郝雅靜 郝欣 成俊娜 孫喜堂 宋春麗

摘 要：臭氧濃度的檢測是環(huán)境監(jiān)測的重要指標(biāo)。該文設(shè)計了一款準(zhǔn)確度高、響應(yīng)迅速、操作簡單的便攜式臭氧檢測裝置。該裝置利用基于紫外吸收原理的臭氧測量模塊，采用高清串口顯示屏作為輸出和操作終端，以STM32F1系列單片機(jī)作為主控芯片，設(shè)計了系統(tǒng)供電電路、AD采集電路以及臭氧測量模塊和顯示屏的控制電路等。實驗測試結(jié)果表明，該檢測儀的示值誤差、重復(fù)性測試以及響應(yīng)時間等參數(shù)滿足目前臭氧測量儀器的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：STM32 臭氧監(jiān)測 紫外吸收原理 便攜式

中圖分類號：TH83文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ?文章編號：1672-3791（2022）03（a）-0000-00

TheDesign of aportable ozone detector based on STM32

HAO YajingHAOXinCHENGJunnaSUNXitangSONGChunli

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

Abstract： Ozone concentration detection is an important environmental monitoring index. A portable ozone detector with the high accuracy， quick response-time and simple operation is designed in this paper. An ozone measurement module based on UVpcx is used in the detector， and an high-definition serial screen is used as the output and operation terminal. Based on STM32F1， the system power-supply circuit， AD acquisition circuit， ozone measurement module and the display control circuit aredesigned. The experimental results show that the measurement instrument， such as the error of indication， the repeatability and the response time， can meet the current industrial standards of ozone measurement instruments.

Key Words： STM32; Ozone Monitoring; UVpcx; Portable

臭氧是氧氣的同素異形體，常溫下帶有特殊的氣味。地球的平流層中，低濃度臭氧可以保護(hù)地球表面免受有害紫外線的照射;臭氧也會出現(xiàn)在對流層，是人類的一些生產(chǎn)活動產(chǎn)生的，比如鋼鐵、建材、火電等行業(yè)和燃煤鍋爐、機(jī)動車船等排放的氮氧化物，石化、化工、工業(yè)涂裝、包裝印刷等行業(yè)排放的揮發(fā)性有機(jī)物，這些污染物在太陽光和熱的作用下形成以臭氧為主要成分的光化學(xué)煙霧污染[1]。光化學(xué)煙霧污染嚴(yán)重影響了人類生存環(huán)境[2]，因此要加強(qiáng)對臭氧的有效檢測，才能從源頭上治理。

1系統(tǒng)總體架構(gòu)

目前常用于臭氧檢測的方法有碘量滴定法、分光光度法、化學(xué)發(fā)光法和紫外吸收法等。其中，紫外吸收法以其操作簡便、反應(yīng)靈敏等特點，已成為臭氧測量的主流方法[3]。該文選用一款基于紫外吸收原理的臭氧檢測模塊，搭配STM32F1系列單片機(jī)和基于RS485協(xié)議的串口顯示屏，設(shè)計密閉性好、吸附性小的氣路，構(gòu)成一套功能完整的臭氧檢測設(shè)備。同時考慮測量現(xiàn)場的復(fù)雜多樣性，配備鋰電池充電裝置，滿足在無交流電情況下的測量需求[4-5]。

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1硬件系統(tǒng)

2.1.1傳感器模塊

采用嶗應(yīng)臭氧測量光學(xué)模塊，該模塊以紫外吸收技術(shù)為核心，具有測量精度高、響應(yīng)時間快、輕便可靠等優(yōu)點。該傳感器測量范圍為0～1000nmol/mol，測量時，將待測氣體以恒定流速抽入測量模塊，經(jīng)顆粒物過濾器和除濕器后分成兩路，其中一路經(jīng)過臭氧洗滌器后作為參考?xì)怏w進(jìn)入UV吸收池，一路氣體作為待測氣體直接進(jìn)入UV吸收池，兩路氣體由電磁閥控制，通過測量兩路氣體在臭氧特征吸收波長處的光強(qiáng)，獲得待測氣體中臭氧的吸光度，通過吸光度的大小可以計算臭氧的濃度[6]。

2.1.2 AD采集模塊

該檢測儀內(nèi)置鋰電池，為了實時觀測電池電量，利用STM32的AD采集功能模塊和定時器模塊，定時采集電池電量信息。為了提高AD采集的準(zhǔn)確度，多次采集取平均值，經(jīng)過單片機(jī)分析處理，利用串口顯示屏實現(xiàn)電量變化的圖形化顯示。其中，AD采集模塊的電路圖如圖1所示。光耦合器實現(xiàn)了輸入端和輸出端的電氣隔離，同時可將輸出電壓轉(zhuǎn)換到STM32 ADC的檢測范圍內(nèi)。

2.1.3 供電模塊

該檢測儀通過鋰電池為系統(tǒng)提供12V的穩(wěn)定電源，經(jīng)過兩級壓降，可滿足系統(tǒng)各模塊的電壓需求。

2.2軟件系統(tǒng)

該檢測儀軟件系統(tǒng)包括STM32硬件控制程序和顯示屏控制程序。STM32硬件控制程序基于C語言在Keil的uVison5上設(shè)計開發(fā)，主要完成實時數(shù)據(jù)采集、解析處理和實時數(shù)據(jù)傳送等功能，其工作流程圖如圖2所示。顯示屏控制程序基于VisualTFT軟件開發(fā)環(huán)境設(shè)計開發(fā)，實現(xiàn)系統(tǒng)人機(jī)交互，完成實時數(shù)據(jù)顯示、零點量程校準(zhǔn)、流量標(biāo)定和查詢設(shè)備信息等功能[7]。

