作者 / 何源 黃夢(mèng)濤 王偉峰

　　西安科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院(陜西 西安 710054)

　　何源(1990-)，男，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)師，研究方向：智能傳感器、工業(yè)控制系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)。

摘要：針對(duì)環(huán)境有毒有害氣體檢測(cè)，本文設(shè)計(jì)了一種可同時(shí)檢測(cè)多種氣體的便攜式氣體檢測(cè)儀。該設(shè)計(jì)通過(guò)使用TI公司的新型電化學(xué)模擬前端芯片LMP91000和高精度ADC芯片ADS1115改善硬件統(tǒng)一性和硬件測(cè)量精度;微控制器STM32L151軟件設(shè)計(jì)中通過(guò)數(shù)字濾波和溫度補(bǔ)償提高氣體檢測(cè)的溫度穩(wěn)定性和精度。

引言

　　環(huán)境中常見(jiàn)的有毒有害氣體如：氨氣(NH₃)、二氧化硫(SO₂)、一氧化碳(C0)、硫化氫(H₂S)、氮氧化物(NO_X)等。對(duì)于上述有毒有害氣體都有對(duì)應(yīng)的電化學(xué)傳感器;電化學(xué)傳感器的主要優(yōu)勢(shì)是：線性輸出、低功耗、良好的分辨率、良好的重復(fù)性和準(zhǔn)確性，所以電化學(xué)傳感器在氣體檢測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用^[1-4]。

　　現(xiàn)如今市場(chǎng)中大部分多合一氣體檢測(cè)儀是以分立元件組建的電化學(xué)傳感器前端調(diào)理電路而且以微控制器自身10位或者12位的ADC轉(zhuǎn)換器作數(shù)據(jù)采集，很多產(chǎn)品沒(méi)有考慮溫度對(duì)電化學(xué)傳感器的影響;因此其在溫度穩(wěn)定性和精度上不盡人意。對(duì)此，本文通過(guò)改善硬件電路設(shè)計(jì)和找尋有效的溫度修正方法，從而提高氣體檢測(cè)的溫度穩(wěn)定性和精度。

1 電化學(xué)傳感器工作原理

　　目前大部分電化學(xué)傳感器都是三電極結(jié)構(gòu)，其工作原理是氣體通過(guò)選擇型敏感膜擴(kuò)散到傳感器內(nèi)，并與傳感器內(nèi)化學(xué)溶液產(chǎn)生氧化反應(yīng)或者還原反應(yīng)，并在在工作電極上產(chǎn)生電流信號(hào)，其反應(yīng)類型決定工作電極上的電流方向^[3,7]。

　　簡(jiǎn)化三電極電化學(xué)傳感器調(diào)理電路如圖1所示。工作電流在對(duì)電極與工作極之間流動(dòng)，通過(guò)A2運(yùn)放器將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。分立電路中調(diào)整RF的值，使A2輸出的值滿足后端轉(zhuǎn)換電路的要求^[5]?？梢钥闯龇至⒄{(diào)理電路較為復(fù)雜，由于分立元件個(gè)體差異調(diào)整難度較大，同時(shí)引入誤差也隨之增大。

　　采用LMP91000芯片可極大簡(jiǎn)化調(diào)理電路的設(shè)計(jì)，提高調(diào)理電路的可靠性。芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。芯片內(nèi)部具有可編程的增益控制和基準(zhǔn)電壓控制，能夠適應(yīng)多種電化學(xué)傳感器，芯片通過(guò)I²C 總線與微控制器通信。I²C總線可掛接多個(gè)芯片從而實(shí)現(xiàn)多氣體檢測(cè)傳感器陣列的設(shè)計(jì)。其內(nèi)部寄存器在官方數(shù)據(jù)手冊(cè)中已有詳細(xì)的說(shuō)明，在此就不再贅述。

　　根據(jù)運(yùn)算放大器虛短虛斷的特性可得到以下表達(dá)式：

(1)

　　式中，V_{ref_div}為基準(zhǔn)電壓，V_out為LMP91000輸出電壓，I_we為電化學(xué)傳感器工作電流。±是由電化學(xué)傳感器性質(zhì)所決定的。

　　測(cè)量氣體濃度與電化學(xué)傳感器工作電流的關(guān)系表達(dá)式：

(2)

　　表達(dá)式中C為被測(cè)氣體濃度，SI為電化學(xué)傳感器靈敏度。

　　以上表達(dá)式中R_TIA、V_{ref_div}、S_I都為已知量，測(cè)量V_out就能推算出被測(cè)氣體濃度C。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　硬件系統(tǒng)框圖如圖3所示，硬件系統(tǒng)主要由微控制器、溫濕度傳感器、ADC轉(zhuǎn)換器、電化學(xué)傳感器調(diào)理電路、顯示和按鍵控制組成。使用REF3020高精度電壓基準(zhǔn)芯片提供基準(zhǔn)電壓，電化學(xué)傳感器調(diào)理電路使用LMP91000，ADC轉(zhuǎn)換器使用ADS1115，這三個(gè)要素是保證硬件電路高精度測(cè)量的基礎(chǔ)。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　軟件主要部分流程圖如圖4所示，其余顯示和控制部分程序不是本文重點(diǎn)，在此不予闡述。其中最為重要的是數(shù)字濾波與溫度曲線修正兩個(gè)步驟。

