蔣旭偉,虞啟凱,韓江義,楊紅鑫
(1. 南京科技職業(yè)學(xué)院智能制造學(xué)院, 南京 210048;2. 江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院, 江蘇鎮(zhèn)江 212013)
電力、煤炭以及石油化工等工業(yè)園區(qū)容易產(chǎn)生大量易燃易爆、有毒有害氣體,是污染氣體排放的重點(diǎn)分布區(qū)域[1]。煙氣的有組織和無組織排放必須符合國家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定,因此,對這些有害氣體進(jìn)行及時(shí)、精確地監(jiān)測和預(yù)報(bào)是許多企業(yè)安全生產(chǎn)中的重要一環(huán)。在工業(yè)園區(qū),如果能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的環(huán)境監(jiān)測,一方面能夠及時(shí)了解各種氣體特征污染物的濃度和排放量,從而減少偷排現(xiàn)象;另一方面能給企業(yè)工藝的改進(jìn)提供真實(shí)有效的數(shù)據(jù)來源,從而促進(jìn)節(jié)能減排[2]。由此可見,不論政府相關(guān)部門還是企業(yè)管理層,對環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測、預(yù)警及應(yīng)急指揮等都有較高需求。因此,如何研究并設(shè)計(jì)出適用于化工園區(qū)廠界的氣體分析儀已成為當(dāng)今環(huán)保監(jiān)測的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。
通常在大氣環(huán)境檢測中,被測試的氣體是以混合氣體形式存在,成分復(fù)雜,研究出同時(shí)檢測多種有毒有害氣體的檢測儀尤為迫切[3]。但目前,我國分析儀器市場上有毒氣體分析儀還不常見,檢測組分單一,且產(chǎn)品技術(shù)更新緩慢。本文針對上述問題,研發(fā)一款適用于化工園區(qū)的無機(jī)有毒氣體分析儀具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
通過分析現(xiàn)場的檢測需求,對所設(shè)計(jì)的儀器提出總體功能需求,具體如下。
(1)采集功能:傳感器信號(hào)采集部分的設(shè)計(jì)盡可能靈活,用于擴(kuò)展其他有毒氣體的檢測。
(2)顯示功能:實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測數(shù)據(jù),包括氣體濃度、環(huán)境的溫濕度、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)等。出現(xiàn)多任務(wù)時(shí)儀器應(yīng)具備良好的處理能力和實(shí)時(shí)性。人機(jī)交互界面友好,支持中文界面操作,降低現(xiàn)場工作人員使用難度。采用觸摸屏,方便設(shè)置各種功能參數(shù)。
(3)通信功能:與現(xiàn)有設(shè)備兼容,集成可靠的RS485 通訊,可將分析儀檢測到的信息傳輸?shù)缴衔粰C(jī),同時(shí)上位機(jī)用戶也可對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定和修改。
(4)預(yù)警功能:可為所檢測的有毒氣體濃度預(yù)設(shè)報(bào)警閾值,當(dāng)氣體濃度超限后,分析儀自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警裝置。
(5)記事本功能:可存放軟件設(shè)計(jì)中的變量信息,當(dāng)系統(tǒng)掉電后,分析儀所設(shè)的參數(shù)、氣體濃度、溫濕度、報(bào)警等信息可自動(dòng)保存,方便后續(xù)查詢。
(6)掉電保護(hù)功能:保證在掉電后,用戶設(shè)定的數(shù)據(jù)以及記事本中的數(shù)據(jù)不丟失。