系統(tǒng)上電后，先進(jìn)行初始化，定時去采集傳感器實時數(shù)據(jù)和電量信息，并通過顯示屏更新顯示。顯示屏上進(jìn)行的操作也經(jīng)硬件控制程序解析處理，轉(zhuǎn)化成傳感器指令去獲取傳感器相關(guān)信息，同時對傳感器反饋的指令進(jìn)行處理顯示。

3儀器校準(zhǔn)測試

3.1儀器校準(zhǔn)

3.1.1零點校準(zhǔn)

儀器測量前需進(jìn)行零點校準(zhǔn)和量程校準(zhǔn)。進(jìn)入零點校準(zhǔn)界面，啟用零點校準(zhǔn)功能，通入零氣。觀察濃度值變化，待濃度值穩(wěn)定后進(jìn)行校準(zhǔn)。零點校準(zhǔn)后，零氣的測量值28 s已經(jīng)趨于穩(wěn)定。

3.1.2量程校準(zhǔn)

為了滿足儀器在全量程范圍內(nèi)測量的準(zhǔn)確性，量程校準(zhǔn)采用滿量程80%～100%范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行。進(jìn)入量程校準(zhǔn)界面，讀取當(dāng)前量程校準(zhǔn)系數(shù)，通入800nmool/mol的標(biāo)準(zhǔn)濃度臭氧氣體，待濃度值穩(wěn)定后計算新的量程校準(zhǔn)系數(shù)，完成量程校準(zhǔn)。量程校準(zhǔn)可以多次進(jìn)行，直至得到滿意的校準(zhǔn)結(jié)果。

3.2儀器性能測試

3.2.1示值誤差

儀器通電預(yù)熱后，進(jìn)行零點和量程校準(zhǔn)。然后依次通入濃度分別為200nmol/mol，500nmol/mol和800nmol/mol的標(biāo)準(zhǔn)氣體，記錄儀器穩(wěn)定示值。每點測3次，所測的數(shù)據(jù)如表1所示。3次測量的平均值分別為204.77nmol/mol，512.53nmol/mol和808.98nmol/mol，計算的示值誤差分別為0.48%，1.25%和0.9%，取其中絕對值最大值，該儀器的示值誤差即為1.25%。

可以看出，該檢測儀的示值誤差出現(xiàn)在滿量程50%的位置，這是由于儀器校準(zhǔn)采用的是零氣和滿量程80%的標(biāo)氣進(jìn)行的，這就導(dǎo)致離校準(zhǔn)點較遠(yuǎn)濃度的測量值誤差較大。但是儀器的示值誤差在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi)[8]，故可用此方法對其進(jìn)行校準(zhǔn)。

3.2.2重復(fù)性

實驗時先通零氣對儀器進(jìn)行調(diào)零，再通入濃度為500nmol/mol的標(biāo)準(zhǔn)氣體，待示值穩(wěn)定后讀值。重復(fù)測量6次，所測數(shù)據(jù)如表2所示。

計算的檢測儀的重復(fù)性為0.29%，滿足《臭氧氣體分析儀檢定規(guī)程》中儀器重復(fù)性不大于2%的要求。

3.2.3響應(yīng)時間

通入零點氣體調(diào)整檢測儀零點，通入500nmol/mol的臭氧標(biāo)準(zhǔn)氣體，讀取穩(wěn)定示值，停止通氣，讓儀器回到零點。再通入上述標(biāo)準(zhǔn)氣體，記錄示值升值穩(wěn)定值的90%所需時間，重復(fù)3次，測試數(shù)據(jù)如表3所示，計算的平均時間26.67S即為儀器的響應(yīng)時間。

4結(jié)語

該文設(shè)計的基于STM32的便攜式臭氧檢測儀，可實現(xiàn)0～1000nmol/mol范圍內(nèi)臭氧的測量，示值誤差1.25%，重復(fù)性為0.29%，響應(yīng)時間26.67 s?？赏ㄟ^顯示屏對儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，可應(yīng)用在無交流電源的環(huán)境，并能實時觀察儀器的電量情況。經(jīng)過反復(fù)多次測量，該儀器運(yùn)行穩(wěn)定，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)對臭氧的精準(zhǔn)測量。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐怡珊，文小明，苗國斌，等.臭氧污染及防治對策[J].中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2018（6）：35-38.

[2] DREW B D，XIANG J B，JinhanMo，etal.Association of Ozone Exposure With Cardiorespiratory Pathophysiologic Mechanisms in Healthy Adults[J].JAMA Internal Medicine，2017，177（9）：1344-1353.

[3] 郭淑萍.基于紫外光譜分析的大氣臭氧濃度檢測儀的研究與實現(xiàn)[D].石家莊：河北科技大學(xué)2020.

[4] 葉花，張春花，農(nóng)永光.基于紫外吸收法研究便攜式大氣臭氧分析儀[J].價值工程，2019，38（33）：169-170.

[5] 徐彩軍.一種便攜式臭氧濃度測量儀的研制[J].中國計量，2020（8）：65-67.

[6] 吳娟，遲穎，馮東方，等.基于雙光室的自校準(zhǔn)臭氧分析儀的設(shè)計與實現(xiàn)[C]//科學(xué)出版集團(tuán).2021第五屆能源，環(huán)境與自然資源國際會議論文集，2021：79-82.

[7] 李裕榮，邱健， 彭力，等.基于紫外吸收的單光室大氣臭氧濃度分析儀[J].自動化與信息工程，2017，38（2）：15-21.

[8] 中國計量科學(xué)研究院.臭氧氣體分析儀檢定規(guī)程：JJG 1077-2012[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012：6.