　　3.1 數(shù)字濾波

　　對(duì)于數(shù)字濾波本文主要使用中值加均值的綜合濾波方法，即先為采集的n個(gè)電化學(xué)輸出值集合Sn排序得到新的集合Tn，根據(jù)實(shí)際情況去掉集合Tn頭尾m個(gè)數(shù)，然后再求集合中剩下數(shù)的平均值，即;此方法既能抑制隨機(jī)干擾，又能濾除明顯的脈沖干擾。

　　3.2 溫度曲線修正

　　電化學(xué)傳感器的工作溫度一般在-20℃~50℃，在其極限工作溫度下傳感器壽命非常短。在溫度為20℃時(shí)，電化學(xué)傳感器被看作沒(méi)有溫漂，即20℃為電化學(xué)傳感器的中心溫度;因此本文計(jì)算溫度擬合曲線就以20℃時(shí)的數(shù)值為基準(zhǔn)點(diǎn)。以一氧化碳傳感器4CO-2000為例，在-5℃~50℃溫度區(qū)間，以5℃遞增;分別使用一氧化碳含量為250ppm、706ppm、1001ppm、1701ppm標(biāo)氣做高低溫實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)溫度曲線如圖5(a)所示，實(shí)驗(yàn)溫漂曲線如圖5(b)所示，實(shí)驗(yàn)溫漂比曲線如圖5(c)所示，實(shí)驗(yàn)平均溫漂比曲線如圖5(d)所示。

　　溫漂值是以20℃時(shí)的測(cè)量值為基準(zhǔn)值，分別與其他溫度下測(cè)量值作差得到的集合。溫漂比值是以20℃時(shí)的測(cè)量值為基準(zhǔn)值，分別與溫漂值集合中的值作比得到的集合。平均溫漂比值是4種標(biāo)氣實(shí)驗(yàn)中得到的溫漂比值，在同一個(gè)溫度點(diǎn)做算術(shù)平均得到的集合。

　　從溫漂比曲線圖(圖5(c))中不難看出，傳感器在各個(gè)標(biāo)氣溫度實(shí)驗(yàn)中變化趨勢(shì)基本是一致的，再用平均溫漂比曲線(圖5(d))作最小二乘法多項(xiàng)式曲線擬合，就可得到比較適合的溫度修正擬合曲線。

　　溫度修正擬合曲線(K_(T))一般是兩次或者三次多項(xiàng)式的計(jì)算，它的參數(shù)即為實(shí)時(shí)的溫度值，計(jì)算得到是當(dāng)前溫度下的偏差比值;因此完整的公式為：

(3)

　　表達(dá)式中V_(T)為修正后的氣體濃度值;V為未修正的氣體濃度值;K_(T)為溫度修正擬合曲線。

4 性能測(cè)試

　　將高低溫實(shí)驗(yàn)后擬合的溫度曲線加入嵌入式軟件程序中，將氣體檢測(cè)儀在純氮?dú)庵羞M(jìn)行校零。再次在-5℃~50℃的溫度區(qū)間進(jìn)行性能測(cè)試，同樣以CO傳感器為例測(cè)試結(jié)果如表1所示。

　　由表1中的數(shù)據(jù)可以看出，CO傳感器溫度在-5℃~50℃區(qū)間內(nèi)，對(duì)4種標(biāo)氣的測(cè)量誤差都保持在了±4ppm范圍內(nèi)，有效的證明了本文中提取溫度修正擬合曲線的方法是可行、有效的。此方法在氣體檢測(cè)儀其他傳感器如：O₂傳感器、H₂S傳感器、SO₂傳感器、NH₃傳感器中得到同樣驗(yàn)證。

5 結(jié)論

　　本文討論了基于STM32L151的便攜式氣體檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，對(duì)其硬件電路結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵的數(shù)字濾波與溫度修正方法進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。通過(guò)大量高低溫實(shí)驗(yàn)證明：本文提出以“平均溫漂比”作參考樣本計(jì)算溫度修正擬合曲線，要比溫度分段式溫度修正方法[6~7]更為有效。為氣體檢測(cè)領(lǐng)域硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和修正方法提供了新的參考。但是由于電化學(xué)傳感器自身的保質(zhì)期一般在1~5年不等，期間其特性會(huì)發(fā)生細(xì)微變化，可通過(guò)定期校準(zhǔn)能減小此變化對(duì)測(cè)量的影響。

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　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第1期第49頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。