本文研究的氣體分析儀應(yīng)具備如下指標(biāo)。
(1)儀器適用于化工園區(qū)排放有毒氣體頻繁的場所,符合工業(yè)儀表標(biāo)準(zhǔn),精度等級(jí)不低于2.5。
(2)可同時(shí)檢測4 種無機(jī)有毒氣體,濃度測量范圍:硫化氫0~100 mg/L,氨氣0~100 mg/L,氯化氫0~20 mg/L,氟化氫0~10 mg/L。
(3)儀器預(yù)熱時(shí)間不超過5 min,且具備標(biāo)定與校準(zhǔn)功能。
(4)至少支持4 路可編程繼電器輸出用于聲光報(bào)警和氣閥控制。
(5)儀器使用過程中可存儲(chǔ)參數(shù)設(shè)置、聲光報(bào)警、維護(hù)提醒等歷史信息,且記錄條數(shù)不少于100條。
(6)液晶顯示器支持觸摸操作,界面應(yīng)包括氣體實(shí)時(shí)監(jiān)測界面、菜單選擇界面、標(biāo)定與校準(zhǔn)界面、通信界面、參數(shù)設(shè)置界面等。
該氣體分析儀以低功耗、高可靠性為切入點(diǎn),依據(jù)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)的要求,結(jié)合氣體檢測技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)理論,選用ARM系列高性能、低功耗工業(yè)級(jí)芯片STM32F429作為監(jiān)測系統(tǒng)的核心處理單元[4]。該芯片主頻高達(dá)180 MHz,擁有豐富的ADC、DAC、USART、SPI、I2C、CAN 等片內(nèi)外設(shè)資源,為開發(fā)帶來諸多便利。傳感器信號(hào)調(diào)理模塊選用雙通道精密集成運(yùn)放AD8572,具備功耗低、噪聲低、電流輸入偏置極低等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊采用美國Mircon 公司的M25PE80 芯片,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)年限可達(dá)20 多年。人機(jī)交互通過7 寸彩色觸摸屏GL25U070AT8048T實(shí)現(xiàn)。聲光報(bào)警通過繼電器控制外圍設(shè)備,如光路報(bào)警和蜂鳴器報(bào)警等。儀器硬件框圖如圖1所示。
圖1 硬件框圖
該儀器針對的4 種有毒氣體檢測均采用電化學(xué)氣體傳感器,其采用恒電位電解原理,輸出為微安級(jí)電流信號(hào)。目前,微安級(jí)電流檢測的經(jīng)典方法有運(yùn)算放大器法、場效應(yīng)管法、穩(wěn)壓器法、開關(guān)電容積分法[5]。本設(shè)計(jì)以ADI公司的精密集成運(yùn)放AD8572為核心設(shè)計(jì)恒電位電路及I-V轉(zhuǎn)換電路,從而實(shí)現(xiàn)微安級(jí)電流轉(zhuǎn)換為伏級(jí)電壓。最后,再次通過運(yùn)算放大器進(jìn)行放大、濾波后,將信號(hào)傳入微控制器的ADC進(jìn)行處理。雙通道四路放大器AD8572采用5 V/2.7 V單電源供電,工作溫度范圍內(nèi)(-40~125 ℃)偏置電壓最低可達(dá)1 μA,輸入偏置電流不超過20 pA,輸入偏置漂移為0.005 μV/℃[6]。此外,該芯片的開環(huán)增益高達(dá)130 dB,可保證信號(hào)放大更為準(zhǔn)確。信號(hào)調(diào)理電路如圖2所示。
圖2 信號(hào)調(diào)理電路
在對有毒氣體監(jiān)測的過程中,為了使現(xiàn)場工作人員能夠更加直觀、清晰地觀測到化工園區(qū)目標(biāo)氣體的各項(xiàng)參數(shù),并進(jìn)行相關(guān)決策,本設(shè)計(jì)選用帶觸摸功能的GLCD彩色液晶顯示屏。該顯示器采用5 V供電,四線制的SPI通訊方式與主控芯片進(jìn)行指令交互,其中每條通訊線均需串聯(lián)電阻,以增加阻抗,防止信號(hào)過沖,其接口電路如圖3所示。
圖3 GLCD接口電路
