。

1 ?系統(tǒng)總體設(shè)計

目前，針對氨氣的檢測方法有很多種，朱寶余等研究者[1]對氨氣檢測儀的現(xiàn)狀進行了分析總結(jié)，按照檢測機理分類，可分為化學檢測法、化學傳感器檢測法[2]、氣相色譜檢測法以及光譜檢測法。工業(yè)上常用的氨氣檢測器有火焰離子化檢測器（FID）和光離子化檢測器（PID），都具有一定的局限性。調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)（TDLAS）[3-4]具有高選擇性，是目前較為熱門的氨氣檢測技術(shù)。比如：華中農(nóng)業(yè)大學的譚鶴群等研究者[5]提出了一種基于可調(diào)諧吸收光譜的畜禽舍氨氣濃度檢測方法;中國科學院大學的鹿洪飛[6]研制了一種近紅外VCSEL型TDLAS氨氣檢測系統(tǒng)，并驗證了系統(tǒng)的性能;天津科技大學的李叢蓉[7]設(shè)計了一種基于TDLAS的柴油機SCR氨污染檢測系統(tǒng);天津大學的王喆[8]通過建模與實驗分析了基于TDLAS氨氣檢測原理的性能。該文選用基于TDLAS的氣體檢測模塊，設(shè)計了一種氨氣檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有選擇性強、靈敏度高、反應(yīng)迅速等特點。

氨氣檢測系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計思維進行整體設(shè)計，包括由STM32微處理器構(gòu)成的最小系統(tǒng)、電源、測量、控制、通信等模塊。氨氣檢測系統(tǒng)的工作流程為：通信模塊將傳感器采集的數(shù)據(jù)實時顯示在液晶顯示屏上，實現(xiàn)人機交互。

2 ?系統(tǒng)搭建

2.1 硬件電路設(shè)計

氨氣檢測系統(tǒng)設(shè)計之初，傳感器的通信協(xié)議為UART，存儲芯片為W25Q64，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議為SPI協(xié)議，流量傳感器的通信協(xié)議為IIC，故氨氣檢測系統(tǒng)硬件的微處理器選用的STM32C8T6芯片，能夠滿足通信需求。硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示。

按照功能進行電路板的模塊化設(shè)計，主要分為以下幾個方面。

2.1.1 傳感器模塊

選用TDLAS原理測量空氣中氨氣的濃度并將采集到的傳感器參數(shù)進行信號處理并傳輸至主控制器，傳感器是Axeteris公司的LGD F200 A型，該傳感器的測量范圍為0～100 ppm。通過串口RS232協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，MAX232芯片是美信（MAXIM）公司專為RS-232標準串口設(shè)計的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，使用+5 v單電源供電。器件特別適合電池供電系統(tǒng)，這是由于其低功耗關(guān)斷模式可以將功耗減小到5 μW以內(nèi)。故采用max3232芯片進行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，滿足數(shù)據(jù)的傳輸要求，搭建控制電路如圖2所示。

2.1.2 泵控模塊

儀器工作模式為泵抽式，選用采用進口THOMAS的抽氣泵，提供穩(wěn)定的氣源，滿足傳感器需求，達到最優(yōu)的測試效果。通過IO接口輸出高低電平控制泵的啟停，控制電路見圖3。

2.1.3 穩(wěn)壓模塊

選用車用模塊，為系統(tǒng)提供12 V的穩(wěn)定電源，增強系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。為了增強電壓的穩(wěn)定性，進行分步驟降壓，首先將輸入電壓到5 V，然后5 V到3.3 V。

2.2 軟件系統(tǒng)

氨氣檢測系統(tǒng)軟件系統(tǒng)分為顯示屏控制模塊和硬件電路控制模塊。硬件控制程序基于Keil C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)進行開發(fā)控制，首先對傳感器進行初始化，清空串口緩存數(shù)據(jù)，開啟傳感器，默認為采樣模式，可選擇標定模式，進入控制界面，設(shè)備進入工作狀態(tài)。

選用廣州大彩串口屏實現(xiàn)系統(tǒng)人機交互功能，通過顯示屏控制并實時顯示和記錄數(shù)據(jù)?？刂瞥绦蚧赩isual TFT軟件開發(fā)環(huán)境設(shè)計，將控制程序遷移嵌套進入主控程序，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時顯示、數(shù)據(jù)記錄、工作模式選擇、數(shù)據(jù)標定等功能。

開機后進入初始化程序，待初始化完成后進入檢測界面，可顯示實時濃度、當前的流速、工作狀態(tài)、故障、報警、設(shè)置。當傳感器出現(xiàn)故障，經(jīng)過軟件程序的判斷會打開故障燈，如果濃度超過當前設(shè)定的報警值，則報警燈紅燈提示。