存儲(chǔ)模塊選用美國Mircon 公司的M25PE80 芯片。該芯片采用2.7~3.6 V供電,容量為8 Mbit,由16個(gè)扇區(qū)組成,每個(gè)扇區(qū)分為256頁,可提供超過105次的數(shù)據(jù)寫入和擦除操作[7]。支持頁編程,每頁256 Byte,頁編程的典型時(shí)間為0.8 ms。芯片擦除的最小單位為1個(gè)扇區(qū),同時(shí)支持整片擦除,整片擦除的時(shí)間為13 s。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)年限可達(dá)20年。M25PE80 支持標(biāo)準(zhǔn)四線制SPI 通訊,采用全雙工通信,數(shù)據(jù)按位傳輸,高位在前,低位在后,其硬件電路如圖4所示。
圖4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路
聲光報(bào)警電路采用警示燈和蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警,通過視覺和聽覺讓工作人員能夠直觀地感受到現(xiàn)場環(huán)境的危險(xiǎn)程度,警示作用明顯。為滿足氣體分析儀多樣化的控制要求,本文設(shè)計(jì)繼電器接口用于控制如報(bào)警、氣閥開關(guān)等外圍設(shè)備。繼電器選用AXICOM 公司的額定電壓為12 V 的電磁繼電器。由于繼電器驅(qū)動(dòng)電流較大且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出MCU驅(qū)動(dòng)能力,需增加一個(gè)達(dá)林頓管ULN2003。電路設(shè)計(jì)如圖5所示。
圖5 聲光報(bào)警電路
儀器的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化、分層設(shè)計(jì)的思想,分為硬件驅(qū)動(dòng)層、操作系統(tǒng)層和應(yīng)用層,軟件架構(gòu)如圖6所示。底層硬件驅(qū)動(dòng)層按模塊封裝成類似庫函數(shù),提供API 給功能模塊調(diào)用,方便后期的移植和開發(fā)。操作系統(tǒng)層主要負(fù)責(zé)任務(wù)線程的調(diào)度,降低程序開發(fā)的難度。應(yīng)用層按系統(tǒng)的功能劃分為多個(gè)線程,并基于操作系統(tǒng)編寫應(yīng)用程序,調(diào)用驅(qū)動(dòng)層API完成與硬件模塊的交互。
圖6 軟件架構(gòu)
軟件的功能實(shí)現(xiàn)是在RT-Thread 操作系統(tǒng)上構(gòu)建任務(wù)框架,根據(jù)功能劃分任務(wù)線程,各線程的執(zhí)行通過操作系統(tǒng)的調(diào)度器來控制。RT-Thread是一款由國人自主研發(fā)的、免費(fèi)開源的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)。采用面向?qū)ο蟮木幊谭绞剑啾扔谄渌鸒S,RTOS 更加偏向個(gè)性化定制,具備執(zhí)行效率高、占用空間小和軟件存儲(chǔ)固化等特點(diǎn)[8]。此外,RT-Thread 支持市場上主流的編譯工具,如keil、IAR、GCC等。主程序線程劃分如圖7所示。
圖7 主程序線程
氣體濃度采集模塊使用ADC與DMA(直接存儲(chǔ)訪問)相結(jié)合的方式,有效避免數(shù)據(jù)丟失,A/D 采樣過程如圖8 所示。根據(jù)設(shè)計(jì)要求,選用ADC1的第4、第5、第8、第9通道分別作為4種檢測氣體的采集通道,轉(zhuǎn)換模式選擇掃描模式。ADC將采集到的數(shù)據(jù)以16 bit右對齊方式存放在ADC_DR中,但由于寄存器的存儲(chǔ)空間有限,在進(jìn)行多通道采集時(shí)還需開啟DMA 功能[9]。當(dāng)每個(gè)通道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束后會(huì)發(fā)送DMA 請求,DMA 控制器會(huì)響應(yīng)該請求并將轉(zhuǎn)換的結(jié)果傳輸?shù)侥康拇鎯?chǔ)地址。
圖8 A/D采樣流程
在標(biāo)況下,由于氣體濃度的變化相對較緩慢,中位值平均濾波算法在氣體檢測行業(yè)中具有廣泛的適用性,該算法融合了中位值濾波和算術(shù)平均濾波的優(yōu)點(diǎn),適用于濾除偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾造成的采樣偏差。算法流程如圖9所示,將連續(xù)采集到的n個(gè)數(shù)據(jù),首先使用冒泡排序法將其從小到大排列,然后去掉首尾的最小值和最大值,最后將剩下的(n-2)個(gè)數(shù)取其平均值。
圖9 中位值平均算法流程
人機(jī)交互界面不僅能夠方便用戶直觀清晰地查看現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù),還可以通過操作界面來實(shí)現(xiàn)設(shè)定儀器的功能。儀器借助emWin 圖形庫進(jìn)行界面開發(fā)。emWin 是德國SEGGER 公司針對嵌入式領(lǐng)域開發(fā)的GUI,可為任何圖形LCD 設(shè)計(jì)提供高級(jí)支持,使嵌入式圖形界面開發(fā)變得簡單快捷[10]。emWin繪制界面時(shí)無需發(fā)送專門的指令,只需調(diào)用emWin 提供的接口函數(shù),可輸出高質(zhì)量的無鋸齒文字和圖形。界面設(shè)計(jì)框架如圖10所示。
圖10 界面設(shè)計(jì)框架
為了測試氣體流量的大小是否會(huì)影響氣體傳感器的檢測精度進(jìn)行流量試驗(yàn)。本文以H2S 為例進(jìn)行了兩組實(shí)驗(yàn),第一組實(shí)驗(yàn)通入47 ppm 的樣氣,通過調(diào)節(jié)流量閥使氣體以400~900 mL/min 流速流入,且以100 mL/min 的幅度遞增。第二組實(shí)驗(yàn)通入23 ppm 的標(biāo)準(zhǔn)氣,流量為900~1400 mL/min,同樣以100 mL/min 的幅度遞增。測量時(shí),在每次調(diào)節(jié)流量后,需等待一段時(shí)間使得讀數(shù)穩(wěn)定,記錄此時(shí)的氣體濃度值。氣體流量測試數(shù)據(jù)如表1所示。
表1 氣體流量測試數(shù)據(jù)
由上述兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,當(dāng)氣體流速以500 mL/min 變化時(shí),實(shí)測濃度存在明顯波動(dòng)。綜上,氣體流量的大小會(huì)影響檢測結(jié)果,為保證儀器的穩(wěn)定輸出,需要對氣體流量進(jìn)行穩(wěn)定控制。
為了檢測儀器的測量精度,本文通過對幾組已知濃度的樣氣進(jìn)行測量,分析觀測值與真實(shí)值之間的誤差,判斷儀器的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)時(shí),保持恒溫15 ℃,通氣流量為500 mL/min,以H2S 為例,分別通入6 種不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣,每種濃度的樣氣采集10 次求平均后作為測量值,檢測結(jié)果如表2 所示。由表可知,經(jīng)多次試驗(yàn)測量,相對誤差均在±2%以內(nèi),表明該分析儀器測時(shí),準(zhǔn)確性較好,滿足設(shè)計(jì)要求。
表2 儀器精度測試數(shù)據(jù)
本文提供了一種基于STM32 和電化學(xué)傳感器的化工園區(qū)無機(jī)有毒氣體分析儀的設(shè)計(jì)方案,從數(shù)據(jù)采集、調(diào)理、顯示、存儲(chǔ)等環(huán)節(jié)給出軟硬件具體實(shí)現(xiàn)方案,并搭建測試平臺(tái),進(jìn)行了傳感器穩(wěn)定性測試及儀器精確度測試。測試結(jié)果表明:該氣體分析儀的功能完善,性能穩(wěn)定,抗干擾能力強(qiáng),符合設(shè)計(jì)要求,具有實(shí)用價(jià)值,為在線氣體監(jiān)測系統(tǒng)的研究奠定儀器基礎(chǔ)。