點擊采樣和標定按鈕，將在采樣模式和標定模式中切換。采樣模式下泵開啟進行采樣。標定模式下停泵，通過鋼瓶壓力控制流速進行標定。

2.3 氣路設(shè)計

為了減小氨氣的吸附，管路的材料選擇低吸附的聚四氟乙烯，接頭采用進口世偉洛克卡套接頭，保證氣路密封性，整個氣路流向如圖4所示。

3 ?儀器測試結(jié)果

3.1 零點漂移

氨氣檢測系統(tǒng)是連續(xù)監(jiān)控0～100 ppm以內(nèi)的氨氣變化的系統(tǒng)。按照設(shè)計方案搭建好試驗樣機之后，多次通入零點氣進行測試，經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)零點氣的顯示范圍為-0.6～0.3 ppm之間，通過軟件設(shè)置可將小于0 ppm的點截去，設(shè)置完成后每隔30 min進行一次記錄，記錄數(shù)據(jù)如表1所示，經(jīng)計算零點漂移為0.187%。

3.2 線性誤差

氨氣檢測系統(tǒng)是連續(xù)監(jiān)控0～100 ppm以內(nèi)的氨氣變化的系統(tǒng)。按照設(shè)計方案搭建 ?好試驗樣機之后，依次通入10 ppm、50 ppm、80 ppm的標準氨氣，穩(wěn)定后分別記錄儀器的示值，以上步驟至少重復(fù)3次，經(jīng)計算各測量值的線性誤差分別為-1.81%、1.88%、5.41%。

試驗結(jié)果顯示，當通入濃度為80 ppm的標準氣體時，線性誤差超過;了5%。啟動標校模式，校準后再次測量，試驗數(shù)據(jù)如表2所示，經(jīng)計算各測量值的線性誤差分別為-2.05%、0.33%、2.85%，線性誤差控制在±3%以內(nèi)。

3.3 響應(yīng)時間

根據(jù)記錄的曲線分析：10 ppm的標準氣體，儀器響應(yīng)只能到達8.18 ppm，T90響應(yīng)時間在32 s?？梢酝ㄟ^屏幕將8 ppm點修正為10 ppm，零點不修正，則信號整體擴大1.25倍，儀器響應(yīng)的最大值變?yōu)?0.26 ppm，T90響應(yīng)時間仍為32 s。50 ppm的標準氣體，T90響應(yīng)時間在25 s;80 ppm的標準氣體，T90響應(yīng)時間在13 s。NH3濃度越大，T90響應(yīng)時間越短，最大值的穩(wěn)定時間也越短。

4 ?結(jié)語

這種基于STM32的氨氣檢測系統(tǒng)，響應(yīng)時間最大為32 s，線性誤差在±3%以內(nèi)，可以實現(xiàn)對微量氨氣進行快速精確的檢測。通過對已知濃度氨氣測量，計算誤差范圍合理，能夠采集到完整的數(shù)據(jù)曲線，測試結(jié)果顯示硬件選型合理，軟件程序設(shè)計正常。在江蘇某化工廠實際運行結(jié)果顯示，該設(shè)備在工業(yè)現(xiàn)場能夠穩(wěn)定地運行，具有較高的靈敏度。

參考文獻

[1] 朱寶余，孫成勛，王蘭，等.氨氣檢測儀研究現(xiàn)狀[J].化工進展，2017（36）：27-33.

[2] Liang Xishuang， Lu Geyu， Zhong Tiegang.et al.New type of ammonia/toluene sensor combining NASICON with a couple of oxide electrodes[J].Sensors and Actuators B，2010（150）：355-359.

[3] 倪子顏.基于TDLAS技術(shù)同時檢測氨氣與氫氣濃度的研究[D].東北石油大學，2020.

[4] 何啟欣.基于紅外激光吸收光譜技術(shù)的氣體檢測技術(shù)研究[D].吉林大學，2018.

[5] 譚鶴群，李鑫安，艾正茂.基于可調(diào)諧吸收光譜的畜禽舍氨氣濃度檢測[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2020，36（13）：186-194.

[6] 鹿洪飛.近紅外VCSEL型TDLAS氨氣檢測系統(tǒng)的研制[D].中國科學院大學，2020.

[7] 李叢蓉.基于TDLAS的柴油機SCR氨污染檢測系統(tǒng)研究[D].天津科技大學，2017.

[8] 王喆.基于可調(diào)諧二極管激光吸收光譜的氨氣濃度檢測系統(tǒng)研究[D].天津大學，2015.